Jaké jsou hlavní výrobní procesy a principy rostliny chlor-alkali?

1. Přehled základního výrobního procesu odvětví chlor-alkali

2. principy a vybavení procesu elektrolýzy iontové membrány

3. historie a omezení metody membrány a metody rtuti

4. Ošetření vedlejších produktů a recyklace zdrojů

5. Optimalizace procesů a technologie úspory energie

6. Výzvy v životním prostředí a technologie čisté výroby

1. Přehled základních výrobních procesů 

Rostliny chlor-alkali produkují kaustickou sodu (NaOH), chlor (Cl₂) a vodík (H₂) elektrolýzou roztoku chloridu sodného (NaCl), základního kamene základního chemického průmyslu. Více než 90% globální kapacity chlor-alkali zaměstnáváProces membrány iontového výměny, se zbývajícím pomocí fázemembránaaMerkuvní buňkametody.

2. principy a vybavení iontoměnického membránového procesu

Základní mechanismus

Perfluorinované membrány iontoměnitosti, které mají páteř fluorokarbonových řetězců s funkčními skupinami kyseliny sulfonové, vykazují nadřazenou odolnost vůči korozi a chemické degradaci a udržují stabilní výkon i ve vysoce kyselém (anodové) a alkalické (katodové) prostředí. Pro další optimalizaci účinnosti membrány tento proces zahrnuje pokročilé systémy předúpravy solanky, jako je filtrace s dvojitou stadií a iontová chromatografie, které snižují stopové nečistoty, jako je železo a oxid křemičitý, na hladiny subpb, čímž se zabraňuje znečištění membrány a prodloužení provozní životnosti o 20–30%. Integrovaný návrh systému elektrolýzy navíc umožňuje přesnou regulaci mezery anodové katody na méně než 2 mm, minimalizuje ohmickou odolnost a další snížení spotřeby energie o dalších 5–8% ve srovnání s konvenčními návrhy. Konečně proces umožňuje nepřetržité produkci vysoce čistého kaustického sodu s konzistentním obsahem chloridu sodného pod 50 ppm, což eliminuje potřebu následného odsolovacího kroku a činí jej ideální pro náročné aplikace ve farmaceutikách, elektronice a průmyslovém zpracování potravin.

Klíčové vybavení

Elektrolyzéry: Klasifikován do bipolárních a monopolárních typů. Bipolární elektrolyzéry pracují v sérii s vysokým napětím, ale zabírají méně prostoru, zatímco monopolární jsou paralelně s vysokým proudem vyžadujícím nezávislé usměrňovače. Moderní návrhy „nulové mezery“ snižují mezery elektrody na<1 mm for further energy savings.

Systémy čištění solanky: Odstraňování síranu na bázi membrány (např. RUIPU STING REFINING SYSTEM) a adsorpce chelatační pryskyřice snižují ca²⁺ a mg²⁺ na<1 ppm, extending membrane lifespan.

Jednotky pro zpracování chloru a vodíku: Chlor je ochlazen (12–15 stupňů) a před kompresí pro výrobu PVC je sušen s 98% H₂so₄; Vodík se ochladí, komprimuje a používá se pro syntézu kyseliny chlorovodíkové nebo jako palivo.

3. historický kontext a omezení procesů membrány a rtuti

Princip procesu a historické použití metody bránice
Elektrolyzer s membránou používá porézní membránu azbestu jako fyzickou bariéru mezi anodou a katodovými komorami. Základní princip je použít selektivitu velikosti pórů membrány (asi 10 ~ 20 mikronů), aby umožnil projít elektrolytem (roztok NaCl), přičemž zabránilo míchání generovaných Cl₂ a H₂ plynů. Na anodě ztrácí Cl⁻ elektrony pro generování Cl₂ (2Cl⁻ - 2 E⁻ → Cl₂ ↑); Na katodě získává H₂o elektrony pro generování H₂ a OH⁻ (2H₂O + 2 E⁻ → H₂ ↑ + 2 OH⁻) a OH⁻ se kombinuje s Na⁺ za vzniku NaOH. Protože azbestová membrána nemůže zcela blokovat zpětnou migraci Na⁺, roztok NaOH produkovaný na katodě obsahuje asi 1% NaCl, s koncentrací pouze 10 ~ 12% a musí být soustředěn na více než 30% odpařováním, aby vyhovoval průmyslovým potřebám. Tento proces byl široce používán v polovině 20. století. Čína se jednou spoléhala na tuto technologii, aby vyřešila problém nedostatku základních chemických surovin, ale se zlepšením povědomí o životním prostředí byly její vlastní vady postupně vystaveny.

Fatální vady a proces eliminace metody bránice
Tři základní nevýhody metody membrány nakonec vedly k jeho komplexní náhradě:
Vysoká spotřeba energie a nízká účinnost: Vzhledem k vysokému odolnosti azbestové membrány je napětí buněk až 3,5 ~ 4,5 V a spotřeba energie na tunu alkálií je 3000 ~ 3500 kWh, což je o 40 ~ 70% vyšší než iontová membránová metoda. Je vhodný pouze pro oblasti s nízkými cenami elektřiny;

Nedostatečná čistota produktu: Ředěné alkalické roztok obsahující NaCl potřebuje další odpařování a odsolování, což zvyšuje procesní náklady a nemůže uspokojit poptávku po vysoké čistotě NaOH ve špičkových polích (jako je rozpuštění aluminy);
Krize znečištění azbestu: Azbestová vlákna se během výrobního procesu snadno uvolní do vzduchové a odpadní vody. Dlouhodobá expozice vede k onemocněním, jako je rakovina plic. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) ji uvedla jako karcinogen třídy I již v roce 1987. V roce 2011 Čína revidovala „pokyny pro úpravu průmyslové struktury“, což jasně uvádí, že všechny membránové kaustické sodné rostliny by byly do roku 2015 odstraněny, přičemž celkem více než 5 milionů tun\/roku zavřené výrobní kapacity.

Proces elektrolýzy rtuti: Toxicita rtuti skrytá nebezpečí za vysokou čistotou
Technické charakteristiky a historická hodnota metody rtuti
Metoda rtuti byla kdysi „špičkovým procesem“ pro produkci vysoce čistého sodného sodu kvůli jedinečným vlastnostem katody rtuti. Jeho principem je používat Merkur jako mobilní katodu. Během procesu elektrolýzy tvoří na⁺ a rtuť amalgam sodný (slitina Na-Hg) a poté amalgám sodný reaguje s vodou, aby se vytvořil 50% vysokokoncentrace NaOH (Na-Hg + H₂o → NaOH + H₂ ↑ + Hg), které lze přímo použít bez eparaci a koncentrace. Významnou výhodou tohoto procesu je, že výstup NAOH je extrémně čistý (obsah 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.

Katastrofa na znečištění rtuti a proces globálního zákazu
Fatální vadou metody rtuti je nevratné znečištění rtuti:
Těchturu páry rtuti: Merkur uniká ve formě páry během elektrolýzy a koncentrace rtuti v pracovním prostředí často překračuje standard o desítky časů, což vede k častým incidentům otravy rtuti mezi pracovníky (jako je incident minamata onemocnění v Japonsku v roce 1956, což bylo způsobeno znečištěním rtuti);

Nebezpečí vypouštění odpadních vod: Asi 10-20 Gramy rtuti jsou ztraceny pro každou tunu produkovaného NaOH, která se po vstupu do vodního útvaru přeměnila na methylmercury a obohacuje se potravinovým řetězcem, aby se poškodil ekosystém;
Obtížnost při recyklaci: Ačkoli rtuť může být získána destilací, dlouhodobý provoz stále vede k nadměrnému obsahu rtuti v půdě a náklady na nápravu jsou vysoké. Se vstupem v platnosti Minamata Convention (2013) se více než 90% zemí na světě zavázalo do roku 2020 vyřadit metodu rtuti. Vzhledem k tomu, že největší producent chlor-alkálie na světě v roce 2017 zcela zakázal v roce 2017, zcela odřízl „opětovný řetězec“ a propagoval řetězec odvětví na jediný proces jediného procesu ionu membránu. Dnes si jen několik zemí, jako je Indie a Pákistán, stále zachovává méně než 5% kapacity rtuti a čelí závažnému mezinárodnímu environmentálnímu tlaku.

4. řízení vedlejších produktů a recyklace zdrojů

Využití chloru s vysokou hodnotou

Základní chemikálie: Používá se při produkci PVC (30–40% poptávky po chloru) a syntézu propylenoxidu.

High-end aplikace: Elektronický stupeň chlor (větší nebo roven 99,999% čistoty) pro příkazy polovodiče 5–8krát vyšší než cena chloru v průmyslovém stupni.

Nouzové ošetření: Náhodné CL₂ je absorbováno ve dvoustupňovém pračku NaOH (koncentrace 15–20%), což zajišťuje emise<1 mg/m³.

Regenerace a využití vodíku

Syntéza kyseliny chlorovodíkové: Reagoval s CL₂ a produkoval HC1 pro mořící a léčiva.

Zelená energie: Purifikovaná vodíková paliva palivových článků nebo syntézy amoniaku, přičemž jedna rostlina snižuje uhlíkovou stopu o 60% prostřednictvím integrace vodíku.

Kontrola bezpečnosti: Vodíkové potrubí zahrnují zatčení plamene a zařízení pro odlehčení tlaku, s monitorováním čistoty H₂\/CL₂ v reálném čase, aby se zabránilo explozi.

5. Technologie optimalizace procesů a energeticky úspory

Technologie kyslíkové katody

Princip: Nahrazení vývoje vodíku redukcí kyslíku snižuje napětí buněk {{0}. 8–1,0 V, snížení spotřeby energie na<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Aplikace: 50% úspory energie v Pekingu University of Chemical Technology, 000-} tun\/rok.

Elektrolyzéry s vysokou hustotou

Pokrok: Zvyšování proudové hustoty ze 4 ka\/m² na 6 ka\/m² zvyšuje kapacitu o 30%, komercializované Asahi Kasei (Japonsko) a ThyssenKrupp (Německo).

Digitální transformace

Inteligentní kontrolní systémy: AI algorithms optimize current efficiency to >96% a předpovídat životnost membrány<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

Inspekce poháněná AI: Chemické rostliny na bázi hangzhou používají roboty vybavené AI-vybavenými k kontrole zařízení chloru a dosahují přesnosti 99,99% při detekci blokování teflonových trubic.

6. Výzvy v oblasti životního prostředí a technologie čisté výroby

Čištění odpadních vod

Dechlorace: Vakuová dechlorace (zbytkový CL₂<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% opětovné použití.

Vypouštění nulové kapaliny (ZLD): Multi-efekt odpařování (MVR) krystalizuje průmyslovou sůl, implementovanou v Xinjiangu a Shandongu.

Ošetření výfukových plynů

Kontrola mlhy kyseliny sírové: Electrostatic precipitators (>99% účinnost) a mokré drhnutí splňují GB 16297-2025 emisní standardy.

Prevence znečištění rtuti: Jsou propagovány katalyzátory s nízkou radou, přičemž Yunnan Salt a Haohua Yuhang dostávají státní finanční prostředky na katalyzátor bez rtuti pro výzkum a vývoj.

Nakládání s pevným odpadem

Recyklace membrány: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% účinnost.

Využití solných kalů: Používá se ve stavebních materiálech nebo krytech skládky, se 100% komplexním využitím karbidové strusky.