Kakšna oprema je vključena v tovarno kavstične sode?

Tovarna kavstične sode, ki temelji na klor-alkalnem postopku, ni en stroj, temveč neprekinjen elektrokemični proizvodni sistem. Vsak del rastline izvede določeno stopnjo transformacije ali čiščenja.

Sistem za pripravo slanice pretvori trdno industrijsko sol (NaCl) v nasičeno slanico, ki je primerna za elektrolizo. V večini membranskih klo-alkalijskih zasnov je ciljna koncentracija slanice nadzorovana pri približno 300–310 g/L NaCl.

Sistem običajno vključuje rezervoar za raztapljanje soli, mešala, sita za grobo filtracijo in zanko za kroženje slanice. Posoda za raztapljanje je zasnovana tako, da vzdržuje nadzorovan čas zadrževanja, običajno 2–4 ure, da se zagotovi popolno raztapljanje kristalov natrijevega klorida.

Neraztopljene nečistoče, kot so pesek, glina in netopne soli, se odstranijo z usedanjem ali hidrociklonsko separacijo. Izhodna slanica se nato prenese v oddelek za čiščenje.

Zasnova tega podsistema je neposredno povezana z življenjsko dobo membranske celice, saj lahko suspendirane trdne snovi nad 1 mg/L pospešijo obraščanje membrane in sčasoma povečajo napetost celice.

Sistem za čiščenje slanice odstrani dvovalentne katione, kot so kalcij (Ca²⁺), magnezij (Mg²⁺) in sledi težkih kovin, ki motijo delovanje membrane. V membranskih klor-alkalnih sistemih je treba koncentracije kalcija in magnezija običajno znižati pod 20 ppb (delcev na milijardo).

Standardna metoda čiščenja je kemično obarjanje z uporabo natrijevega karbonata (Na₂CO3) in natrijevega hidroksida (NaOH). Pri reakcijah nastaneta netopni kalcijev karbonat in magnezijev hidroksid:

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

Te oborine se odstranijo z čistilci ali lamelnimi sedimentacijskimi rezervoarji, ki jim sledijo fini filtracijski sistemi, običajno 5–10 mikronski kartušni filtri.

Polirni filtri so nameščeni spodaj, da se zagotovi stabilna kakovost dovajanja v elektrolizerje. Sistem za čiščenje slanice vključuje tudi zanke za nadzor pH in spremljanje ORP za vzdrževanje učinkovitosti reakcije.

Elektrolizer je jedro klor-alkalnega postopka. Sodobne rastline uporabljajo celice z ionsko-izmenjevalno membrano, ki običajno temeljijo na membranah perfluorosulfonske kisline (PFSA).

Vsaka celica elektrolizatorja je razdeljena na anodni in katodni predel, ki ju ločuje kation{0}}selektivna membrana. Slanica se dovaja v anodno komoro, kjer se kloridni ioni oksidirajo v klorov plin:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Na katodni strani se voda reducira v vodikov plin in hidroksidne ione:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Natrijevi ioni migrirajo skozi membrano in se združijo s hidroksidnimi ioni v natrijev hidroksid (NaOH).

Tipični delovni parametri za industrijske membranske celice vključujejo:

Temperatura celice: 85–95 stopinj

Gostota toka: 3,0–6,0 kA/m²

Napetost celice: 3,0–3,3 V

Koncentracija NaOH: 30–35 mas. % (izhod celične tekočine)

Sistem elektrolizatorja vključuje okvirje celic, elektrode (titanovo anodo s prevleko iz rutenija/iridija), katode iz niklja in hidravlične tesnilne sisteme. Poravnava celic in sila stiskanja sta nadzorovani, da se prepreči puščanje in ohrani celovitost membrane.

Usmerniški sistem pretvori izmenični tok iz omrežja v enosmerni tok, potreben za elektrolizo. Klor-alkalne naprave običajno delujejo pri zelo visokih enosmernih tokovih, pogosto v razponu od 10 kA do 200 kA, odvisno od zmogljivosti naprave.

Usmernik je sestavljen iz:

Transformatorska enota (stop-navzdol in izolacija)

Tiristorski ali IGBT usmerniški moduli

DC zbiralke

Hladilni sistem (zračno ali vodno-hlajen)

Izhodna napetost je običajno med 100 V in 600 V DC, odvisno od konfiguracije sklada. Valovanje toka je nadzorovano pod 5 %, da se ohranijo stabilni pogoji elektrokemične reakcije.

Sistemi za korekcijo faktorja moči so pogosto integrirani za ohranjanje skladnosti z omrežjem, zlasti v velikih-elektrarnah, ki presegajo zmogljivost 50.000 ton/leto NaOH.

Sistem izhlapevanja poveča koncentracijo NaOH s približno 30–35 % (izhod elektrolizatorja) na komercialne razrede, kot je 48 % ali 50 % raztopina kavstične sode.

Več{0}}učinkovno izhlapevanje (MEE) se običajno uporablja za zmanjšanje porabe pare. Tipična konfiguracija vključuje 2 do 4 učinke izhlapevanja, ki delujejo pod padajočim tlakom.

Dovod pare je običajno pri 3–6 barih nasičene pare, odvisno od zasnove naprave. Ravni vakuuma v poznejših fazah se vzdržujejo okoli -0,08 do -0,09 MPa za izboljšanje toplotne učinkovitosti.

Materiali uparjalnika morajo biti odporni proti močni alkalni koroziji pri povišanih temperaturah, zato se običajno uporabljajo zlitine na osnovi niklja ali posebna nerjavna jekla (kot je 316L ali dupleks).

Klor, proizveden v elektrolizerju, je moker, vroč in vsebuje sledi vodika in meglice slanice. Pred nadaljnjo uporabo ali utekočinjanjem ga je treba ohladiti in prečistiti.

Sistem za obdelavo klora vključuje:

Plinski hladilni stolp (zmanjša temperaturo na ~35–40 stopinj)

Odstranjevalci meglice (odstranjujejo vnesene kapljice)

Sušilni sistem s klorom (z uporabo žveplove kisline ali adsorpcijskih sušilnikov)

Kompresorji (za utekočinjenje ali prenos po cevovodih)

Čistost suhega klora je običajno nadzorovana nad 99,5 % za industrijsko uporabo. Vsebnost vlage je zmanjšana pod 30 ppm, da se prepreči korozija v nadaljnji opremi.

Materiali za uporabo s klorom so izbrani glede na odpornost proti koroziji, običajno vključujejo titan, PVC-jeklene cevi ali FRP cevi.

Vodik, ki nastane na katodi, je običajno nasičen z vodno paro in vsebuje sledi jedke meglice. Rekuperacijski sistem izvaja ločevanje, hlajenje in stiskanje.

Sistem vključuje:

Separator-tekočine

Enota za odstranjevanje meglice

Hladilni izmenjevalnik toplote

Vodikov kompresor (membranski ali vijačni)

Izbirna čistilna enota (PSA ali katalitično poliranje)

Čistost vodika po ločevanju običajno presega 99 %. Nadzor rosišča je ključnega pomena za preprečevanje kondenzacije v cevovodih.

V mnogih industrijskih obratih je vodik bodisi:

uporabljajo kot gorivo v kotlih ali parnih sistemih

ali izvozi v procese kemične sinteze, kot sta proizvodnja amoniaka ali metanola

Krmilni sistem združuje vse procesne dele v enotno usklajeno operacijsko platformo. Večina sodobnih klo-alkalijskih obratov uporablja porazdeljene krmilne sisteme (DCS) v kombinaciji s programabilnimi logičnimi krmilniki (PLC) za-nadzor ravni opreme.

Ključne krmilne zanke vključujejo:

Nadzor koncentracije slanice (na-prevodnosti)

Regulacija toka elektrolizatorja

Nadzor temperature celice (prek kroženja slanice)

Spremljanje koncentracije NaOH (merjenje gostote)

Nadzor tlaka klora

Regulacija tlaka in pretoka vodika

Tipični instrumenti vključujejo:

senzorji prevodnosti (razpon 0–300 mS/cm)

pH analizatorji (0–14 lestvica)

senzorji diferenčnega tlaka preko membran

merilniki pretoka (elektromagnetni ali Coriolisov tip)

plinski analizatorji za čistost klora in vodika

Zajem podatkov se običajno snema v intervalih od 1 do 5 sekund, odvisno od zasnove sistema. Izvedene so alarmne blokade za odkrivanje uhajanja klora in stanja nadtlaka vodika.

Tovarna kavstične sode je zasnovana kot sistem z neprekinjeno zanko, kjer se surova sol pretvori v tri proizvodne tokove: natrijev hidroksid, klor in vodik. Obratovalna stabilnost naprave je odvisna od vzdrževanja čistosti dovodne slanice, stabilne porazdelitve enosmernega toka in nadzorovanega toplotnega ravnovesja v elektroliznih in uparjevalnih delih.

Vsako odstopanje v nivojih nečistoč slanice ali nestabilnost usmernika neposredno vpliva na napetost membrane in zmanjša učinkovitost sistema. Zato večina inženirskih načrtov daje prednost čiščenju navzgor in zanesljivosti ravnanja s plinom na koncu toka tako kot samemu elektrolizerju.

Z vidika procesnega inženiringa je tovarna kavstične sode tesno integriran elektrokemični sistem, sestavljen iz plasti kemične priprave, elektrolize, pretvorbe energije, toplotne koncentracije, ravnanja s plinom in avtomatizacije.

Vsak podsistem ima merljive delovne parametre, zmogljivost naprave pa določa stabilnost teh parametrov in ne katera koli posamezna enota opreme.

Celotna filozofija oblikovanja temelji na treh omejitvah:

ionska čistost krmne slanice

električna učinkovitost membranske elektrolize

varno ločevanje in ravnanje s klorom in vodikom

Te omejitve določajo konfiguracijo vse glavne opreme v sodobni klo-alkalni napravi.