Kaustiskās sodas rūpnīca, kuras pamatā ir hlor-sārmu process, nav viena iekārta, bet gan nepārtraukta elektroķīmiskās ražošanas sistēma. Katra rūpnīcas daļa veic noteiktu transformācijas vai attīrīšanas posmu.
Sālījuma sagatavošanas sistēma
Sālījuma sagatavošanas sistēma pārvērš cieto rūpniecisko sāli (NaCl) piesātinātā sālījumā, kas piemērots elektrolīzes padevei. Lielākajā daļā membrānu hlor-sārmu konstrukciju mērķa sālsūdens koncentrācija tiek kontrolēta aptuveni 300–310 g/l NaCl.
Sistēma parasti ietver sāls šķīdināšanas tvertni, maisītājus, rupjās filtrēšanas sietus un sālsūdens cirkulācijas cilpu. Izšķīdināšanas tvertne ir paredzēta, lai uzturētu kontrolētu uzturēšanās laiku, parasti 2–4 stundas, lai nodrošinātu pilnīgu nātrija hlorīda kristālu izšķīšanu.
Nešķīstošus piemaisījumus, piemēram, smiltis, mālu un nešķīstošus sāļus, atdala nostādināšanas vai hidrociklona atdalīšanas ceļā. Pēc tam izvadīto sālījumu pārnes uz attīrīšanas sekciju.
Šīs apakšsistēmas dizains ir tieši saistīts ar membrānas šūnu dzīvi, jo suspendētās cietās vielas virs 1 mg/l var paātrināt membrānas piesārņojumu un laika gaitā palielināt šūnu spriegumu.
Sālījuma attīrīšanas vienība
Sālījuma attīrīšanas sistēma noņem divvērtīgos katjonus, piemēram, kalciju (Ca²⁺), magniju (Mg²⁺) un smagos metālus, kas traucē membrānas darbību. Membrānas hlor-sārmu sistēmās kalcija un magnija koncentrācija parasti jāsamazina līdz 20 ppb (daļām uz miljardu).
Standarta attīrīšanas metode ir ķīmiskā izgulsnēšana, izmantojot nātrija karbonātu (Na2CO3) un nātrija hidroksīdu (NaOH). Reakcijās veidojas nešķīstošs kalcija karbonāts un magnija hidroksīds:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
Šīs nogulsnes tiek noņemtas, izmantojot dzidrinātājus vai lameļu sedimentācijas tvertnes, kam seko smalkas filtrēšanas sistēmas, parasti 5–10 mikronu kārtridžu filtri.
Pulēšanas filtri ir uzstādīti lejup pa straumi, lai nodrošinātu stabilu padeves kvalitāti elektrolizatoriem. Sālījuma attīrīšanas sistēma ietver arī pH kontroles cilpas un ORP monitoringu, lai uzturētu reakcijas efektivitāti.
Elektrolīzera sistēma (membrānas šūnu sekcija)
Elektrolizators ir hlora -sārmu procesa kodols. Mūsdienu augi izmanto jonu -apmaiņas membrānas šūnas, kuru pamatā parasti ir perfluorsulfonskābes (PFSA) membrānas.
Katra elektrolizatora šūna ir sadalīta anoda nodalījumā un katoda nodalījumā, ko atdala katjonu -selektīva membrāna. Sālījums tiek ievadīts anoda kamerā, kur hlorīda joni tiek oksidēti līdz hlora gāzei:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Katoda pusē ūdens tiek reducēts līdz ūdeņraža gāzei un hidroksīda joniem:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Nātrija joni migrē caur membrānu un savienojas ar hidroksīda joniem, veidojot nātrija hidroksīdu (NaOH).
Rūpniecisko membrānu šūnu tipiskie darbības parametri ir:
Šūnas temperatūra: 85–95 grādi
Strāvas blīvums: 3,0–6,0 kA/m²
Šūnas spriegums: 3,0–3,3 V
NaOH koncentrācija: 30–35 masas% (šūnu šķidruma izvade)
Elektrolīzera sistēmā ietilpst šūnu rāmji, elektrodi (titāna anods ar rutēnija/irīdija pārklājumu), niķeļa katodi un hidrauliskās blīvēšanas sistēmas. Šūnu izlīdzināšana un saspiešanas spēks tiek kontrolēts, lai novērstu noplūdi un saglabātu membrānas integritāti.
Taisngriežu sistēma
Taisngriežu sistēma pārveido maiņstrāvu no tīkla līdzstrāvā, kas nepieciešama elektrolīzei. Hlora-sārmu rūpnīcas parasti darbojas ar ļoti lielu līdzstrāvu, bieži diapazonā no 10 kA līdz 200 kA atkarībā no iekārtas jaudas.
Taisngriezis sastāv no:
Transformatora bloks (soli{0}}uz leju un izolācija)
Tiristoru vai IGBT taisngriežu moduļi
Līdzstrāvas kopnes
Dzesēšanas sistēma (gaisa vai ūdens{0}}dzesēšana)
Izejas spriegums parasti ir no 100 V līdz 600 V līdzstrāvas atkarībā no skursteņa konfigurācijas. Strāvas pulsācija tiek kontrolēta zem 5%, lai uzturētu stabilus elektroķīmiskās reakcijas apstākļus.
Jaudas koeficienta korekcijas sistēmas bieži tiek integrētas, lai nodrošinātu atbilstību tīklam, jo īpaši liela mēroga iekārtās, kuru NaOH jauda pārsniedz 50 000 tonnu gadā.
Iztvaikošanas sistēma
Iztvaicēšanas sistēma palielina NaOH koncentrāciju no aptuveni 30–35% (elektrolizatora jauda) līdz komerciālām kategorijām, piemēram, 48% vai 50% kaustiskās sodas šķīdumam.
Lai samazinātu tvaika patēriņu, parasti izmanto vairāku efektu iztvaikošanu (MEE). Tipiskā konfigurācija ietver 2 līdz 4 iztvaikošanas efektus, kas darbojas zem spiediena.
Tvaika padeve parasti ir 3–6 bāru piesātināta tvaika līmenī atkarībā no iekārtas konstrukcijas. Vakuuma līmeņi vēlākos posmos tiek uzturēti no -0,08 līdz -0,09 MPa, lai uzlabotu termisko efektivitāti.
Iztvaicētāja materiāliem ir jāiztur spēcīga sārmaina korozija paaugstinātā temperatūrā, tāpēc parasti tiek izmantoti sakausējumi uz niķeļa{0}} vai īpaši nerūsējošie tēraudi (piemēram, 316 l vai dupleksās kategorijas).
Hlora apstrādes sistēma
Elektrolizatorā ražotā hlora gāze ir mitra, karsta un satur ūdeņraža un sālsūdens miglas pēdas. Pirms pakārtotas lietošanas vai sašķidrināšanas tas ir jāatdzesē un jāattīra.
Hlora apstrādes sistēma ietver:
Gāzes dzesēšanas tornis (pazemina temperatūru līdz ~35-40 grādiem)
Miglas noņemšanas līdzekļi (noņem aiznestos pilienus)
Hlora žāvēšanas sistēma (izmantojot sērskābi vai adsorbcijas žāvētājus)
Kompresori (sašķidrināšanai vai cauruļvadu pārvietošanai)
Rūpnieciskai lietošanai sausā hlora tīrību parasti kontrolē virs 99,5%. Mitruma saturs ir samazināts zem 30 ppm, lai novērstu koroziju pakārtotajās iekārtās.
Hloru izmantojošie materiāli tiek izvēlēti, pamatojoties uz izturību pret koroziju, parasti ietver titāna, PVC{0}}tērauda vai FRP cauruļvadus.
Ūdeņraža reģenerācijas sistēma
Katodā ģenerētais ūdeņradis parasti ir piesātināts ar ūdens tvaikiem un satur kodīgas miglas pēdas. Reģenerācijas sistēma veic atdalīšanu, dzesēšanu un saspiešanu.
Sistēma ietver:
Gāzes{0}}šķidruma separators
Atsvaidzinātāja vienība
Dzesēšanas siltummainis
Ūdeņraža kompresors (diafragmas vai skrūves tipa)
Izvēles attīrīšanas iekārta (PSA vai katalītiskā pulēšana)
Ūdeņraža tīrība pēc atdalīšanas parasti pārsniedz 99%. Rasas punkta kontrole ir ļoti svarīga, lai novērstu kondensāciju cauruļvados.
Daudzās rūpnieciskajās iekārtās ūdeņradis ir:
izmanto kā degvielu katlos vai tvaika sistēmās
vai eksportē uz ķīmiskās sintēzes procesiem, piemēram, amonjaka vai metanola ražošanu
Automatizācijas sistēma (PLC/DCS)
Vadības sistēma integrē visas procesa sadaļas vienā koordinētā darbības platformā. Lielākā daļa mūsdienu hlor-sārmu ražotņu izmanto dalītās vadības sistēmas (DCS) apvienojumā ar programmējamiem loģiskajiem kontrolleriem (PLC) aprīkojuma līmeņa kontrolei.
Galvenās vadības cilpas ietver:
Sālījuma koncentrācijas kontrole (pamatojoties uz vadītspēju{0}})
Elektrolizatora strāvas regulēšana
Šūnu temperatūras kontrole (izmantojot sālsūdens cirkulāciju)
NaOH koncentrācijas uzraudzība (blīvuma mērīšana)
Hlora spiediena kontrole
Ūdeņraža spiediena un plūsmas regulēšana
Tipiski instrumenti ietver:
vadītspējas sensori (diapazons 0–300 mS/cm)
pH analizatori (skalā 0–14)
diferenciālā spiediena sensori pāri membrānām
plūsmas mērītāji (elektromagnētiskie vai Koriolisa tipa)
gāzu analizatori hlora un ūdeņraža tīrības noteikšanai
Datu iegūšana parasti tiek reģistrēta ar 1–5 sekunžu intervālu atkarībā no sistēmas konstrukcijas. Trauksmes bloķētāji ir ieviesti hlora noplūdes noteikšanai un ūdeņraža pārspiediena apstākļiem.
Kaustiskās sodas rūpnīca ir veidota kā nepārtrauktas cilpas sistēma, kurā jēlsāls tiek pārveidots trīs produktu plūsmās: nātrija hidroksīdā, hlorā un ūdeņradi. Iekārtas darbības stabilitāte ir atkarīga no barības sālījuma tīrības saglabāšanas, stabila līdzstrāvas sadalījuma un kontrolēta termiskā līdzsvara gan elektrolīzes, gan iztvaikošanas sekcijās.
Jebkuras novirzes sālsūdens piemaisījumu līmeņos vai taisngrieža nestabilitāte tieši ietekmē membrānas spriegumu un samazina sistēmas efektivitāti. Tāpēc lielākajā daļā inženiertehnisko projektu prioritāte tiek piešķirta attīrīšanai un pakārtotai gāzes apstrādes uzticamībai, tāpat kā pašam elektrolizatoram.
Secinājums (inženiertehniskais kopsavilkums)
No procesa inženierijas viedokļa kaustiskās sodas rūpnīca ir cieši integrēta elektroķīmiskā sistēma, kas sastāv no ķīmiskās sagatavošanas, elektrolīzes, jaudas pārveidošanas, termiskās koncentrācijas, gāzes apstrādes un automatizācijas slāņiem.
Katrai apakšsistēmai ir izmērāmi darbības parametri, un iekārtas darbību nosaka šo parametru stabilitāte, nevis kāda atsevišķa aprīkojuma vienība.
Kopējā dizaina filozofija balstās uz trim ierobežojumiem:
barības sālījuma jonu tīrība
Membrānas elektrolīzes elektriskā efektivitāte
droša hlora un ūdeņraža atdalīšana un apstrāde
Šie ierobežojumi nosaka visu galveno iekārtu konfigurāciju mūsdienu hlor-sārmu instalācijā.
