Care sunt principalele procese și principii de producție ale unei plante cu clor-alcali?

1. Prezentare generală a procesului de producție de bază al industriei Chlor-Alkali

2. Principiile și echipamentele procesului de electroliză a membranei ionice

3. Istoria și limitările metodei diafragmei și metodei Mercur

4. Tratamentul subprodus și reciclarea resurselor

5. Optimizarea proceselor și progresul tehnologiei de economisire a energiei

6. Provocări de mediu și tehnologie de producție curată

1. Prezentare generală a proceselor de producție de bază 

Plantele de clor-alcali produc sodă caustică (NaOH), clor (CL₂) și hidrogen (H₂) prin electroliza soluției de clorură de sodiu (NaCl), o piatră de temelie a industriei chimice de bază. Peste 90% din capacitatea globală a clor-alcalii angajeazăProcesul membranei cu schimb de ioni, cu restul folosind etapelediafragmăşiCelula de mercurmetode.

2. Principiile și echipamentele procesului de membrană cu schimb de ioni

Mecanism de bază

Membranele de schimb de ioni perfluorinați, care prezintă o coloană vertebrală a lanțurilor de fluorocarbon cu grupe funcționale acid sulfonice, prezintă o rezistență superioară la coroziune și degradare chimică, menținând performanțe stabile chiar și în medii extrem de acid (anod) și alcalin (catod). Pentru a optimiza și mai mult eficiența membranei, procesul încorporează sisteme avansate de pretratare a saramurii, cum ar fi filtrarea în etape și cromatografia ionică, care reduc impuritățile de urme precum fierul și silica la nivelurile sub-PPB, prevenind astfel combaterea membranei și prelungind durata operațională cu 20-30%. În plus, proiectarea integrată a sistemului de electroliză permite o reglare precisă a decalajului anod-catod la mai puțin de 2 mm, minimizând rezistența ohmică și scăderea consumului de energie în continuare cu 5-8% suplimentar în comparație cu proiectele convenționale. În cele din urmă, procesul permite producerea continuă de sodă caustică de înaltă puritate, cu un conținut constant de clorură de sodiu sub 50 ppm, eliminând nevoia de etape de desalinizare în aval și ceea ce îl face ideal pentru solicitarea aplicațiilor în domeniul farmaceutice, electronice și industrii de prelucrare a alimentelor.

Echipament cheie

Electrolizerii: Clasificat în tipuri bipolare și monopolare. Electrolizii bipolari funcționează în serie cu tensiune înaltă, dar ocupă mai puțin spațiu, în timp ce cele monopolare funcționează în paralel cu curent ridicat care necesită redresor independent. Modelele moderne „zero-gap” reduc distanța electrodului la<1 mm for further energy savings.

Sisteme de purificare a saramurii: Eliminarea sulfatului pe bază de membrană (de exemplu, sistemul de rafinare a saramurii RUIPU) și adsorbția din rășină chelatoare reduc Ca²⁺ și Mg²⁺ la<1 ppm, extending membrane lifespan.

Unități de tratament cu clor și hidrogen: Clorul este răcit (12-15 grade) și uscat cu 98% H₂so₄ înainte de compresie pentru producția de PVC; Hidrogenul este răcit, comprimat și utilizat pentru sinteza acidului clorhidric sau ca combustibil.

3. Contextul istoric și limitările diafragmei și proceselor de mercur

Principiul procesului și aplicarea istorică a metodei diafragmei
Electrolizul cu diafragmă folosește o diafragmă poroasă de azbest ca barieră fizică între anodul și camerele catodice. Principiul miezului este de a utiliza selectivitatea dimensiunii porilor a diafragmei (aproximativ 10 ~ 20 microni) pentru a permite trecerea electrolitului (soluția NaCl), prevenind amestecarea gazelor CL₂ și H₂ generate. La anod, CL⁻ pierde electroni pentru a genera CL₂ (2Cl⁻ - 2 e⁻ → Cl₂ ↑); La catod, H₂o câștigă electroni pentru a genera H₂ și OH⁻ (2h₂o + 2 e⁻ → h₂ ↑ + 2 oh⁻), iar OH⁻ se combină cu Na⁺ pentru a forma NaOH. Deoarece diafragma azbestului nu poate bloca complet migrația inversă a NA⁺, soluția NaOH produsă la catod conține aproximativ 1% NaCl, cu o concentrație de doar 10 ~ 12% și trebuie concentrată la mai mult de 30% prin evaporare pentru a răspunde nevoilor industriale. Acest proces a fost utilizat pe scară largă la mijlocul secolului XX. China s -a bazat odată pe această tehnologie pentru a rezolva problema deficitului de materii prime chimice de bază, dar odată cu îmbunătățirea conștientizării mediului, defectele sale inerente au fost expuse treptat.

Defecte fatale și procesul de eliminare a metodei diafragmei
Cele trei dezavantaje de bază ale metodei diafragmei au dus în cele din urmă la înlocuirea sa cuprinzătoare:
Consum ridicat de energie și eficiență scăzută: Datorită rezistenței ridicate a diafragmei de azbest, tensiunea celulară este de până la 3,5 ~ 4,5V, iar consumul de energie pe tonă de alcalin este de 3000 ~ 3500 kWh, ceea ce este cu 40 ~ 70% mai mare decât metoda membranei ionice. Este potrivit numai pentru zonele cu prețuri reduse de energie electrică;

Puritatea insuficientă a produsului: soluția alcalină diluată care conține NaCl are nevoie de evaporare și desalinizare suplimentară, ceea ce crește costul procesului și nu poate satisface cererea de NaOH de înaltă puritate în câmpuri de înaltă calitate (cum ar fi dizolvarea aluminei);
Criza de poluare a azbestului: fibrele de azbest sunt eliberate cu ușurință în aer și ape uzate în timpul procesului de producție. Expunerea pe termen lung duce la boli precum cancerul pulmonar. Agenția Internațională pentru Cercetări privind Cancerul (IARC) a enumerat -o ca cancerigeni din clasa I încă din 1987. În 2011, China a revizuit „Orientările pentru ajustarea structurii industriale”, ceea ce a declarat clar că toate plantele de sodă caustice cu diafragmă ar fi eliminate până în 2015, cu un total de peste 5 milioane de tone\/an de capacitate de producție închisă.

Procesul de electroliză de mercur: Toxicitatea Mercurului Pericole ascunse în spatele purității ridicate
Caracteristici tehnice și valoare istorică a metodei Mercur
Metoda Mercur a fost cândva un „proces de ultimă generație” pentru producerea de sodă caustică de înaltă puritate, datorită proprietăților unice ale catodului Mercur. Principiul său este să folosească Mercur ca catod mobil. În timpul procesului de electroliză, Na⁺ și mercur formează amalgam de sodiu (aliaj Na-Hg), iar apoi amalgamul de sodiu reacționează cu apă pentru a genera 50% NaOH cu concentrare ridicată (Na-Hg + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), care poate fi utilizat direct fără evaporare și concentrație. Avantajul semnificativ al acestui proces este că NaOH de ieșire este extrem de pur (conținut de 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.

Dezastrul de poluare a mercurului și procesul de interzicere globală
Defectul fatal al metodei Mercur este poluarea ireversibilă a mercurului:
Volatilizarea vaporilor de mercur: Mercur scapă sub formă de vapori în timpul electrolizei, iar concentrația de mercur în mediul de lucru depășește adesea standardul de zeci de ori, rezultând incidente frecvente de intoxicații cu mercur în rândul lucrătorilor (cum ar fi incidentul bolii Minamata în Japonia în 1956, care a fost cauzat de poluarea mercurului);

Pericole de descărcare a apelor uzate: aproximativ 10-20 grame de mercur se pierd pentru fiecare tonă de NaOH produsă, care este transformată în metilmercur după intrarea în corpul apei și îmbogățită prin lanțul alimentar pentru a dăuna ecosistemului;
Dificultate în reciclare: Deși mercurul poate fi recuperat prin distilare, funcționarea pe termen lung duce în continuare la un conținut excesiv de mercur în sol, iar costul remedierii este ridicat. Odată cu intrarea în vigoare a Convenției Minamata (2013), mai mult de 90% din țările din lume s-au angajat să elimine treptat metoda Mercur până în 2020. Ca cel mai mare producător de clor-alcalie din lume, China a interzis complet procesul de poluare a mercurului în 2017, reducând complet un singur proces de sodă-caustică de sodă și promovând transformarea industriei la un singur proces al ionului memranei. Astăzi, doar câteva țări precum India și Pakistan păstrează în continuare mai puțin de 5% din capacitatea de producție de mercur și se confruntă cu o presiune internațională severă a mediului.

4. Managementul produsului secundar și reciclarea resurselor

Utilizarea de înaltă valoare a clorului

Produse chimice de bază: Utilizat în producția de PVC (30–40% din cererea de clor) și sinteza de oxid de propilenă.

Aplicații de înaltă calitate: Clor de calitate electronică (mai mare sau egală cu 99,999% puritate) pentru comenzile de gravură semiconductor de 5–8 ori mai mult decât prețul clorului de calitate industrială.

Tratament de urgență: CL₂ accidental este absorbit într-un scrubber NaOH în două etape (concentrație de 15-20%), asigurând emisii<1 mg/m³.

Recuperarea și utilizarea hidrogenului

Sinteza acidului clorhidric: A reacționat cu CL₂ pentru a produce HCl pentru murături și produse farmaceutice.

Energie verde: Hidrogen purificat alimentează celulele de combustibil sau sinteza amoniacului, cu o plantă reducând amprenta de carbon cu 60% prin integrarea hidrogenului.

Controlul siguranței: Conductele de hidrogen încorporează arestări de flacără și dispozitive de salvare a presiunii, cu monitorizare în timp real H₂\/Cl₂ pentru a preveni exploziile.

5. Tehnologiile de optimizare a proceselor și de economisire a energiei

Tehnologia catodului oxigen

Principiu: Înlocuirea evoluției hidrogenului cu reducerea oxigenului scade tensiunea celulară cu {{0}}. 8–1.0 V, reducând consumul de energie la<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Aplicație: Beijing University of Chemical Technology 50, 000- ton\/an a obținut o economie de energie de 30%.

Electrolizere cu densitate mare de curent

Avansare: Creșterea densității curentului de la 4 ka\/m² la 6 ka\/m² crește capacitatea cu 30%, comercializată de Asahi Kasei (Japonia) și Thyssenkrupp (Germania).

Transformare digitală

Sisteme de control inteligente: AI algorithms optimize current efficiency to >96% și prezice durata de viață a membranei cu<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

Inspecție alimentat de AI: Plantele chimice bazate pe Hangzhou folosesc roboți echipați cu AI pentru a inspecta instalațiile de clor, obținând o precizie de 99,99% în detectarea blocajelor tubului de teflon.

6. Provocări de mediu și tehnologii de producție curată

Tratarea apelor uzate

Declorare: Dechlorare în vid (CL₂ rezidual<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% reutilizare.

Descărcare de lichid zero (ZLD): Evaporarea cu mai multe efecte (MVR) cristalizează sarea industrială, implementată în Xinjiang și Shandong.

Tratarea gazelor de eșapament

Controlul de ceață a acidului sulfuric: Electrostatic precipitators (>99% eficiență) și spălare umedă îndeplinesc standardele de emisie GB 16297-2025.

Prevenirea poluării mercurului: Catalizatorii de mercur scăzut sunt promovați, Yunnan Salt și Haohua Yuhang primind finanțare de stat pentru catalizatorul fără mercur.

Gestionarea deșeurilor solide

Reciclarea membranei: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% eficiență.

Utilizarea nămolului de sare: Utilizat în materiale de construcție sau capace de deșeuri, cu utilizarea 100% cuprinzătoare a zgurii din carbură.