Кои са основните производствени процеси и принципи на растение хлор-алкал?

1. Преглед на основния производствен процес на индустрията на хлор-алкалите

2. Принципи и оборудване на процеса на електролиза на йонната мембрана

3. История и ограничения на метода на диафрагмата и метода на живак

4. Лечение на странични продукти и рециклиране на ресурси

5. Оптимизация на процесите и енергийно спестяване на технологии напредък

6. Екологични предизвикателства и чиста производствена технология

1. Преглед на основните производствени процеси 

Хлор-алкалните растения произвеждат каустична сода (NaOH), хлор (Cl₂) и водород (H₂) чрез електролиза на разтвора на натриев хлорид (NaCl), крайъгълен камък на основната химическа промишленост. Над 90% от глобалния капацитет на хлор-алкал използваПроцес на йоно-обменна мембрана, с останалите използване на поетапно-аутдиафрагмаиживачна клеткаметоди.

2. Принципи и оборудване на процеса на йоно-обменна мембрана

Основен механизъм

Перфлуорираните йонно-обменни мембрани, включващи гръбнак от флуоровъглеродни вериги с функционални групи на сулфонова киселина, проявяват превъзходна устойчивост на корозия и химическо разграждане, поддържайки стабилна характеристика дори в силно кисела (анод) и алкална (катодна) среда. За по-нататъшно оптимизиране на ефективността на мембраната, процесът включва усъвършенствани системи за предварително третиране на солевия разтвор, като филтрация с двоен стадий и йонна хроматография, които намаляват примесите на следите като желязо и силициев диоксид до нивата на под-PPB, като по този начин предотвратяват замърсяването на мембраната и удължаването на експлоатационния живот с 20–30%. Освен това, интегрираният дизайн на системата за електролиза позволява прецизно регулиране на пропастта на анод-катод до по-малко от 2 mm, като се сведе до минимум омичната съпротивление и допълнително намалява консумацията на енергия с допълнителни 5–8% в сравнение с конвенционалните дизайни. И накрая, процесът дава възможност за непрекъснато производство на каустична сода с висока чистота с постоянно съдържание на натриев хлорид под 50 ppm, премахвайки необходимостта от стъпки за обезсоляване надолу по веригата и го прави идеален за взискателни приложения във фармацевтичните продукти, електрониката и индустрията за преработка на храни.

Ключово оборудване

Електролизатори: Класифициран в биполярни и монополярни видове. Биполярните електролизатори работят последователно с високо напрежение, но заемат по -малко пространство, докато монополярните се движат паралелно с висок ток, изискващи независими токоизправители. Съвременните дизайни на "нулева пропаст" намаляват разстоянието на електрода до<1 mm for further energy savings.

Системи за пречистване на саламура: Отстраняване на сулфат на базата на мембрана (напр. Система за рафиниране на солев разтвор Ruipu) и хелативна адсорбция на смола намаляват Ca²⁺ и Mg² ⁺ до<1 ppm, extending membrane lifespan.

Хлорни и водородни лечебни единици: Хлорът се охлажда (12–15 градуса) и се изсушава с 98% H₂SO₄ преди компресия за производство на PVC; Водородът се охлажда, компресира и се използва за синтез на солна киселина или като гориво.

3. Исторически контекст и ограничения на процесите на диафрагмата и живак

Принципът на процеса и историческото приложение на метода на диафрагмата
Диафрагмата електролизер използва пореста азбестова диафрагма като физическа бариера между анодната и катодна камера. Основният принцип е да се използва селективността на размера на порите на диафрагмата (около 10 ~ 20 микрона), за да се позволи да преминава електролитът (разтвор на NaCl), като същевременно предотвратява смесването на генерираните Cl₂ и H₂ газове. На анода Cl⁻ губи електрони за генериране на Cl₂ (2Cl⁻ - 2 E⁻ → Cl₂ ↑); В катода H₂O печели електрони за генериране на H₂ и OH⁻ (2H₂O + 2 E⁻ → H₂ ↑ + 2 OH⁻), и OH⁻ се комбинира с Na⁺, за да образува NaOH. Тъй като диафрагмата на азбеста не може напълно да блокира обратната миграция на Na⁺, разтворът на NaOH, произведен в катода, съдържа около 1% NaCl, с концентрация само 10 ~ 12% и трябва да бъде концентриран до повече от 30% чрез изпаряване, за да задоволи индустриалните нужди. Този процес е широко използван в средата до края на 20 век. Веднъж Китай разчита на тази технология, за да реши проблема с недостига на основни химически суровини, но с подобряването на екологичната осведоменост постепенно бяха изложени присъщите му дефекти.

Фатални дефекти и елиминиращ процес на метода на диафрагмата
Трите основни недостатъци на метода на диафрагмата в крайна сметка доведоха до неговата цялостна подмяна:
Висока консумация на енергия и ниска ефективност: Поради високото съпротивление на диафрагмата на азбеста, клетъчното напрежение е с 3,5 ~ 4,5 V, а консумацията на енергия на тон алкали е 3000 ~ 3500 kWh, което е 40 ~ 70% по -висока от метода на йонната мембрана. Той е подходящ само за райони с ниски цени на електроенергията;

Недостатъчна чистота на продукта: Разреденият алкален разтвор, съдържащ NaCl, се нуждае от допълнително изпаряване и обезсоляване, което увеличава цената на процеса и не може да отговори на търсенето на NAOH с висока чистота в полета от висок клас (като разтваряне на алуминий);
Криза на замърсяване на азбест: Асбестовите влакна лесно се пускат във въздуха и отпадъчните води по време на производствения процес. Дългосрочната експозиция води до заболявания като рак на белия дроб. Международната агенция за изследвания на рака (IARC) го изброи като канцероген от клас I още през 1987 г. През 2011 г. Китай преразгледа „Насоките за коригиране на индустриалната структура“, в които ясно се посочва, че всички каустични стоки за диафрагмен ще бъдат премахнати до 2015 г., като общо над 5 милиона тона\/годишен производствен капацитет.

Процес на електролиза на живак: Меркурий токсичност Скрити опасности зад високата чистота
Технически характеристики и историческа стойност на метода на Меркурий
Методът на Меркурий някога е бил "висок клас" за производство на каустична сода с висока чистота поради уникалните свойства на катода на Меркурий. Принципът му е да използва живак като мобилен катод. По време на процеса на електролиза, Na⁺ и живак образуват натриева амалгама (Na-Hg сплав), а след това натриевата амалгама реагира с вода, за да генерира 50% висококонцентрация NaOH (Na-Hg + H₂o → NaOH + H₂ ↑ + Hg), което може да се използва директно без изпаряване и концентрация. Значителното предимство на този процес е, че изходът NaOH е изключително чист (съдържание на NaCl<0.001%), which is particularly suitable for industries such as pharmaceuticals and chemical fibers that have strict requirements on alkali purity. In the middle of the 20th century, this process was widely adopted in Europe, America, Japan and other countries. The Japanese chlor-alkali industry once relied on the mercury method to occupy 40% of the global high-end caustic soda market.

Калта за замърсяване на живак и глобален процес на забрана
Фаталният недостатък на метода на живак е необратимото замърсяване на живак:
Меркурийско изпаряване на парите: Меркурий избяга под формата на пари по време на електролиза, а концентрацията на живак в работната среда често надвишава стандарта по десетки пъти, което води до чести инциденти с отравяне на живак сред работници (като инцидента с болестта на Минамата в Япония през 1956 г., което е причинено от замърсяване на живак);

Опасности за изхвърляне на отпадни води: Около 10-20 грама живак се губи за всеки получен тон NaOH, който се превръща в метил живак след влизане във водното тяло и се обогатява през хранителната верига, за да навреди на екосистемата;
Трудност при рециклирането: Въпреки че живакът може да бъде възстановен чрез дестилация, дългосрочната операция все още води до прекомерно съдържание на живак в почвата, а цената на възстановяването е висока. With the entry into force of the Minamata Convention (2013), more than 90% of countries in the world have pledged to phase out the mercury method by 2020. As the world's largest chlor-alkali producer, China completely banned the mercury process in 2017, completely cutting off the "mercury-caustic soda" pollution chain and promoting the industry's transformation to a single process of ion membrane. Днес само няколко страни като Индия и Пакистан все още запазват по -малко от 5% от производствения капацитет на живак и са изправени пред тежък международен натиск върху околната среда.

4. Управление на страничните продукти и рециклиране на ресурси

Използване на хлор с висока стойност на хлор

Основни химикали: Използва се при производството на PVC (30–40% от търсенето на хлор) и синтеза на пропилен оксид.

Приложения от висок клас: Хлор с електронен клас (по-голям или равен на 99,999% чистота) за полупроводникови команди за офорт 5–8 пъти по-високи от цената на хлора от индустриален клас.

Спешно лечение: Случайният Cl₂ се абсорбира в двуетапен скрубер NaOH (15–20% концентрация), като се гарантира емисиите<1 mg/m³.

Възстановяване и използване на водород

Синтез на солна киселина: Реагира с Cl₂, за да произвежда HCl за кисели и фармацевтични продукти.

Зелена енергия: Пречистени водородни горивни клетки или синтез на амоняк, като едно растение намалява въглеродния отпечатък с 60% чрез интеграция на водород.

Контрол на безопасността: Водородните тръбопроводи включват арестуващи пламъци и устройства за облекчаване на налягането, с мониторинг на чистота в реално време H₂\/CL₂ за предотвратяване на експлозии.

5. Оптимизация на процесите и енергийно спестяване на технологии

Кислородна катодна технология

Принцип: Замяна на еволюцията на водорода с намаляване на кислорода понижава напрежението на клетките чрез {{0}}. 8–1,0 V, намалявайки консумацията на енергия до енергията до<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Приложение: Пекин Университет по химически технологии 50, 000- тон\/година, постигна 30% икономия на енергия.

Електролизатори с висока точност

Напредък: Увеличаването на плътността на тока от 4 ka\/m² до 6 ka\/m² повишава капацитета с 30%, комерсиализирано от Asahi kasei (Япония) и Thyssenkrupp (Германия).

Дигитална трансформация

Интелигентни системи за управление: AI algorithms optimize current efficiency to >96% и прогнозират живота на мембраната с<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

AI-захранвана проверка: Химическите инсталации на базата на Hangzhou използват роботи, оборудвани с AI за инспектиране на хлорни съоръжения, постигайки 99,99% точност при откриване на блокажи на тефлонова тръба.

6. Екологични предизвикателства и чисти производствени технологии

Пречистване на отпадни води

Дехлориране: Вакуумна дехлориране (остатъчно Cl₂<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% повторна употреба.

Нулев течен разряд (ZLD): Многоефективно изпаряване (MVR) кристализира индустриалната сол, реализирана в Xinjiang и Shandong.

Обработка на отработените газове

Контрол на мъглата на сярна киселина: Electrostatic precipitators (>99% ефективност) и мокрото почистване отговарят на стандартите за емисии GB {1}}.

Предотвратяване на замърсяване на живак: Катализаторите с ниска местрия се популяризират, като Юнан Сол и Хаохуа Юханг получават държавно финансиране за R&D за катализатор без живак.

Управление на твърди отпадъци

Рециклиране на мембрана: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% ефективност.

Използване на солената утайка: Използва се в строителни материали или покривки за депа, със 100% цялостно използване на карбидна шлака.