Какво оборудване е включено в завода за сода каустик?

Завод за сода каустик, базиран на хлор-алкален процес, не е единична машина, а непрекъсната електрохимична производствена система. Всяка част от растението извършва специфична стъпка на трансформация или пречистване.

Системата за приготвяне на саламура превръща твърдата промишлена сол (NaCl) в наситена солена вода, подходяща за електролиза. В повечето мембранни хлор-алкални конструкции целевата концентрация на солен разтвор се контролира при приблизително 300–310 g/L NaCl.

Системата обикновено включва резервоар за разтваряне на сол, бъркалки, сита за груба филтрация и циркулационен контур на солен разтвор. Резервоарът за разтваряне е проектиран да поддържа контролирано време на престой, обикновено 2-4 часа, за да се осигури пълно разтваряне на кристалите на натриев хлорид.

Неразтворените примеси като пясък, глина и неразтворими соли се отстраняват чрез утаяване или хидроциклонно отделяне. След това изходният солен разтвор се прехвърля в секцията за пречистване.

Дизайнът на тази подсистема е пряко свързан с живота на мембранните клетки, тъй като суспендираните твърди частици над 1 mg/L могат да ускорят замърсяването на мембраната и да увеличат напрежението на клетката с течение на времето.

Системата за пречистване на саламура премахва двувалентни катиони като калций (Ca²⁺), магнезий (Mg²⁺) и следи от тежки метали, които пречат на работата на мембраната. В мембранните хлор-алкални системи концентрациите на калций и магнезий обикновено трябва да бъдат намалени до под 20 ppb (части на милиард).

Стандартният метод за пречистване е химическо утаяване с помощта на натриев карбонат (Na₂CO3) и натриев хидроксид (NaOH). Реакциите образуват неразтворим калциев карбонат и магнезиев хидроксид:

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

Тези утайки се отстраняват с помощта на пречистватели или ламелни утаителни резервоари, последвани от системи за фино филтриране, обикновено 5–10 микронни патронни филтри.

Полиращите филтри са инсталирани надолу по веригата, за да осигурят стабилно качество на подаването на електролизери. Системата за пречистване на саламура също така включва вериги за контрол на pH и ORP мониторинг за поддържане на ефективността на реакцията.

Електролизаторът е сърцевината на хлор-алкалния процес. Съвременните растения използват клетки с йонообменна мембрана, обикновено базирани на мембрани на перфлуоросулфонова киселина (PFSA).

Всяка клетка на електролизера е разделена на анодно отделение и катодно отделение, разделени от катион-селективна мембрана. Саламура се подава в анодната камера, където хлоридните йони се окисляват до хлорен газ:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

От страната на катода водата се редуцира до водороден газ и хидроксидни йони:

2H₂O + 2e⁻ → H2 + 2OH⁻

Натриевите йони мигрират през мембраната и се комбинират с хидроксидни йони, за да образуват натриев хидроксид (NaOH).

Типичните работни параметри за индустриални мембранни клетки включват:

Температура на клетката: 85–95 градуса

Плътност на тока: 3,0–6,0 kA/m²

Напрежение на клетката: 3,0–3,3 V

Концентрация на NaOH: 30–35 тегл.% (изход на клетъчна течност)

Електролизерната система включва клетъчни рамки, електроди (титаниев анод с рутениево/иридиево покритие), никелови катоди и хидравлични уплътнителни системи. Подреждането на клетките и силата на компресия се контролират, за да се предотврати изтичане и да се поддържа целостта на мембраната.

Токоизправителната система преобразува променлив ток от мрежата в постоянен ток, необходим за електролиза. Хлор{1}}алкалните инсталации обикновено работят при много високи постоянни токове, често в диапазона от 10 kA до 200 kA в зависимост от капацитета на инсталацията.

Токоизправителят се състои от:

Трансформатор (стъпка-надолу и изолация)

Тиристорни или IGBT токоизправителни модули

DC шини

Охладителна система (въздушно или водно{0}}охлаждане)

Изходното напрежение обикновено е между 100 V и 600 V DC в зависимост от конфигурацията на стека. Пулсацията на тока се контролира под 5%, за да се поддържат стабилни условия на електрохимична реакция.

Системите за коригиране на фактора на мощността често се интегрират, за да поддържат съответствие с мрежата, особено в-мащабни инсталации с капацитет над 50 000 тона/година NaOH.

Системата за изпаряване повишава концентрацията на NaOH от приблизително 30–35% (производителност на електролизера) до търговски класове като 48% или 50% разтвор на сода каустик.

Много{0}}ефектното изпаряване (MEE) обикновено се използва за намаляване на консумацията на пара. Типичната конфигурация включва 2 до 4 ефекта на изпаряване, работещи при намаляващо налягане.

Входящата пара обикновено е 3–6 бара наситена пара в зависимост от конструкцията на инсталацията. Нивата на вакуум в по-късните етапи се поддържат около -0,08 до -0,09 MPa, за да се подобри топлинната ефективност.

Материалите на изпарителя трябва да издържат на силна алкална корозия при повишени температури, така че обикновено се използват сплави на -основа на никел или специални неръждаеми стомани (като 316L или дуплексни класове).

Хлорният газ, произведен в електролизера, е мокър, горещ и съдържа следи от водород и солена мъгла. Преди употреба надолу по веригата или втечняване, тя трябва да бъде охладена и пречистена.

Системата за работа с хлор включва:

Газова охладителна кула (намалява температурата до ~35–40 градуса)

Елиминатори на мъгла (премахват увлечените капчици)

Система за сушене на хлор (с помощта на сярна киселина или адсорбционни сушилни)

Компресори (за втечняване или прехвърляне по тръбопровод)

Чистотата на сухия хлор обикновено се контролира над 99,5% за промишлена употреба. Съдържанието на влага е намалено под 30 ppm, за да се предотврати корозия в оборудването надолу по веригата.

Материалите в услугата с хлор се избират въз основа на устойчивост на корозия, обикновено включваща титан, PVC-облицована стомана или FRP тръби.

Водородът, генериран на катода, обикновено е наситен с водна пара и съдържа следи от мъгла каустик. Системата за възстановяване извършва разделяне, охлаждане и компресия.

Системата включва:

Сепаратор-за газ и течност

Устройство за отстраняване на запотяване

Охлаждащ топлообменник

Водороден компресор (мембранен или винтов тип)

Допълнителна единица за пречистване (PSA или каталитично полиране)

Чистотата на водород след отделяне обикновено надвишава 99%. Контролът на точката на оросяване е от решаващо значение за предотвратяване на кондензация в тръбопроводите.

В много промишлени инсталации водородът е или:

използвани като гориво в котли или парни системи

или изнесени за процеси на химичен синтез като производство на амоняк или метанол

Системата за управление интегрира всички секции на процеса в единна координирана операционна платформа. Повечето съвременни хлор-алкални инсталации използват разпределени системи за управление (DCS), комбинирани с програмируеми логически контролери (PLC) за-контрол на нивото на оборудването.

Ключовите контролни вериги включват:

Контрол на концентрацията на солевия разтвор (базиран-на проводимостта)

Регулиране на тока на електролизера

Контрол на температурата на клетката (чрез циркулация на саламура)

Мониторинг на концентрацията на NaOH (измерване на плътността)

Контрол на налягането на хлора

Регулиране на налягането и потока на водорода

Типичното оборудване включва:

сензори за проводимост (обхват 0–300 mS/cm)

pH анализатори (скала 0–14)

сензори за диференциално налягане през мембрани

разходомери (електромагнитни или тип Кориолис)

газови анализатори за чистота на хлор и водород

Събирането на данни обикновено се записва на интервали от 1–5 секунди в зависимост от дизайна на системата. Реализирани са алармени блокировки за откриване на изтичане на хлор и условия на свръхналягане на водород.

Заводът за сода каустик е проектиран като система с непрекъснат цикъл, където суровата сол се преобразува в три продуктови потока: натриев хидроксид, хлор и водород. Оперативната стабилност на инсталацията зависи от поддържането на чистотата на захранващия солен разтвор, стабилното разпределение на постоянен ток и контролирания термичен баланс както в електролизните, така и в изпарителните секции.

Всяко отклонение в нивата на примеси в солевия разтвор или нестабилността на токоизправителя директно влияе върху напрежението на мембраната и намалява ефективността на системата. Поради това повечето инженерни проекти дават приоритет на пречистването нагоре и надолу по веригата на надеждността при работа с газ, както и на самия електролизатор.

От гледна точка на инженерния процес заводът за сода каустик е тясно интегрирана електрохимична система, съставена от химическа подготовка, електролиза, преобразуване на енергия, термична концентрация, обработка на газ и автоматизирани слоеве.

Всяка подсистема има измерими работни параметри и производителността на инсталацията се определя от стабилността на тези параметри, а не от отделно оборудване.

Цялостната философия на дизайна се основава на три ограничения:

йонна чистота на фуражната саламура

електрическа ефективност на мембранната електролиза

безопасно разделяне и боравене с хлор и водород

Тези ограничения определят конфигурацията на цялото основно оборудване в модерна хлор-алкална инсталация.