Защо електролизата е незаменима за производството на сода каустик? Пълно ръководство за процеса от електролиза на NaCl до производство на натриев хидроксид

Каустичната сода (NaOH, натриев хидроксид) е основен химикал за различни индустрии, включително производството на хартия, алуминиев оксид, текстил, химикали, пречистване на вода и почистване. В съвременната промишленост, производството на каустична сода в голям мащаб не се извършва чрез проста химическа неутрализация; вместо това, тя разчита на... хлор-алкална електролиза процес, при който високочиста саламура от натриев хлорид се подава в електролизатори и под действието на постоянен ток едновременно произвежда натриев хидроксид, хлор и водород. Следователно, разбирането как се произвежда сода каустик чрез електролиза изисква повече от запомняне на реакционните уравнения; то изисква също разбиране на връзките между качеството на саламурата, йонообменните мембрани, ефективността на тока, концентрацията на продукта и обработката на страничния газ.

1. Започване с басейн със саламура: Защо суровината за производство на сода каустик трябва първо да бъде пречистена?

Основните суровини за индустриалната сода каустик изглеждат прости - натриев хлорид и вода - но саламурата, която всъщност влиза в електролизатора, трябва да бъде строго пречистена. След разтваряне на суровата сол, тя обикновено съдържа калций, магнезий, желязо и суспендирани твърди вещества. Ако тези примеси попаднат директно в електролизатора с йонообменна мембрана, те могат да замърсят или блокират йонообменната мембрана, да увеличат напрежението на клетката и да съкратят експлоатационния живот на мембраната и електродите. Следователно, преди... електролиза на саламураИнженерната система обикновено е конфигурирана с инсталации за разтваряне на соли, първично пречистване на саламура, филтриране, вторично пречистване на саламура и кондициониране на саламура, за да се направи съставът на саламурата, влизаща в електролизера, по-стабилен. За компаниите, които планират да изградят или модернизират хлор-алкален инсталация, капацитетът за пречистване на саламура често определя дали следващите инсталации могат да работят стабилно в дългосрочен план, вместо да бъде стъпка на предварителна обработка, която може да бъде игнорирана.

2. Как електролизата на NaCl превръща солта в сода каустик?

Съвременната хлор-алкална промишленост използва предимно технология за електролиза с йонообменна мембрана. Вътре в електролизатора йонообменна мембрана разделя анодното отделение от катодното. Пречистен саламура постъпва от анодната страна, докато вода или циркулираща разредена основа се добавя от катодната страна. След прилагане на постоянен ток, окислението на хлоридните йони протича на анода: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻; редукцията на водата протича на катода: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. В същото време, Na⁺ може да мигрира от анодното отделение към катодното отделение през йонообменната мембрана и да се комбинира с OH⁻, за да образува NaOH. Цялостната реакция... Електролиза на NaCl може да се запише като: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂. Основната стойност на йонообменната мембрана е, че тя позволява на натриевите йони да мигрират, като същевременно предотвратява обратната дифузия на хлоридните йони и хидроксидните йони, доколкото е възможно, като по този начин подобрява чистотата на сода каустик и избягва нежелано смесване на хлор, водород и алкален разтвор.

3. Защо изходът от електролизера не е директно продаваем 50% сода каустик?

Алкалният разтвор, получен директно от електролизатор с йонообменна мембрана, обикновено е около 32% NaOH, докато концентрацията на обичайната търговска течна сода каустик на пазара е около 50%. Следователно, електролизата е само основната реакционна стъпка в... производство на натриев хидроксидЦялостната производствена линия за сода каустик се нуждае също от циркулация на алкални разтвори, разделяне газ-течност, охлаждане, както и от системи за изпаряване и концентриране. В обичайните инженерни проекти, мембранно-качествени алкали с концентрация от около 32% могат постепенно да се концентрират до около 50% чрез двуефективни или триефективни изпарители. Ако проектът изисква течна сода каустик, люспеста сода каустик или гранулирана сода каустик с по-висока концентрация, са необходими допълнителни инсталации за изпаряване с висока концентрация и образуване на твърда сода каустик. На този етап консумацията на пара, изборът на топлообменник, устойчивостта на материала на корозия и контролът на концентрацията влияят пряко върху крайната цена на продукта и стабилността на работата на инсталацията.

4. Защо хлорът и водородът трябва да се вземат предвид едновременно при проектирането на инсталация за сода каустик?

Содата каустик не е продукт, произвеждан изолирано. Според електрохимичната стехиометрична зависимост, за всяко определено количество произведен NaOH се генерират едновременно хлор и водород. Следователно, един наистина пълен разтвор на натриев хидроксид трябва да отчита и трите материални потока едновременно. Хлорната страна обикновено изисква охлаждане, отстраняване на мъгла, сушене, компресия или втечняване; водородната страна изисква разделяне на газ и течност, охлаждане, промиване, пречистване или компресия и може да се използва за котли, синтез, гориво или външно захранване в зависимост от условията на инсталацията. Ако се изчислява само продукцията на сода каустик, като се игнорира хлорно-водородният баланс, могат да възникнат проблеми, като например липса на потребление на хлор след това, вентилация на водорода, недостатъчни системи за безопасност или несъответстващи спецификации на оборудването. Например, мащабът на инсталацията, обемът на циркулация на саламура, електролизният ток, капацитетът за обработка на хлор-водород и натоварването на изпарението трябва да се определят в рамките на една и съща рамка за материален и енергиен баланс. Това е и най-голямата разлика между промишлените проекти и обикновената лабораторна електролиза.

5. От технологичен пакет до внедряване на оборудване: Как да се оцени наистина работещ разтвор на натриев хидроксид?

При избора на доставчик за проект за производство на сода каустик не е достатъчно да се сравняват само оферти за електролизери. По-практичните измерения за оценка включват качеството на суровата сол и спецификациите на целевия продукт, конфигурацията за пречистване на саламура, йонообменните мембранни и електродни системи, плътността на тока и консумацията на мощност на агрегата, дизайна за безопасност на хлор-водород, консумацията на пара от изпарителната система, материалите на оборудването, антикорозионните решения, автоматизирания контрол и последващото удобство при поддръжка. Hefei Sinopower Technologies Co., Ltd., чрез своята марка Rubri (hfsinopower.com), може да обсъди систематична конфигурация на производствената линия за хлор-алкали въз основа на състоянието на суровините на клиента, целевия производствен капацитет на NaOH и концентрацията на крайния продукт. За нови проекти, по-ценният разтвор на натриев хидроксид обикновено не е списък с отделно оборудване, а цялостен дизайн на процеса, който започва от влизането на саламура в инсталацията и завършва с безопасното производство на NaOH, хлор и водород, като същевременно се запазва място за подмяна на мембрани, поддръжка на оборудването, разширяване на капацитета и оптимизиране на потреблението на енергия. Само чрез оценка на предварителната обработка, електролизата, последващата обработка и комуналните услуги в една и съща система могат да бъдат наистина оценени инвестиционните разходи, експлоатационните разходи и дългосрочната надеждност на проекта.

ЧЗВ | Четири най-често задавани въпроса при проекти за електролиза на сода каустик

В1: Защо производствената линия за каустична сода с йонообменна мембрана изисква толкова висока чистота на саламурата?

Тъй като примеси като Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe влияят на селективната пропускливост на йонообменната мембрана и могат да причинят замърсяване на мембраната, повишено напрежение на клетката и по-висока консумация на енергия, по време на проектирането, схемата за първично и вторично пречистване на саламура трябва да се определи според състава на суровата сол, а не директно да се копира фиксирана конфигурация на оборудването.

В2: Може ли електролизаторът директно да произвежда 50% сода каустик?

Обикновено не. Алкалният разтвор на изхода на мембранния електролизатор обикновено е около 32% NaOH. Ако клиентът се нуждае от обичайната търговска течна сода каустик с 50%, трябва да се конфигурира система за изпаряване и концентриране. Конкретният брой етапи на изпаряване трябва да бъде оптимизиран въз основа на производствения капацитет, цената на парата, условията на източника на топлина и целевата концентрация.

В3: От какво зависи основно консумацията на енергия на проект за производство на сода каустик?

Влияние върху него имат главно фактори като структурата на електролизера, състоянието на мембраната и електрода, плътността на тока, температурата на клетката, чистотата на саламурата, разликата в налягането между анода и катода и експлоатационния живот на оборудването. Усъвършенстваната технология за мембранна електролиза има за цел да намали напрежението на клетката и консумацията на енергия от NaOH, но в реални проекти не може да се разглежда само една номинална стойност; тя трябва да се преценява заедно с работните условия.

Въпрос 4: Ами ако една компания иска да произвежда само сода каустик и не се нуждае от хлор и водород?

Традиционната електролиза на NaCl ще произвежда едновременно хлор и водород съгласно стехиометричното съотношение. Следователно, преди одобрението на проекта, трябва да се планират безопасни пътища за обработка или търговско използване на двата странични газа. Ако надолу по веригата няма капацитет за потребление на хлор, общата икономическа ефективност и експлоатационният капацитет на инсталацията за сода каустик ще бъдат ограничени. Това обикновено е един от най-лесно подценяваните проблеми при оценката на осъществимостта на проекта.