Aké vybavenie je súčasťou závodu na výrobu hydroxidu sodného?

Závod na výrobu hydroxidu sodného založený na chlór-alkalickom procese nie je jediný stroj, ale kontinuálny elektrochemický výrobný systém. Každá časť závodu vykonáva špecifický krok transformácie alebo čistenia.

Systém prípravy soľanky premieňa pevnú priemyselnú soľ (NaCl) na nasýtenú soľanku vhodnú na elektrolýzu. Vo väčšine membránových chlór-alkalických dizajnov sa cieľová koncentrácia soľanky reguluje na približne 300 – 310 g/l NaCl.

Systém typicky obsahuje nádrž na rozpúšťanie soli, miešadlá, hrubé filtračné sitá a slučku cirkulácie soľanky. Rozpúšťacia nádrž je navrhnutá tak, aby udržiavala kontrolovaný čas zotrvania, zvyčajne 2–4 hodiny, aby sa zabezpečilo úplné rozpustenie kryštálov chloridu sodného.

Nerozpustené nečistoty ako piesok, íl a nerozpustné soli sa odstraňujú usadzovaním alebo hydrocyklónovou separáciou. Výstupná soľanka sa potom prenesie do čistiacej časti.

Konštrukcia tohto subsystému priamo súvisí so životnosťou membránových buniek, pretože suspendované pevné látky nad 1 mg/l môžu urýchliť zanášanie membrány a časom zvýšiť napätie bunky.

Systém čistenia soľanky odstraňuje dvojmocné katióny, ako je vápnik (Ca²⁺), horčík (Mg²⁺) a stopové ťažké kovy, ktoré narúšajú výkon membrány. V membránových chlór-alkalických systémoch musia byť koncentrácie vápnika a horčíka zvyčajne znížené pod 20 ppb (častíc na miliardu).

Štandardnou metódou čistenia je chemické zrážanie pomocou uhličitanu sodného (Na2C03) a hydroxidu sodného (NaOH). Reakciami vznikajú nerozpustný uhličitan vápenatý a hydroxid horečnatý:

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

Tieto zrazeniny sa odstraňujú pomocou číričov alebo lamelových sedimentačných nádrží, po ktorých nasledujú jemné filtračné systémy, typicky 5–10 mikrónové patrónové filtre.

Leštiace filtre sú inštalované po prúde, aby sa zabezpečila stabilná kvalita prívodu do elektrolyzérov. Systém čistenia soľanky zahŕňa aj slučky na reguláciu pH a monitorovanie ORP na udržanie účinnosti reakcie.

Elektrolyzér je jadrom chlór-alkalického procesu. Moderné závody používajú iónomeničové membránové bunky, zvyčajne založené na membránach z kyseliny perfluórsulfónovej (PFSA).

Každý článok elektrolyzéra je rozdelený na anódový priestor a katódový priestor oddelené katiónovo -selektívnou membránou. Soľanka sa privádza do anódovej komory, kde sa chloridové ióny oxidujú na plynný chlór:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Na katódovej strane sa voda redukuje na plynný vodík a hydroxidové ióny:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Sodné ióny migrujú cez membránu a spájajú sa s hydroxidovými iónmi za vzniku hydroxidu sodného (NaOH).

Typické prevádzkové parametre pre priemyselné membránové články zahŕňajú:

Teplota bunky: 85-95 stupňov

Prúdová hustota: 3,0–6,0 kA/m²

Napätie článku: 3,0–3,3 V

Koncentrácia NaOH: 30–35 % hmotn. (výstup bunkového lúhu)

Systém elektrolyzéra zahŕňa rámy článkov, elektródy (titánová anóda s povlakom ruténia/irídia), niklové katódy a hydraulické tesniace systémy. Zarovnanie buniek a kompresná sila sú riadené, aby sa zabránilo úniku a zachovala sa integrita membrány.

Usmerňovací systém premieňa striedavý prúd zo siete na jednosmerný prúd potrebný na elektrolýzu. Chlór-alkalické závody zvyčajne pracujú pri veľmi vysokých jednosmerných prúdoch, často v rozsahu 10 kA až 200 kA v závislosti od kapacity závodu.

Usmerňovač sa skladá z:

Transformátorová jednotka (postup-nadol a izolácia)

Tyristorové alebo usmerňovacie moduly IGBT

DC prípojnice

Chladiaci systém (chladený vzduchom alebo vodou-)

Výstupné napätie je typicky medzi 100 V a 600 V DC v závislosti od konfigurácie zásobníka. Zvlnenie prúdu je riadené pod 5 %, aby sa zachovali stabilné podmienky elektrochemickej reakcie.

Systémy korekcie účinníka sú často integrované na zabezpečenie súladu so sieťou, najmä vo veľkých-zariadeniach s kapacitou presahujúcou 50 000 ton NaOH za rok.

Odparovací systém zvyšuje koncentráciu NaOH z približne 30–35 % (výstup elektrolyzéra) na komerčné kvality, ako je 48 % alebo 50 % roztok hydroxidu sodného.

Na zníženie spotreby pary sa bežne používa viac{0}}efektné odparovanie (MEE). Typická konfigurácia zahŕňa 2 až 4 efekty odparovania fungujúce pri klesajúcom tlaku.

Vstup pary je zvyčajne 3–6 bar nasýtenej pary v závislosti od konštrukcie zariadenia. Úrovne vákua v neskorších fázach sa udržiavajú okolo -0,08 až -0,09 MPa, aby sa zlepšila tepelná účinnosť.

Materiály výparníka musia odolávať silnej alkalickej korózii pri zvýšených teplotách, preto sa bežne používajú zliatiny na báze niklu{0}} alebo špeciálne nehrdzavejúce ocele (ako sú triedy 316L alebo duplex).

Plynný chlór produkovaný v elektrolyzéri je vlhký, horúci a obsahuje stopy vodíka a soľnej hmly. Pred následným použitím alebo skvapalnením sa musí ochladiť a vyčistiť.

Systém manipulácie s chlórom zahŕňa:

Plynová chladiaca veža (znižuje teplotu na ~35–40 stupňov)

Odstraňovače hmly (odstraňujú unášané kvapôčky)

Systém sušenia chlóru (pomocou kyseliny sírovej alebo adsorpčných sušičiek)

Kompresory (na skvapalňovanie alebo prenos potrubím)

Čistota suchého chlóru je typicky kontrolovaná nad 99,5 % pre priemyselné použitie. Obsah vlhkosti je znížený pod 30 ppm, aby sa zabránilo korózii v nadväzujúcich zariadeniach.

Materiály v prevádzke s chlórom sa vyberajú na základe odolnosti voči korózii, obyčajne vrátane titánu, ocele potiahnutej PVC- alebo potrubia FRP.

Vodík generovaný na katóde je zvyčajne nasýtený vodnou parou a obsahuje stopy žieravej hmly. Regeneračný systém vykonáva separáciu, chladenie a kompresiu.

Systém zahŕňa:

Odlučovač kvapalín-plyn

Jednotka odhmlievania

Chladiaci výmenník tepla

Vodíkový kompresor (membránový alebo skrutkový typ)

Voliteľná čistiaca jednotka (PSA alebo katalytické leštenie)

Čistota vodíka po separácii typicky presahuje 99 %. Kontrola rosného bodu je rozhodujúca, aby sa zabránilo kondenzácii v potrubiach.

V mnohých priemyselných zariadeniach je vodík buď:

používa sa ako palivo v kotloch alebo parných systémoch

alebo vyvážané do procesov chemickej syntézy, ako je výroba amoniaku alebo metanolu

Riadiaci systém integruje všetky procesné úseky do jednej koordinovanej operačnej platformy. Väčšina moderných zariadení na výrobu chlór-zásady používa distribuované riadiace systémy (DCS) kombinované s programovateľnými logickými ovládačmi (PLC) na-riadenie úrovne zariadení.

Kľúčové riadiace slučky zahŕňajú:

Riadenie koncentrácie soľanky (na základe-vodivosti)

Regulácia prúdu elektrolyzéra

Regulácia teploty článku (cez cirkuláciu soľanky)

Monitorovanie koncentrácie NaOH (meranie hustoty)

Kontrola tlaku chlóru

Regulácia tlaku a prietoku vodíka

Typické prístrojové vybavenie zahŕňa:

senzory vodivosti (rozsah 0–300 mS/cm)

pH analyzátory (stupnica 0-14)

snímače diferenčného tlaku cez membrány

prietokomery (elektromagnetické alebo Coriolisovho typu)

analyzátory plynov na čistotu chlóru a vodíka

Zber údajov sa zvyčajne zaznamenáva v 1–5 sekundových intervaloch v závislosti od konštrukcie systému. Pre detekciu úniku chlóru a pretlaku vodíka sú implementované alarmové blokovania.

Závod na výrobu hydroxidu sodného je navrhnutý ako systém s kontinuálnou slučkou, kde sa surová soľ premieňa na tri produktové prúdy: hydroxid sodný, chlór a vodík. Prevádzková stabilita zariadenia závisí od udržiavania čistoty napájacej soľanky, stabilnej distribúcie jednosmerného prúdu a riadenej tepelnej rovnováhy v elektrolýznej aj odparovacej časti.

Akákoľvek odchýlka v úrovni nečistôt soľanky alebo nestabilita usmerňovača priamo ovplyvňuje napätie membrány a znižuje účinnosť systému. Preto väčšina inžinierskych návrhov uprednostňuje predčistenie a spoľahlivosť manipulácie s plynom rovnako ako samotný elektrolyzér.

Z hľadiska procesného inžinierstva je závod na výrobu hydroxidu sodného úzko integrovaný elektrochemický systém pozostávajúci z chemickej prípravy, elektrolýzy, konverzie energie, tepelnej koncentrácie, manipulácie s plynom a automatizačných vrstiev.

Každý subsystém má merateľné prevádzkové parametre a výkon závodu je určený skôr stabilitou týchto parametrov ako jednotlivou jednotkou zariadenia.

Celková filozofia dizajnu je založená na troch obmedzeniach:

iónová čistota kŕmnej soľanky

elektrická účinnosť membránovej elektrolýzy

bezpečná separácia a manipulácia s chlórom a vodíkom

Tieto obmedzenia definujú konfiguráciu všetkých hlavných zariadení v modernej chlór-alkalickej inštalácii.