מהם תהליכי הייצור העיקריים והעקרונות של מפעל כלור-אלקלי?

1. סקירה כללית של תהליך הייצור הליבה של ענף הכלור-אלקלי

2. עקרונות וציוד של תהליך האלקטרוליזה של קרום יון

3. היסטוריה ומגבלות של שיטת הסרעפת ושיטת הכספית

4. טיפול במוצרי לוואי ומיחזור משאבים

5. אופטימיזציה של תהליכים והתקדמות טכנולוגית חוסכת אנרגיה

6. אתגרים סביבתיים וטכנולוגיית ייצור נקייה

1. סקירה כללית של תהליכי ייצור הליבה 

צמחי כלור-אלקלי מייצרים סודה קאוסטית (NAOH), כלור (CL₂) ומימן (H₂) דרך האלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלוריד (NACL), אבן יסוד של התעשייה הכימית הבסיסית. מעל 90% מהיכולת העולמית של כלור-אלקלי מעסיקה אתתהליך ממברנה חילופי יונים, כאשר הנותרים משתמשים בשלב החוצהדִיאָפרַגמָהוכןתא מרקורישיטות.

2. עקרונות וציוד של תהליך הממברנה של חילופי היונים

מנגנון ליבה

ממברנות חילופי היונים המובלחים, הכוללים עמוד שדרה של שרשראות פלואור-פחמן עם קבוצות פונקציונליות חומציות סולפוניות, מציג עמידות מעולה לקורוזיה והשפלות כימיות, ושומר על ביצועים יציבים אפילו בסביבות חומציות (אנודה) וסביבות אלקליין (קתודה). כדי לייעל עוד יותר את יעילות הממברנה, התהליך משלב מערכות טיפול מראש מתקדמות במי מלח, כגון סינון כפול שלב וכרומטוגרפיה של יונים, המפחיתים את זיהומי העקבות כמו ברזל וסיליקה לרמות תת-PPB, ובכך מונעים עבירות ממברנה והרחבת חיי הפעלה ב 20-30%. בנוסף, התכנון המשולב של מערכת האלקטרוליזה מאפשר ויסות מדויק של פער האנודה-קתודה לפחות מ- 2 מ"מ, למזער את ההתנגדות האוהמית ולהוריד עוד יותר את צריכת האנרגיה על ידי 5-8% נוספים בהשוואה לעיצובים קונבנציונליים. לבסוף, התהליך מאפשר ייצור רציף של סודה קאוסטית טוהרת גבוהה עם תכולת נתרן כלוריד עקבית מתחת ל 50 עמודים לדקה, ומבטל את הצורך בצעדי התפלה במורד הזרם והופך אותו לאידיאלי לתביעות יישומים בתעשיות תרופות, אלקטרוניקה ותעשיות עיבוד מזון.

ציוד מפתח

אלקטרוליזרים: מסווג לסוגים דו קוטביים ומונופולריים. אלקטרוליזרים דו קוטביים פועלים בסדרה עם מתח גבוה אך תופסים פחות מקום, בעוד שמונופולרים פועלים במקביל לזרם גבוה הדורש מיישרים עצמאיים. עיצובים מודרניים של "אפס-פער" מפחיתים את מרווח האלקטרודות ל<1 mm for further energy savings.

מערכות טיהור מלח: הסרת סולפט מבוססת קרום (למשל, מערכת זיקוק מלח רויפו) וספיחת שרף צ'לציה מפחיתים את Ca²⁺ ו- Mg²⁺ ל-<1 ppm, extending membrane lifespan.

יחידות לטיפול בכלור ומימן: כלור מקורר (12–15 מעלות) ומיובש עם 98% H₂SO₄ לפני הדחיסה לייצור PVC; מימן מקורר, דחוס ומשמש לסינתזת חומצה הידרוכלורית או כדלק.

3. הקשר היסטורי ומגבלות של תהליכי סרעפת וכספית

עקרון התהליך והיישום ההיסטורי של שיטת הסרעפת
הסרעפת אלקטרוליזר משתמשת בסרעפת אסבסט נקבובית כמחסום פיזי בין תאי האנודה לתאי הקתודה. עיקרון הליבה הוא להשתמש בסלקטיביות של גודל הנקבוביות של הסרעפת (כ -10 ~ 20 מיקרון) כדי לאפשר לאלקטרוליט (תמיסת NaCl) לעבור, תוך מניעת ערבוב של גזי Cl₂ ו- H₂ שנוצרו. באנודה, Cl⁻ מאבד אלקטרונים לייצור Cl₂ (2Cl⁻ - 2 e⁻ → Cl₂ ↑); בקתודה, H₂O זוכה לאלקטרונים כדי לייצר H₂ ו- OH⁻ (2H₂O + 2 e⁻ → H₂ ↑ + 2 OH⁻), ו- OH⁻ משתלבת עם Na⁺ ליצירת NaOH. מכיוון שסרעפת האסבסט אינה יכולה לחסום לחלוטין את הנדידה ההפוכה של Na⁺, תמיסת NaOH המיוצרת בקתודה מכילה כ -1% NaCl, עם ריכוז של 10 ~ 12% בלבד, וצריך לרכוש אותו ליותר מ -30% על ידי אידוי כדי לענות על צרכים תעשייתיים. תהליך זה היה בשימוש נרחב במאה העשרים באמצע עד המאה העשרים. סין הסתמכה פעם על טכנולוגיה זו כדי לפתור את בעיית המחסור בחומרי גלם כימיים בסיסיים, אך עם שיפור המודעות הסביבתית, נחשפו בהדרגה הפגמים הגלומים שלה.

ליקויים קטלניים ותהליך חיסול של שיטת הסרעפת
שלושת החסרונות העיקריים של שיטת הסרעפת הובילו בסופו של דבר להחלפתו המקיפה:
צריכת אנרגיה גבוהה ויעילות נמוכה: בשל ההתנגדות הגבוהה של סרעפת האסבסט, מתח התא גבוה עד 3.5 ~ 4.5 וולט, וצריכת החשמל לטון של אלקלי היא 3000 ~ 3500 קוט"ש, שהיא 40 ~ 70% גבוהה יותר משיטת קרום היון. זה מתאים רק לאזורים עם מחירי חשמל נמוכים;

טוהר מוצר לא מספיק: תמיסת האלקלי המדוללת המכילה NaCl זקוקה לאידוי והתפלה נוספים, מה שמגדיל את עלות התהליך ואינו יכול לעמוד בביקוש ל- NAOH טוהר בשדות מתקדמים (כמו פירוק אלומינה);
משבר זיהום אסבסט: סיבי אסבסט משתחררים בקלות לאוויר ושפכים במהלך תהליך הייצור. חשיפה לטווח הארוך מובילה למחלות כמו סרטן ריאות. הסוכנות הבינלאומית למחקר על סרטן (IARC) רשמה אותה כמסרטן מסוג I כבר בשנת 1987. בשנת 2011, סין תיקנה את "ההנחיות להתאמת מבנה תעשייתי", אשר הצהירה בבירור כי כל הסרעפת של מפעלי סודה קאוסטיים יושטלו עד 2015, עם סך של יותר מ -5 מיליון טונים\/שנה של כיבוי כושר הייצור.

תהליך אלקטרוליזה של מרקורי: רעילות כספית סכנות נסתרות מאחורי טוהר גבוה
מאפיינים טכניים וערך היסטורי של שיטת הכספית
שיטת הכספית הייתה בעבר "תהליך יוקרתי" לייצור סודה קאוסטית טוהרת גבוהה בגלל התכונות הייחודיות של קתודה של מרקורי. העיקרון שלה הוא להשתמש בכספית כקתודה ניידת. במהלך תהליך האלקטרוליזה, Na⁺ וכספית יוצרים אמלגם נתרן (סגסוגת Na-Hg), ואז אמלגם הנתרן מגיב במים כדי לייצר 50% ריכוז גבוה NaOH (Na-Hg + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), אשר ניתן להשתמש בהם ישירות ללא אידוי וריכוז. היתרון המשמעותי בתהליך זה הוא שהתפוקה NaOH היא טהורה ביותר (תוכן 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.

אסון זיהום כספית ותהליך איסור עולמי
הפגם הקטלני של שיטת הכספית הוא הזיהום הבלתי הפיך של כספית:
התנודתיות של אדי כספית: כספית נמלטת בצורה של אדים במהלך אלקטרוליזה, וריכוז הכספית בסביבת העבודה עולה על הסטנדרט בעשרות פעמים, וכתוצאה מכך התרחשה אירועי הרעלת כספית תכופים בקרב עובדים (כמו מחלת מינאמטה המקרה ביפן בשנת 1956, אשר נגרמו כתוצאה מזיהום תמימות);

סכנות פריקת שפכים: בערך 10-20 גרם כספית אבוד עבור כל טון של NaOH המיוצר, שמומר למתילמרקורי לאחר כניסתו לגוף המים, ומועשר דרך שרשרת המזון כדי לפגוע במערכת האקולוגית;
קושי במיחזור: למרות שניתן לשחזר כספית על ידי זיקוק, הפעולה לטווח הארוך עדיין מובילה לתכולת כספית מוגזמת באדמה, ועלות התיקון גבוהה. עם כניסתו לתוקף של ועידת מינמטה (2013), יותר מ- 90% מהמדינות בעולם התחייבו לשלב את שיטת הכספית עד 2020. כמפיק הכלור-אלקאלי הגדול בעולם, סין אסרה לחלוטין את מעבד הכספית ב -2017, חיתוך לחלוטין את "שרשרת הסודה-אוסטה-כספית" והפרטציה של היישום של התעשייה. כיום, רק מדינות בודדות כמו הודו ופקיסטן עדיין שומרות פחות מ- 5% מכושר הייצור של הכספית ומתמודדות עם לחץ סביבתי בינלאומי חמור.

4. ניהול תוצרי לוואי ומיחזור משאבים

ניצול ערך גבוה בכלור

כימיקלים בסיסיים: משמש בייצור PVC (30-40% מהביקוש לכלור) וסינתזת תחמוצת פרופילן.

יישומים יוקרתיים: כלור בדרגה אלקטרונית (גדול יותר או שווה ל 99.999% טוהר) עבור פקודות תחריט מוליכים למחצה פי 5-8 ממחיר הכלור בדרגה תעשייתית.

טיפול חירום: CL₂ מקרי נספג במקרצף NaOH דו-שלבי (ריכוז 15-20%), ומבטיח פליטות<1 mg/m³.

התאוששות וניצול מימן

סינתזה של חומצה הידרוכלורית: הגיב עם CL₂ כדי לייצר HCL עבור כבישה ותרופות.

אנרגיה ירוקה: דלקת מימן מטוהרת תאי דלק או סינתזת אמוניה, כאשר צמח אחד מצמצם את טביעת הרגל הפחמית ב- 60% באמצעות שילוב מימן.

בקרת בטיחות: צינורות מימן משלבים מעצרי להבה ומכשירי הקלה בלחץ, עם ניטור טוהר H₂\/CL₂ בזמן אמת למניעת פיצוצים.

5. אופטימיזציה של תהליכים וטכנולוגיות חיסכון באנרגיה

טכנולוגיית קתודה חמצן

עִקָרוֹן: החלפת התפתחות מימן בהפחתת חמצן מורידה את מתח התאים על ידי {{0}}. 8–1.0 V, הפחתת צריכת אנרגיה ל<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

בַּקָשָׁה: 50, 000- טון\/שנה של אוניברסיטת כימיקלים, 000- טון\/שנה השיג 30% חיסכון בחשמל.

אלקטרוליזרים בצפיפות גבוהה-זרם

הִתקַדְמוּת: הגדלת צפיפות הזרם מ -4 ka\/m² ל- 6 ka\/m² מגבירה את הקיבולת ב -30%, ממוסחרת על ידי Asahi Kasei (יפן) ו- Thyssenkrupp (גרמניה).

טרנספורמציה דיגיטלית

מערכות בקרה חכמות: AI algorithms optimize current efficiency to >96% וחיזו אורך חיים ממברנה עם<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

בדיקה המופעלת על ידי AI: מפעלים כימיים מבוססי Hangzhou משתמשים ברובוטים מצוידים ב- AI כדי לבדוק מתקני כלור, ומשיגים דיוק של 99.99% בגילוי חסימות צינורות טפלון.

6. אתגרים סביבתיים וטכנולוגיות ייצור נקייה

טיפול בשפכים

דה -כלור: Dechlorination vacuum (Cl₂ שיורי<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >שימוש חוזר של 95%.

אפס פריקה נוזלית (ZLD): אידוי רב אפקטים (MVR) מגבש מלח תעשייתי, מיושם ב- Xinjiang ובשנדונג.

טיפול בגז פליטה

בקרת ערפל חומצה גופרתית: Electrostatic precipitators (>יעילות של 99%) וקרצוף רטוב פוגש תקני פליטה GB {}}}.

מניעת זיהום כספית: זרזים נמוכים עם מרקוריים מקודמים, כאשר מלח יונאן והוהואה יוהאנג מקבלים מימון מדינה למו"פ נטול כספית.

ניהול פסולת מוצקה

מיחזור ממברנה: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >יעילות של 98%.

ניצול בוצה מלח: משמש בחומרי בניין או כיסויי הטמנה, עם ניצול מקיף של 100% של סיגים קרביד.