Jaké vybavení je součástí závodu na výrobu hydroxidu sodného?

Závod na výrobu louhu na bázi chlor-alkalického procesu není jediný stroj, ale kontinuální elektrochemický výrobní systém. Každá část závodu provádí specifickou transformaci nebo purifikační krok.

Systém přípravy solanky převádí pevnou průmyslovou sůl (NaCl) na nasycenou solanku vhodnou pro elektrolýzu. Ve většině membránových chlor-alkalických konstrukcí je cílová koncentrace solanky řízena na přibližně 300–310 g/l NaCl.

Systém typicky zahrnuje nádrž na rozpouštění soli, míchadla, hrubá filtrační síta a smyčku cirkulace solanky. Rozpouštěcí nádrž je navržena tak, aby udržovala řízenou dobu zdržení, obvykle 2–4 hodiny, aby se zajistilo úplné rozpuštění krystalů chloridu sodného.

Nerozpuštěné nečistoty jako písek, jíl a nerozpustné soli se odstraňují usazováním nebo hydrocyklonovou separací. Výstupní solanka je poté převedena do čistící sekce.

Konstrukce tohoto subsystému přímo souvisí s životností membránových článků, protože suspendované pevné látky nad 1 mg/l mohou urychlit zanášení membrány a časem zvýšit napětí článku.

Systém čištění solanky odstraňuje dvojmocné kationty, jako je vápník (Ca²⁺), hořčík (Mg²⁺) a stopové těžké kovy, které narušují výkon membrány. V membránových chlor-alkalických systémech musí být koncentrace vápníku a hořčíku obvykle sníženy pod 20 ppb (částic na miliardu).

Standardní metodou čištění je chemické srážení pomocí uhličitanu sodného (Na2C03) a hydroxidu sodného (NaOH). Reakce tvoří nerozpustný uhličitan vápenatý a hydroxid hořečnatý:

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

Tyto precipitáty se odstraňují pomocí čiřičů nebo lamelových sedimentačních nádrží následovaných jemnými filtračními systémy, typicky 5–10 mikronovými patronovými filtry.

Za účelem zajištění stabilní kvality přívodu do elektrolyzérů jsou instalovány leštící filtry. Systém čištění solanky také zahrnuje smyčky pro kontrolu pH a monitorování ORP pro udržení účinnosti reakce.

Elektrolyzér je jádrem chlor-alkalického procesu. Moderní rostliny používají iontoměničové membránové články, obvykle založené na membránách z kyseliny perfluorosulfonové (PFSA).

Každý článek elektrolyzéru je rozdělen na anodový prostor a katodový prostor oddělené kationtově -selektivní membránou. Solanka se přivádí do anodové komory, kde se chloridové ionty oxidují na plynný chlór:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Na katodové straně se voda redukuje na plynný vodík a hydroxidové ionty:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Ionty sodíku migrují membránou a spojují se s hydroxidovými ionty za vzniku hydroxidu sodného (NaOH).

Typické provozní parametry pro průmyslové membránové články zahrnují:

Teplota buňky: 85–95 stupňů

Proudová hustota: 3,0–6,0 kA/m²

Napětí článku: 3,0–3,3 V

Koncentrace NaOH: 30–35 % hmotn. (výstup buněčného louhu)

Systém elektrolyzéru zahrnuje rámy článků, elektrody (titanová anoda s ruthenium/iridiovým povlakem), niklové katody a hydraulické těsnící systémy. Vyrovnání buněk a kompresní síla jsou řízeny, aby se zabránilo úniku a zachovala integrita membrány.

Usměrňovací systém převádí střídavý proud ze sítě na stejnosměrný proud potřebný pro elektrolýzu. Chlor-alkalické závody obvykle pracují při velmi vysokých stejnosměrných proudech, často v rozsahu 10 kA až 200 kA v závislosti na kapacitě závodu.

Usměrňovač se skládá z:

Transformátorová jednotka (postup-dolů a izolace)

Tyristorové nebo usměrňovací moduly IGBT

DC přípojnice

Chladicí systém (chlazený vzduchem nebo vodou-)

Výstupní napětí je typicky mezi 100 V a 600 V DC v závislosti na konfiguraci zásobníku. Zvlnění proudu je řízeno pod 5 %, aby se udržely stabilní podmínky elektrochemické reakce.

Systémy korekce účiníku jsou často integrovány za účelem udržení souladu se sítí, zejména ve velkých-zařízeních s kapacitou přesahující 50 000 tun NaOH za rok.

Odpařovací systém zvyšuje koncentraci NaOH z přibližně 30–35 % (výkon elektrolyzéru) na komerční jakost, jako je 48% nebo 50% roztok hydroxidu sodného.

Více{0}}efektové odpařování (MEE) se běžně používá ke snížení spotřeby páry. Typická konfigurace zahrnuje 2 až 4 odpařovací efekty pracující při klesajícím tlaku.

Vstup páry je obvykle 3–6 barů syté páry v závislosti na konstrukci zařízení. Hladiny vakua v pozdějších fázích jsou udržovány kolem -0,08 až -0,09 MPa, aby se zlepšila tepelná účinnost.

Materiály výparníku musí odolávat silné alkalické korozi za zvýšených teplot, proto se běžně používají slitiny na bázi niklu{0}} nebo speciální nerezavějící oceli (jako jsou třídy 316L nebo duplex).

Plynný chlor produkovaný v elektrolyzéru je vlhký, horký a obsahuje stopy vodíku a solné mlhy. Před následným použitím nebo zkapalněním se musí ochladit a vyčistit.

Systém manipulace s chlórem zahrnuje:

Plynová chladicí věž (snižuje teplotu na ~35–40 stupňů)

Odstraňovače mlhy (odstraňují unášené kapičky)

Systém sušení chlórem (s použitím kyseliny sírové nebo adsorpčních sušiček)

Kompresory (pro zkapalňování nebo přenos potrubím)

Čistota suchého chloru je pro průmyslové použití typicky řízena nad 99,5 %. Obsah vlhkosti je snížen pod 30 ppm, aby se zabránilo korozi v následném zařízení.

Materiály pro použití s chlórem se vybírají na základě odolnosti proti korozi, obvykle včetně titanu, oceli potažené PVC- nebo potrubí FRP.

Vodík generovaný na katodě je typicky nasycený vodní párou a obsahuje stopy žíravé mlhy. Regenerační systém provádí separaci, chlazení a kompresi.

Systém zahrnuje:

Oddělovač-kapaliny plynu

Demister jednotka

Chladicí výměník tepla

Vodíkový kompresor (membránový nebo šroubový typ)

Volitelná čisticí jednotka (PSA nebo katalytické leštění)

Čistota vodíku po separaci typicky přesahuje 99 %. Kontrola rosného bodu je zásadní pro zabránění kondenzaci v potrubí.

V mnoha průmyslových zařízeních je vodík buď:

používá se jako palivo v kotlích nebo parních systémech

nebo exportovány do procesů chemické syntézy, jako je výroba amoniaku nebo metanolu

Řídicí systém integruje všechny procesní úseky do jediné koordinované operační platformy. Většina moderních chlor-základních závodů používá distribuované řídicí systémy (DCS) kombinované s programovatelnými logickými regulátory (PLC) pro-úrovňové řízení zařízení.

Klíčové řídicí smyčky zahrnují:

Řízení koncentrace solanky (na základě-vodivosti)

Regulace proudu elektrolyzéru

Řízení teploty článků (prostřednictvím cirkulace solanky)

Monitorování koncentrace NaOH (měření hustoty)

Regulace tlaku chloru

Regulace tlaku a průtoku vodíku

Typické vybavení zahrnuje:

senzory vodivosti (rozsah 0–300 mS/cm)

pH analyzátory (stupnice 0–14)

snímače diferenčního tlaku přes membrány

průtokoměry (elektromagnetické nebo Coriolisova typu)

analyzátory plynu pro čistotu chlóru a vodíku

Sběr dat se typicky zaznamenává v 1–5 sekundových intervalech v závislosti na konstrukci systému. Pro detekci úniku chlóru a přetlaku vodíku jsou implementovány alarmové blokování.

Závod na výrobu hydroxidu sodného je navržen jako kontinuální smyčkový systém, kde se surová sůl přeměňuje na tři produktové proudy: hydroxid sodný, chlór a vodík. Provozní stabilita zařízení závisí na udržování čistoty vstupní solanky, stabilní distribuci stejnosměrného proudu a řízené tepelné bilanci v elektrolýze i odpařovací části.

Jakákoli odchylka v hladinách nečistot solanky nebo nestabilita usměrňovače přímo ovlivňuje napětí membrány a snižuje účinnost systému. Většina konstrukčních návrhů proto upřednostňuje předřazené čištění a spolehlivost při manipulaci s plynem stejně jako samotný elektrolyzér.

Z hlediska procesního inženýrství je závod na výrobu hydroxidu sodného úzce integrovaný elektrochemický systém složený z chemické přípravy, elektrolýzy, přeměny energie, tepelné koncentrace, manipulace s plyny a automatizačních vrstev.

Každý subsystém má měřitelné provozní parametry a výkon závodu je určován spíše stabilitou těchto parametrů než jakoukoli jednotlivou jednotkou zařízení.

Celková filozofie designu je založena na třech omezeních:

iontová čistota vstupní solanky

elektrická účinnost membránové elektrolýzy

bezpečná separace a manipulace s chlórem a vodíkem

Tato omezení definují konfiguraci všech hlavních zařízení v moderní chlor-alkalické instalaci.