A klór-lúgos eljáráson alapuló marónátrongyár nem egyetlen gép, hanem egy folyamatos elektrokémiai gyártórendszer. Az üzem minden része egy meghatározott átalakítási vagy tisztítási lépést hajt végre.
Sóoldat előkészítő rendszer
A sóoldat-előkészítő rendszer a szilárd ipari sót (NaCl) elektrolízis betáplálására alkalmas telített sóoldattá alakítja. A legtöbb membrán-klór-lúgban a sóoldat célkoncentrációját körülbelül 300–310 g/l NaCl-ra szabályozzák.
A rendszer általában tartalmaz egy sóoldó tartályt, keverőket, durva szűrőszűrőket és egy sóoldat keringtető hurkot. Az oldótartályt úgy tervezték, hogy szabályozott tartózkodási időt tartson fenn, általában 2-4 órát, hogy biztosítsa a nátrium-klorid kristályok teljes feloldódását.
Az oldatlan szennyeződéseket, például homokot, agyagot és az oldhatatlan sókat ülepítéssel vagy hidrociklonos elválasztással távolítják el. A kimenő sóoldatot ezután a tisztító részbe juttatják.
Ennek az alrendszernek a kialakítása közvetlenül kapcsolódik a membránsejtek életéhez, mivel az 1 mg/l feletti lebegőanyag felgyorsíthatja a membrán eltömődését és idővel növelheti a sejtfeszültséget.
Sóoldat tisztító egység
A sóoldat-tisztító rendszer eltávolítja a kétértékű kationokat, például a kalciumot (Ca²⁺), a magnéziumot (Mg²⁺) és a nehézfémeket, amelyek megzavarják a membrán teljesítményét. A membrán-klór-lúgos rendszerekben a kalcium- és magnéziumkoncentrációt általában 20 ppb (parts per milliárd) alá kell csökkenteni.
A szokásos tisztítási módszer a kémiai kicsapás nátrium-karbonát (Na2CO3) és nátrium-hidroxid (NaOH) felhasználásával. A reakciók során oldhatatlan kalcium-karbonát és magnézium-hidroxid keletkezik:
Ca²⁺ + CO3²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
Ezeket a csapadékokat derítővel vagy lamellás ülepítő tartályokkal távolítják el, majd finomszűrő rendszerekkel, jellemzően 5-10 mikronos patronos szűrőkkel.
Polírozó szűrők vannak beépítve az áramlás irányába, hogy biztosítsák az elektrolizátorok stabil betáplálási minőségét. A sóoldat-tisztító rendszer pH-szabályozó hurkokat és ORP-figyelést is tartalmaz a reakció hatékonyságának fenntartása érdekében.
Elektrolizáló rendszer (membráncella szakasz)
Az elektrolizátor a klór-alkáli folyamat magja. A modern növények ioncserélő membránsejteket használnak, jellemzően perfluorszulfonsav (PFSA) membránokon.
Minden elektrolizáló cella egy anódrekeszre és egy katódrekeszre van osztva, amelyeket kation{0}}szelektív membrán választ el. A sóoldatot az anódkamrába vezetik, ahol a kloridionok klórgázzá oxidálódnak:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
A katód oldalon a víz hidrogéngázzá és hidroxidionokká redukálódik:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
A nátriumionok átvándorolnak a membránon, és hidroxidionokkal egyesülve nátrium-hidroxidot (NaOH) képeznek.
Az ipari membráncellák tipikus működési paraméterei a következők:
Cellahőmérséklet: 85-95 fok
Áramsűrűség: 3,0-6,0 kA/m²
Cellafeszültség: 3,0–3,3 V
NaOH koncentráció: 30-35 tömeg% (sejtlúg kimenet)
Az elektrolizáló rendszer cellavázakat, elektródákat (titán anód ruténium/iridium bevonattal), nikkelkatódokat és hidraulikus tömítőrendszereket tartalmaz. A cellák beállítását és a kompressziós erőt szabályozzák a szivárgás megakadályozása és a membrán integritásának megőrzése érdekében.
Egyenirányító rendszer
Az egyenirányító rendszer a hálózatból származó váltakozó áramot az elektrolízishez szükséges egyenárammá alakítja. A klór-lúggyárak jellemzően nagyon nagy egyenárammal működnek, gyakran 10 kA és 200 kA közötti tartományban, az üzem kapacitásától függően.
Az egyenirányító a következőkből áll:
Transzformátor egység (lelépés{0}}és leválasztás)
Tirisztoros vagy IGBT egyenirányító modulok
DC sínek
Hűtőrendszer (levegő- vagy vízhűtéses{0}})
A kimeneti feszültség általában 100 V és 600 V DC között van, a verem konfigurációjától függően. Az áram hullámossága 5% alá van szabályozva, hogy az elektrokémiai reakciókörülmények stabilak legyenek.
A teljesítménytényező-korrekciós rendszereket gyakran integrálják a hálózati megfelelőség fenntartása érdekében, különösen az 50 000 tonna/év NaOH kapacitást meghaladó,{0}}nagyméretű üzemekben.
Párologtató rendszer
Az elpárologtató rendszer a NaOH-koncentrációt körülbelül 30–35%-ról (elektrolizátor teljesítménye) a kereskedelmi minőségekre, például 48%-os vagy 50%-os marónátron oldatra növeli.
A több-hatású párologtatást (MEE) általában a gőzfogyasztás csökkentésére használják. Egy tipikus konfiguráció 2-4 párologtató hatást tartalmaz, amelyek csökkenő nyomás mellett működnek.
A gőzbemenet általában 3-6 bar telített gőz az üzem kialakításától függően. A későbbi szakaszokban a vákuumszintet -0,08 és -0,09 MPa között tartják a hőhatékonyság javítása érdekében.
Az elpárologtató anyagoknak ellenállniuk kell az erős lúgos korróziónak magas hőmérsékleten, ezért általában nikkel{0}}alapú ötvözetek vagy speciális rozsdamentes acélok (például 316 literes vagy duplex minőségek) használatosak.
Klórkezelő rendszer
Az elektrolizátorban keletkező klórgáz nedves, forró, és nyomokban hidrogént és sós vízködöt tartalmaz. Felhasználás vagy cseppfolyósítás előtt le kell hűteni és meg kell tisztítani.
A klórkezelő rendszer a következőket tartalmazza:
Gázhűtőtorony (~35-40 fokra csökkenti a hőmérsékletet)
Ködeltávolítók (eltávolítják a magával ragadó cseppeket)
Klórszárító rendszer (kénsavas vagy adszorpciós szárítókkal)
Kompresszorok (cseppfolyósításhoz vagy csővezetékes átvitelhez)
Ipari felhasználás esetén a száraz klór tisztaságát általában 99,5% fölé szabályozzák. A nedvességtartalmat 30 ppm alá csökkentik, hogy megakadályozzák a korróziót a későbbi berendezésekben.
A klórozás során használt anyagokat a korrózióállóság alapján választják ki, beleértve a titánt, a PVC{0}}bevonatú acélt vagy az FRP-csöveket.
Hidrogén-visszanyerő rendszer
A katódon keletkező hidrogén jellemzően vízgőzzel telített, és maró köd nyomokban van benne. A visszanyerő rendszer leválasztást, hűtést és tömörítést végez.
A rendszer a következőket tartalmazza:
Gáz-folyadékleválasztó
Páramentesítő egység
Hűtő hőcserélő
Hidrogén kompresszor (membrános vagy csavaros típusú)
Opcionális tisztító egység (PSA vagy katalitikus polírozás)
A hidrogén tisztasága az elválasztás után jellemzően meghaladja a 99%-ot. A harmatpont szabályozása kritikus fontosságú a kondenzáció elkerülése érdekében a csővezetékekben.
Számos ipari létesítményben a hidrogén vagy:
kazánokban vagy gőzrendszerekben tüzelőanyagként használják
vagy exportálják kémiai szintézis folyamatokba, például ammónia- vagy metanolgyártásba
Automatizálási rendszer (PLC/DCS)
A vezérlőrendszer az összes folyamatszakaszt egyetlen koordinált működési platformba integrálja. A legtöbb modern klór-lúggyár elosztott vezérlőrendszereket (DCS) használ programozható logikai vezérlőkkel (PLC) kombinálva a berendezések-szintszabályozására.
A kulcsvezérlő hurkok a következőket tartalmazzák:
Sóoldat-koncentráció szabályozása (vezetőképesség{0}}alapú)
Elektrolizátor áramszabályozás
Cellák hőmérsékletének szabályozása (sóoldat keringtetésen keresztül)
NaOH koncentráció monitorozás (sűrűségmérés)
Klórnyomás szabályozás
Hidrogénnyomás és áramlás szabályozása
A tipikus műszerezés a következőket tartalmazza:
vezetőképesség-érzékelők (0-300 mS/cm tartomány)
pH analizátorok (0-14 skála)
nyomáskülönbség-érzékelők a membránokon
áramlásmérők (elektromágneses vagy Coriolis típusú)
gázelemző készülékek klór és hidrogén tisztaságára
Az adatgyűjtést rendszerint 1–5 másodperces időközönként rögzítik a rendszer kialakításától függően. A riasztási reteszelések a klórszivárgás és a hidrogén túlnyomás észlelésére szolgálnak.
A marónátron üzemet folyamatos hurokrendszerként tervezték, ahol a nyers sót három termékárammá alakítják át: nátrium-hidroxiddá, klórrá és hidrogénné. Az üzem működési stabilitása a betáplált sóoldat tisztaságának, a stabil egyenáram-eloszlásnak és az elektrolízises és a párologtatási szakaszok szabályozott termikus egyensúlyának fenntartásán múlik.
A sóoldat szennyeződési szintjének bármilyen eltérése vagy az egyenirányító instabilitása közvetlenül befolyásolja a membránfeszültséget és csökkenti a rendszer hatékonyságát. Ezért a legtöbb mérnöki tervezés prioritást élvez a felfelé irányuló tisztítás és a gázkezelés megbízhatósága szempontjából, mint maga az elektrolizátor.
Következtetés (Műszaki összefoglaló)
Eljárástechnikai szempontból a marónátrongyár egy szorosan integrált elektrokémiai rendszer, amely vegyi előkészítésből, elektrolízisből, energiaátalakításból, termikus koncentrálásból, gázkezelésből és automatizálási rétegekből áll.
Minden alrendszer mérhető működési paraméterekkel rendelkezik, és az üzem teljesítményét ezeknek a paramétereknek a stabilitása határozza meg, nem pedig egyetlen berendezésegység.
Az általános tervezési filozófia három megkötésen alapul:
a takarmány sóoldat iontisztasága
membrán elektrolízis elektromos hatásfoka
a klór és a hidrogén biztonságos szétválasztása és kezelése
Ezek a megszorítások határozzák meg az összes főbb berendezés konfigurációját a modern klór-lúgos telepítésben.
