Mitä laitteita kaustinen soodatehdas sisältää?

Kloori{0}}alkaliprosessiin perustuva kaustisen soodan laitos ei ole yksittäinen kone vaan jatkuva sähkökemiallinen tuotantojärjestelmä. Jokainen laitoksen osa suorittaa tietyn muunnos- tai puhdistusvaiheen.

Suolaliuoksen valmistusjärjestelmä muuntaa kiinteän teollisuussuolan (NaCl) kyllästetyksi suolaliuokseksi, joka soveltuu elektrolyysisyöttöön. Useimmissa kalvon kloori-alkalirakenteissa suolaliuoksen tavoitekonsentraatio on noin 300–310 g/l NaCl.

Järjestelmä sisältää tyypillisesti suolan liuotussäiliön, sekoittimet, karkeat suodatusseulat ja suolaveden kiertosilmukan. Liuotussäiliö on suunniteltu ylläpitämään kontrolloitu viipymäaika, yleensä 2–4 tuntia, jotta varmistetaan natriumkloridikiteiden täydellinen liukeneminen.

Liukenemattomat epäpuhtaudet, kuten hiekka, savi ja liukenemattomat suolat, poistetaan laskeuttamalla tai hydrosyklonierottelulla. Tuloksena oleva suolaliuos siirretään sitten puhdistusosastoon.

Tämän alajärjestelmän suunnittelu liittyy suoraan kalvon solujen elämään, koska suspendoituneet kiintoaineet yli 1 mg/l voivat nopeuttaa kalvon likaantumista ja lisätä solun jännitettä ajan myötä.

Suolaliuoksen puhdistusjärjestelmä poistaa kaksiarvoisia kationeja, kuten kalsiumia (Ca²⁺), magnesiumia (Mg²⁺) ja pieniä raskasmetalleja, jotka häiritsevät kalvon toimintaa. Kalsiumin kloori-alkalisysteemeissä kalsiumin ja magnesiumin pitoisuudet on yleensä vähennettävä alle 20 ppb:n (miljardisosaa).

Tavallinen puhdistusmenetelmä on kemiallinen saostus käyttäen natriumkarbonaattia (Na2CO3) ja natriumhydroksidia (NaOH). Reaktiot muodostavat liukenematonta kalsiumkarbonaattia ja magnesiumhydroksidia:

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

Nämä sakat poistetaan selkeyttimillä tai lamellisedimentointisäiliöillä ja sen jälkeen hienosuodatusjärjestelmillä, tyypillisesti 5–10 mikronin patruunasuodattimilla.

Kiillotussuodattimet asennetaan alavirtaan varmistamaan vakaa syöttölaatu elektrolysaattoreille. Suolaliuoksen puhdistusjärjestelmä sisältää myös pH-säätösilmukat ja ORP-valvonnan reaktiotehokkuuden ylläpitämiseksi.

Elektrolysaattori on kloori-alkaliprosessin ydin. Nykyaikaiset kasvit käyttävät ionin-vaihtokalvosoluja, jotka perustuvat tyypillisesti perfluorisulfonihappokalvoihin (PFSA).

Jokainen elektrolysaattorikenno on jaettu anodiosastoon ja katodiosastoon, jotka on erotettu kationi-selektiivisellä kalvolla. Suolaliuosta syötetään anodikammioon, jossa kloridi-ionit hapetetaan kloorikaasuksi:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Katodin puolella vesi pelkistyy vetykaasuksi ja hydroksidi-ioneiksi:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Natriumionit kulkeutuvat kalvon läpi ja yhdistyvät hydroksidi-ionien kanssa muodostaen natriumhydroksidia (NaOH).

Teollisuuden kalvokennojen tyypillisiä toimintaparametreja ovat:

Kennon lämpötila: 85–95 astetta

Virrantiheys: 3,0–6,0 kA/m²

Kennojännite: 3,0–3,3 V

NaOH-pitoisuus: 30-35 painoprosenttia (solulipeän tuotanto)

Elektrolysointijärjestelmä sisältää kennojen kehyksiä, elektrodeja (titaanianodi rutenium/iridium-pinnoitteella), nikkelikatodit ja hydrauliset tiivistysjärjestelmät. Kennojen kohdistusta ja puristusvoimaa ohjataan vuotojen estämiseksi ja kalvon eheyden säilyttämiseksi.

Tasasuuntaajajärjestelmä muuntaa verkosta tulevan vaihtovirran elektrolyysissä tarvittavaksi tasavirraksi. Kloori-alkalilaitokset toimivat tyypillisesti erittäin korkeilla tasavirroilla, usein välillä 10 kA - 200 kA laitoksen kapasiteetista riippuen.

Tasasuuntaaja koostuu:

Muuntajayksikkö (askel{0}}alas ja eristys)

Tyristori- tai IGBT-tasasuuntausmoduulit

DC kiskot

Jäähdytysjärjestelmä (ilma- tai{0}}vesijäähdytteinen)

Lähtöjännite on tyypillisesti välillä 100 V ja 600 V DC riippuen pinokokoonpanosta. Virran aaltoilu säädetään alle 5 %:n stabiilien sähkökemiallisten reaktio-olosuhteiden ylläpitämiseksi.

Tehokertoimen korjausjärjestelmiä integroidaan usein verkkoyhteensopivuuden ylläpitämiseksi, erityisesti suurissa{0}}mittakaavaisissa laitoksissa, joiden NaOH-kapasiteetti ylittää 50 000 tonnia vuodessa.

Haihdutusjärjestelmä nostaa NaOH-pitoisuuden noin 30–35 %:sta (elektrolysaattorin teho) kaupallisiin laatuihin, kuten 48 % tai 50 % natriumhydroksidiliuokseen.

Multi-effect evaporation (MEE) on yleisesti käytetty höyrynkulutuksen vähentämiseen. Tyypillinen kokoonpano sisältää 2 - 4 haihdutusvaikutusta, jotka toimivat laskevassa paineessa.

Höyrynsyöttö on yleensä 3–6 barin kyllästettyä höyryä laitoksen suunnittelusta riippuen. Myöhemmissä vaiheissa tyhjiötasot pidetään -0,08 - -0,09 MPa lämpötehokkuuden parantamiseksi.

Höyrystinmateriaalien on kestettävä voimakasta alkalista korroosiota korkeissa lämpötiloissa, joten nikkeli{0}}pohjaisia seoksia tai erikoisruostumattomia teräksiä (kuten 316L tai duplex-teräksiä) käytetään yleisesti.

Elektrolysaattorissa tuotettu kloorikaasu on märkää, kuumaa ja sisältää jäämiä vedystä ja suolavesisumusta. Ennen jatkokäyttöä tai nesteyttämistä se on jäähdytettävä ja puhdistettava.

Kloorinkäsittelyjärjestelmä sisältää:

Kaasujäähdytystorni (laskee lämpötilan ~35-40 asteeseen)

Sumunpoistoaineet (poistavat mukana kulkeneet pisarat)

Kloorikuivausjärjestelmä (käyttäen rikkihappoa tai adsorptiokuivareita)

Kompressorit (nesteyttämiseen tai putkistojen siirtoon)

Kuivan kloorin puhtaus on tyypillisesti säädetty yli 99,5 %:iin teollisessa käytössä. Kosteuspitoisuus on vähennetty alle 30 ppm:n korroosion estämiseksi loppupään laitteissa.

Kloorihuollon materiaalit valitaan korroosionkestävyyden perusteella, mukaan lukien tavallisesti titaani, PVC{0}}vuorattu teräs tai FRP-putket.

Katodilla syntyvä vety on tyypillisesti kyllästetty vesihöyryllä ja sisältää jälkiä syövyttävästä sumusta. Talteenottojärjestelmä suorittaa erotuksen, jäähdytyksen ja puristuksen.

Järjestelmä sisältää:

Kaasun-nesteenerotin

Huurteenpoistoyksikkö

Jäähdyttävä lämmönvaihdin

Vetykompressori (kalvo- tai ruuvityyppinen)

Valinnainen puhdistusyksikkö (PSA tai katalyyttinen kiillotus)

Vedyn puhtaus erotuksen jälkeen on tyypillisesti yli 99 %. Kastepisteen säätö on tärkeää kondensoitumisen estämiseksi putkistoissa.

Monissa teollisuuslaitoksissa vety on joko:

käytetään polttoaineena kattiloissa tai höyryjärjestelmissä

tai viedään kemiallisiin synteesiprosesseihin, kuten ammoniakin tai metanolin tuotantoon

Ohjausjärjestelmä yhdistää kaikki prosessiosat yhdeksi koordinoiduksi käyttöjärjestelmäksi. Useimmat nykyaikaiset kloori-alkalilaitokset käyttävät hajautettuja ohjausjärjestelmiä (DCS) yhdistettynä ohjelmoitaviin logiikkaohjaimiin (PLC) laitteiden-tason ohjaukseen.

Avainohjaussilmukat sisältävät:

Suolaliuoksen pitoisuuden ohjaus (johtavuuteen{0}}perustuu)

Elektrolysaattorin virransäätö

Kennojen lämpötilan säätö (suolavesikierron kautta)

NaOH-pitoisuuden seuranta (tiheyden mittaus)

Klooripaineen säätö

Vedyn paineen ja virtauksen säätö

Tyypillinen instrumentointi sisältää:

johtavuusanturit (0–300 mS/cm alue)

pH-analysaattorit (asteikko 0–14)

paine-eroanturit kalvojen poikki

virtausmittarit (sähkömagneettiset tai Coriolis-tyyppiset)

kloorin ja vedyn puhtauden mittaavat kaasuanalysaattorit

Tiedonkeruu tallennetaan tyypillisesti 1–5 sekunnin välein järjestelmän suunnittelusta riippuen. Hälytyslukitus on toteutettu kloorivuodon ja vedyn ylipaineolosuhteiden havaitsemiseen.

Kaustisen soodan tehdas on suunniteltu jatkuvaksi silmukkajärjestelmäksi, jossa raakasuola muunnetaan kolmeksi tuotevirraksi: natriumhydroksidiksi, klooriksi ja vedyksi. Laitoksen toiminnan vakaus riippuu syötteen suolaliuoksen puhtauden, vakaan tasavirran jakautumisen ja kontrolloidun lämpötasapainon ylläpitämisestä sekä elektrolyysi- että haihdutusosissa.

Kaikki poikkeamat suolaveden epäpuhtaustasoissa tai tasasuuntaajan epävakaus vaikuttavat suoraan kalvon jännitteeseen ja heikentävät järjestelmän tehokkuutta. Siksi useimmat tekniset suunnitelmat priorisoivat ylävirran puhdistuksen ja kaasunkäsittelyn luotettavuuden yhtä paljon kuin itse elektrolysaattorin.

Prosessitekniikan näkökulmasta kaustisen soodan laitos on tiiviisti integroitu sähkökemiallinen järjestelmä, joka koostuu kemiallisesta valmistelusta, elektrolyysistä, tehon muuntamisesta, lämpökonsentraatiosta, kaasunkäsittelystä ja automaatiokerroksista.

Jokaisella osajärjestelmällä on mitattavissa olevat toimintaparametrit, ja laitoksen suorituskyky määräytyy näiden parametrien vakauden perusteella eikä yksittäisen laiteyksikön perusteella.

Yleinen suunnittelufilosofia perustuu kolmeen rajoitteeseen:

rehun suolaliuoksen ionipuhtaus

kalvoelektrolyysin sähköinen hyötysuhde

kloorin ja vedyn turvallinen erottaminen ja käsittely

Nämä rajoitukset määrittävät kaikkien tärkeimpien laitteiden kokoonpanon nykyaikaisessa kloori-alkaliasennuksessa.