Τι εξοπλισμός περιλαμβάνεται σε ένα εργοστάσιο καυστικής σόδας;

Ένα εργοστάσιο καυστικής σόδας που βασίζεται στη διεργασία χλωρίου-αλκαλίου δεν είναι ένα ενιαίο μηχάνημα αλλά ένα συνεχές ηλεκτροχημικό σύστημα παραγωγής. Κάθε τμήμα του φυτού εκτελεί ένα συγκεκριμένο στάδιο μετασχηματισμού ή καθαρισμού.

Το σύστημα παρασκευής άλμης μετατρέπει το στερεό βιομηχανικό αλάτι (NaCl) σε κορεσμένη άλμη κατάλληλη για τροφοδοσία ηλεκτρόλυσης. Στα περισσότερα σχέδια με χλωρό{1}}αλκάλια μεμβράνης, η στοχευόμενη συγκέντρωση άλμης ελέγχεται περίπου στα 300–310 g/L NaCl.

Το σύστημα τυπικά περιλαμβάνει μια δεξαμενή διάλυσης άλατος, αναδευτήρες, χονδρόκοκκα φιλτραρίσματος και βρόχο κυκλοφορίας άλμης. Η δεξαμενή διάλυσης έχει σχεδιαστεί για να διατηρεί έναν ελεγχόμενο χρόνο παραμονής, συνήθως 2-4 ώρες, ώστε να διασφαλίζεται η πλήρης διάλυση των κρυστάλλων χλωριούχου νατρίου.

Οι αδιάλυτες ακαθαρσίες όπως η άμμος, ο πηλός και τα αδιάλυτα άλατα απομακρύνονται μέσω καθίζησης ή διαχωρισμού υδροκυκλώνων. Η άλμη εξόδου στη συνέχεια μεταφέρεται στο τμήμα καθαρισμού.

Ο σχεδιασμός αυτού του υποσυστήματος σχετίζεται άμεσα με τη ζωή των κυττάρων της μεμβράνης, καθώς τα αιωρούμενα στερεά πάνω από 1 mg/L μπορούν να επιταχύνουν τη ρύπανση της μεμβράνης και να αυξήσουν την τάση των κυττάρων με την πάροδο του χρόνου.

Το σύστημα καθαρισμού άλμης αφαιρεί δισθενή κατιόντα όπως ασβέστιο (Ca2+), μαγνήσιο (Mg2+) και ίχνη βαρέων μετάλλων που παρεμβαίνουν στην απόδοση της μεμβράνης. Στα συστήματα μεμβράνης χλωρίου-αλκαλίων, οι συγκεντρώσεις ασβεστίου και μαγνησίου πρέπει συνήθως να μειωθούν σε κάτω από 20 ppb (μέρη ανά δισεκατομμύριο).

Η τυπική μέθοδος καθαρισμού είναι η χημική καθίζηση χρησιμοποιώντας ανθρακικό νάτριο (Na2CO3) και υδροξείδιο του νατρίου (NaOH). Οι αντιδράσεις σχηματίζουν αδιάλυτο ανθρακικό ασβέστιο και υδροξείδιο του μαγνησίου:

Ca2+ + CO32- → CaCO3↓
Mg²⁺ + 2OH- → Mg(OH)2↓

Αυτά τα ιζήματα απομακρύνονται χρησιμοποιώντας διαυγαστές ή δεξαμενές καθίζησης ελασμάτων που ακολουθούνται από συστήματα λεπτής διήθησης, συνήθως φίλτρα φυσιγγίων 5–10 micron.

Τα φίλτρα στίλβωσης εγκαθίστανται κατάντη για να διασφαλιστεί η σταθερή ποιότητα τροφοδοσίας των ηλεκτρολυτών. Το σύστημα καθαρισμού άλμης περιλαμβάνει επίσης βρόχους ελέγχου pH και παρακολούθηση ORP για τη διατήρηση της αποτελεσματικότητας της αντίδρασης.

Ο ηλεκτρολύτης είναι ο πυρήνας της διαδικασίας χλωρίου-αλκαλίου. Τα σύγχρονα φυτά χρησιμοποιούν κύτταρα μεμβρανών ανταλλαγής ιόντων, τυπικά βασισμένα σε μεμβράνες υπερφθοροσουλφονικού οξέος (PFSA).

Κάθε στοιχείο ηλεκτρολύτη χωρίζεται σε ένα διαμέρισμα ανόδου και ένα διαμέρισμα καθόδου που χωρίζονται από μια επιλεκτική μεμβράνη κατιόντων-. Η άλμη τροφοδοτείται στον θάλαμο ανόδου, όπου τα ιόντα χλωρίου οξειδώνονται σε αέριο χλώριο:

2Cl- → Cl2 + 2e-

Στην πλευρά της καθόδου, το νερό ανάγεται σε αέριο υδρογόνο και ιόντα υδροξειδίου:

2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

Τα ιόντα νατρίου μεταναστεύουν μέσω της μεμβράνης και συνδυάζονται με ιόντα υδροξειδίου για να σχηματίσουν υδροξείδιο του νατρίου (NaOH).

Οι τυπικές παράμετροι λειτουργίας για βιομηχανικές κυψέλες μεμβράνης περιλαμβάνουν:

Θερμοκρασία κυττάρων: 85–95 βαθμοί

Πυκνότητα ρεύματος: 3,0–6,0 kA/m²

Τάση κυψέλης: 3,0–3,3 V

Συγκέντρωση NaOH: 30–35 wt% (παραγωγή κυτταρικού υγρού)

Το σύστημα ηλεκτρολύτη περιλαμβάνει πλαίσια κυψελών, ηλεκτρόδια (άνοδος τιτανίου με επίστρωση ρουθηνίου/ιριδίου), καθόδους νικελίου και συστήματα υδραυλικής στεγανοποίησης. Η ευθυγράμμιση των κυττάρων και η δύναμη συμπίεσης ελέγχονται για την αποφυγή διαρροής και τη διατήρηση της ακεραιότητας της μεμβράνης.

Το σύστημα ανορθωτή μετατρέπει την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος από το δίκτυο σε ισχύ συνεχούς ρεύματος που απαιτείται για την ηλεκτρόλυση. Οι εγκαταστάσεις χλωρίου{1}αλκαλίων λειτουργούν συνήθως σε πολύ υψηλά ρεύματα συνεχούς ρεύματος, συχνά στην περιοχή από 10 kA έως 200 kA ανάλογα με την ικανότητα της εγκατάστασης.

Ο ανορθωτής αποτελείται από:

Μονάδα μετασχηματιστή (βήμα-κάτω και απομόνωση)

Ανορθωτές Thyristor ή IGBT

Δίαυλος DC

Σύστημα ψύξης (αέρα ή νερό-ψύξης)

Η τάση εξόδου είναι συνήθως μεταξύ 100 V και 600 V DC ανάλογα με τη διαμόρφωση της στοίβας. Ο τρέχων κυματισμός ελέγχεται κάτω από 5% για τη διατήρηση σταθερών συνθηκών ηλεκτροχημικής αντίδρασης.

Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος ενσωματώνονται συχνά για τη διατήρηση της συμμόρφωσης με το δίκτυο, ειδικά σε εγκαταστάσεις μεγάλης- κλίμακας που υπερβαίνουν τους 50.000 τόνους/έτος δυναμικότητα NaOH.

Το σύστημα εξάτμισης αυξάνει τη συγκέντρωση NaOH από περίπου 30–35% (παραγωγή ηλεκτρολύτη) σε εμπορικούς βαθμούς όπως διάλυμα καυστικής σόδας 48% ή 50%.

Η εξάτμιση πολλαπλών{0}}επιδράσεων (MEE) χρησιμοποιείται συνήθως για τη μείωση της κατανάλωσης ατμού. Μια τυπική διαμόρφωση περιλαμβάνει 2 έως 4 εφέ εξάτμισης που λειτουργούν υπό φθίνουσα πίεση.

Η είσοδος ατμού είναι συνήθως σε κορεσμένο ατμό 3–6 bar ανάλογα με τον σχεδιασμό της εγκατάστασης. Τα επίπεδα κενού σε μεταγενέστερα στάδια διατηρούνται γύρω από -0,08 έως -0,09 MPa για βελτίωση της θερμικής απόδοσης.

Τα υλικά του εξατμιστή πρέπει να ανθίστανται σε ισχυρή αλκαλική διάβρωση σε υψηλές θερμοκρασίες, επομένως χρησιμοποιούνται συνήθως κράματα με βάση το νικέλιο- ή ειδικοί ανοξείδωτοι χάλυβες (όπως 316L ή διπλής όψης).

Το αέριο χλώριο που παράγεται στον ηλεκτρολύτη είναι υγρό, ζεστό και περιέχει ίχνη υδρογόνου και ομίχλη άλμης. Πριν από την κατάντη χρήση ή υγροποίηση, πρέπει να ψύχεται και να καθαρίζεται.

Το σύστημα χειρισμού χλωρίου περιλαμβάνει:

Πύργος ψύξης αερίου (μειώνει τη θερμοκρασία στους ~35–40 βαθμούς)

Εξολοθρευτές ομίχλης (αφαιρέστε τα παρασυρμένα σταγονίδια)

Σύστημα ξήρανσης χλωρίου (με χρήση ξηραντήρων θειικού οξέος ή προσρόφησης)

Συμπιεστές (για υγροποίηση ή μεταφορά αγωγών)

Η καθαρότητα του ξηρού χλωρίου συνήθως ελέγχεται πάνω από 99,5% για βιομηχανική χρήση. Η περιεκτικότητα σε υγρασία μειώνεται κάτω από 30 ppm για να αποφευχθεί η διάβρωση στον εξοπλισμό κατάντη.

Τα υλικά στην υπηρεσία χλωρίου επιλέγονται με βάση την αντοχή στη διάβρωση, όπως συνήθως οι σωληνώσεις από τιτάνιο,{0}}χάλυβας με επένδυση από PVC ή FRP.

Το υδρογόνο που παράγεται στην κάθοδο είναι συνήθως κορεσμένο με υδρατμούς και περιέχει ίχνη καυστικής ομίχλης. Το σύστημα ανάκτησης εκτελεί διαχωρισμό, ψύξη και συμπίεση.

Το σύστημα περιλαμβάνει:

Διαχωριστής υγραερίων-

Μονάδα ξεπαγώματος

Ψυκτικός εναλλάκτης θερμότητας

Συμπιεστής υδρογόνου (τύπου με διάφραγμα ή βίδα)

Προαιρετική μονάδα καθαρισμού (PSA ή καταλυτική στίλβωση)

Η καθαρότητα του υδρογόνου μετά τον διαχωρισμό τυπικά υπερβαίνει το 99%. Ο έλεγχος του σημείου δρόσου είναι κρίσιμος για την πρόληψη της συμπύκνωσης στους αγωγούς.

Σε πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις, το υδρογόνο είναι είτε:

χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε λέβητες ή συστήματα ατμού

ή εξάγονται σε διαδικασίες χημικής σύνθεσης όπως η παραγωγή αμμωνίας ή μεθανόλης

Το σύστημα ελέγχου ενσωματώνει όλα τα τμήματα διεργασίας σε μια ενιαία συντονισμένη πλατφόρμα λειτουργίας. Οι περισσότερες σύγχρονες εγκαταστάσεις χλωρίου-αλκαλίων χρησιμοποιούν συστήματα κατανεμημένου ελέγχου (DCS) σε συνδυασμό με προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC) για έλεγχο επιπέδου εξοπλισμού-.

Οι βρόχοι ελέγχου κλειδιού περιλαμβάνουν:

Έλεγχος συγκέντρωσης άλμης (βάσει αγωγιμότητας-)

Ρύθμιση ρεύματος ηλεκτρολύτη

Έλεγχος θερμοκρασίας κυττάρων (μέσω κυκλοφορίας άλμης)

Παρακολούθηση συγκέντρωσης NaOH (μέτρηση πυκνότητας)

Έλεγχος πίεσης χλωρίου

Ρύθμιση πίεσης και ροής υδρογόνου

Τα τυπικά όργανα περιλαμβάνουν:

αισθητήρες αγωγιμότητας (εύρος 0–300 mS/cm)

Αναλυτές pH (κλίμακα 0–14)

αισθητήρες διαφορικής πίεσης στις μεμβράνες

μετρητές ροής (ηλεκτρομαγνητικά ή τύπου Coriolis)

αναλυτές αερίων για καθαρότητα χλωρίου και υδρογόνου

Η απόκτηση δεδομένων καταγράφεται συνήθως σε διαστήματα 1-5 δευτερολέπτων ανάλογα με το σχεδιασμό του συστήματος. Εφαρμόζονται ασφάλειες συναγερμού για ανίχνευση διαρροής χλωρίου και συνθήκες υπερπίεσης υδρογόνου.

Ένα εργοστάσιο καυστικής σόδας έχει σχεδιαστεί ως σύστημα συνεχούς βρόχου όπου το ακατέργαστο αλάτι μετατρέπεται σε τρεις ροές προϊόντων: υδροξείδιο του νατρίου, χλώριο και υδρογόνο. Η λειτουργική σταθερότητα της μονάδας εξαρτάται από τη διατήρηση της καθαρότητας της άλμης τροφοδοσίας, τη σταθερή κατανομή του ρεύματος συνεχούς ρεύματος και την ελεγχόμενη θερμική ισορροπία τόσο στα τμήματα ηλεκτρόλυσης όσο και στην εξάτμιση.

Οποιαδήποτε απόκλιση στα επίπεδα ακαθαρσίας άλμης ή αστάθεια του ανορθωτή επηρεάζει άμεσα την τάση της μεμβράνης και μειώνει την απόδοση του συστήματος. Ως εκ τούτου, τα περισσότερα μηχανολογικά σχέδια δίνουν προτεραιότητα στον καθαρισμό ανάντη και στην αξιοπιστία χειρισμού του αερίου κατάντη όσο και στον ίδιο τον ηλεκτρολύτη.

Από την άποψη της μηχανικής διεργασιών, ένα εργοστάσιο καυστικής σόδας είναι ένα σφιχτά ενσωματωμένο ηλεκτροχημικό σύστημα που αποτελείται από χημική προετοιμασία, ηλεκτρόλυση, μετατροπή ισχύος, θερμική συγκέντρωση, χειρισμό αερίου και στρώματα αυτοματισμού.

Κάθε υποσύστημα έχει μετρήσιμες παραμέτρους λειτουργίας και η απόδοση της εγκατάστασης καθορίζεται από τη σταθερότητα αυτών των παραμέτρων και όχι από οποιαδήποτε μεμονωμένη μονάδα εξοπλισμού.

Η συνολική φιλοσοφία σχεδιασμού βασίζεται σε τρεις περιορισμούς:

ιοντική καθαρότητα της άλμης ζωοτροφών

ηλεκτρική απόδοση της ηλεκτρόλυσης μεμβράνης

ασφαλής διαχωρισμός και χειρισμός χλωρίου και υδρογόνου

Αυτοί οι περιορισμοί καθορίζουν τη διαμόρφωση όλου του σημαντικού εξοπλισμού σε μια σύγχρονη εγκατάσταση χλωριού-αλκαλίων.