איזה ציוד כלול במפעל סודה קאוסטית?

מפעל סודה קאוסטית המבוסס על תהליך הכלור-אלקלי אינו מכונה אחת אלא מערכת ייצור אלקטרוכימית מתמשכת. כל חלק של הצמח מבצע שלב טרנספורמציה או טיהור ספציפי.

מערכת הכנת המלח ממירה מלח תעשייתי מוצק (NaCl) לתמלחת רוויה המתאימה להזנת אלקטרוליזה. ברוב העיצובים האלקליים של כלור-, ריכוז התמלחת היעד נשלט על כ-300-310 גרם/ליטר NaCl.

המערכת כוללת בדרך כלל מיכל להמסת מלח, מערבלים, מסכי סינון גס ולולאת זרימת מי מלח. מיכל הפירוק נועד לשמור על זמן שהייה מבוקר, בדרך כלל 2-4 שעות, כדי להבטיח פירוק מלא של גבישי נתרן כלורי.

זיהומים לא מומסים כגון חול, חימר ומלחים בלתי מסיסים מוסרים באמצעות שיקוע או הפרדת הידרוציקלונים. לאחר מכן מועברת תמלחת הפלט למדור הטיהור.

העיצוב של תת-מערכת זו קשור ישירות לחיי תאי הממברנה, שכן מוצקים מרחפים מעל 1 מ"ג/ליטר יכולים להאיץ את התכלות הממברנה ולהגדיל את מתח התא לאורך זמן.

מערכת טיהור המלח מסירה קטיונים דו ערכיים כגון סידן (Ca²⁺), מגנזיום (Mg²⁺), ומתכות כבדות עקבות המפריעות לביצועי הממברנה. במערכות אלקליות-ממברניות, ריכוזי סידן ומגנזיום חייבים בדרך כלל להיות מופחתים מתחת ל-20 ppb (חלקים למיליארד).

שיטת הטיהור הסטנדרטית היא משקעים כימיים באמצעות נתרן קרבונט (Na₂CO₃) ונתרן הידרוקסיד (NaOH). התגובות יוצרות סידן פחמתי בלתי מסיס ומגנזיום הידרוקסיד:

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

משקעים אלו מוסרים באמצעות מטלים או מיכלי שקיעת למלות ואחריהם מערכות סינון עדינות, בדרך כלל מסנני מחסניות בגודל 5-10 מיקרון.

מסנני ליטוש מותקנים במורד הזרם כדי להבטיח איכות הזנה יציבה לאלקטרוליזרים. מערכת טיהור המלח כוללת גם לולאות בקרת pH וניטור ORP לשמירה על יעילות התגובה.

האלקטרוליזר הוא הליבה של תהליך הכלור-אלקלי. צמחים מודרניים משתמשים בתאי ממברנת חילופי יונים-, המבוססים בדרך כלל על ממברנות של חומצה פרפלואורסולפונית (PFSA).

כל תא אלקטרוליזר מחולק לתא אנודה ותא קתודה המופרדים על ידי ממברנה סלקטיבית של קטיון-. מי מלח מוזנת לתא האנודה, שם מתחמצנים יוני כלור לגז כלור:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

בצד הקתודה, המים מופחתים לגז מימן וליוני הידרוקסיד:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

יוני נתרן נודדים דרך הממברנה ומתאחדים עם יוני הידרוקסיד ליצירת נתרן הידרוקסיד (NaOH).

פרמטרי פעולה אופייניים לתאי ממברנה תעשייתיים כוללים:

טמפרטורת התא: 85-95 מעלות

צפיפות זרם: 3.0–6.0 kA/m²

מתח תא: 3.0–3.3 וולט

ריכוז NaOH: 30-35% משקל (תפוקת משקאות חריפים בתאים)

מערכת האלקטרוליזר כוללת מסגרות תאים, אלקטרודות (אנודת טיטניום עם ציפוי רותניום/אירידיום), קתודות ניקל ומערכות איטום הידראוליות. יישור התא וכוח הדחיסה נשלטים כדי למנוע דליפה ולשמור על שלמות הממברנה.

מערכת המיישרים ממירה מתח AC מהרשת להספק DC הנדרש לאלקטרוליזה. מפעלי כלור-אלקלי פועלים בדרך כלל בזרמי DC גבוהים מאוד, לרוב בטווח של 10 kA עד 200 kA בהתאם לקיבולת המפעל.

המיישר מורכב מ:

יחידת שנאי (צעד-למטה ובידוד)

מודולי תיריסטור או מיישר IGBT

פסי אוטובוס DC

מערכת קירור (מקורר אוויר או מים-)

מתח המוצא הוא בדרך כלל בין 100 וולט ל-600 וולט DC בהתאם לתצורת המחסנית. אדוות זרם נשלטת מתחת ל-5% כדי לשמור על תנאי תגובה אלקטרוכימיים יציבים.

מערכות תיקון גורם כוח משולבות לעתים קרובות כדי לשמור על תאימות לרשת, במיוחד במפעלים-בקנה מידה גדול העולה על קיבולת NaOH של 50,000 טון לשנה.

מערכת האידוי מגדילה את ריכוז ה-NaOH מכ-30-35% (תפוקת אלקטרוליזר) לדרגות מסחריות כגון תמיסת סודה קאוסטית של 48% או 50%.

נידוף -רב אפקט (MEE) משמש בדרך כלל כדי להפחית את צריכת הקיטור. תצורה טיפוסית כוללת 2 עד 4 השפעות אידוי הפועלות תחת לחץ פוחת.

כניסת הקיטור היא בדרך כלל ב-3-6 בר קיטור רווי בהתאם לתכנון המפעל. רמות ואקום בשלבים מאוחרים יותר נשמרות סביב -0.08 עד -0.09 MPa כדי לשפר את היעילות התרמית.

חומרי המאייד חייבים לעמוד בפני קורוזיה אלקלית חזקה בטמפרטורות גבוהות, לכן נעשה שימוש נפוץ בסגסוגות על בסיס ניקל- או פלדות אל חלד מיוחדות (כגון 316L או דופלקס).

גז הכלור המיוצר במכשיר האלקטרוליזר הוא רטוב, חם ומכיל עקבות של מימן וערפל מלח. לפני שימוש או נזילות במורד הזרם, יש לקרר ולטהר אותו.

מערכת הטיפול בכלור כוללת:

מגדל קירור גז (מפחית את הטמפרטורה ל-~35-40 מעלות)

מסלקי ערפל (הסר טיפות נגררות)

מערכת ייבוש כלור (באמצעות חומצה גופרתית או מייבשי ספיחה)

מדחסים (להנזלה או העברת צינורות)

טוהר הכלור היבש נשלט בדרך כלל מעל 99.5% לשימוש תעשייתי. תכולת הלחות מופחתת מתחת ל-30 ppm כדי למנוע קורוזיה בציוד במורד הזרם.

חומרים בשירות כלור נבחרים על סמך עמידות בפני קורוזיה, בדרך כלל כולל טיטניום, פלדה מרופדת- PVC או צנרת FRP.

מימן שנוצר בקתודה רווי בדרך כלל באדי מים ומכיל עקבות של ערפל קאוסטי. מערכת השחזור מבצעת הפרדה, קירור ודחיסה.

המערכת כוללת:

מפריד נוזלים-גז

יחידת דמיסטר

מחליף חום קירור

מדחס מימן (סוג דיאפרגמה או בורג)

יחידת טיהור אופציונלית (PSA או ליטוש קטליטי)

טוהר המימן לאחר ההפרדה בדרך כלל עולה על 99%. בקרת נקודת הטל היא קריטית למניעת עיבוי בצנרת.

במתקנים תעשייתיים רבים, מימן הוא:

משמש כדלק בדוודים או במערכות קיטור

או מיוצא לתהליכי סינתזה כימית כגון ייצור אמוניה או מתנול

מערכת הבקרה משלבת את כל חלקי התהליך לפלטפורמת הפעלה אחת מתואמת. רוב מפעלי הכלור האלקליים המודרניים- משתמשים במערכות בקרה מבוזרות (DCS) בשילוב עם בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC) לשליטה ברמת הציוד-.

לולאות שליטה מפתחות כוללות:

בקרת ריכוז מי מלח (מבוסס-מוליכות)

ויסות זרם אלקטרוליזר

בקרת טמפרטורת התא (באמצעות זרימת מי מלח)

ניטור ריכוזי NaOH (מדידת צפיפות)

בקרת לחץ כלור

ויסות לחץ מימן וזרימה

מכשור אופייני כולל:

חיישני מוליכות (טווח 0-300 mS/cm)

מנתחי pH (סולם 0-14)

חיישני לחץ דיפרנציאלי על פני ממברנות

מדי זרימה (סוג אלקטרומגנטי או קוריוליס)

מנתחי גז לטוהר כלור ומימן

רכישת נתונים נרשמת בדרך כלל במרווחים של 1-5 שניות בהתאם לתכנון המערכת. נעילות אזעקה מיושמות לזיהוי דליפת כלור ותנאי לחץ יתר של מימן.

מפעל סודה קאוסטית מתוכנן כמערכת לולאה רציפה שבה מלח גולמי הופך לשלושה זרמי מוצר: נתרן הידרוקסיד, כלור ומימן. היציבות התפעולית של המפעל תלויה בשמירה על טוהר תמלחת הזנה, חלוקת זרם DC יציבה ואיזון תרמי מבוקר הן בקטעי האלקטרוליזה והן באידוי.

כל סטייה ברמות זיהום המלח או חוסר יציבות המיישר משפיעה ישירות על מתח הממברנה ומפחיתה את יעילות המערכת. לכן, מרבית התכנונים ההנדסיים נותנים עדיפות לטיהור במעלה הזרם ואמינות טיפול בגז במורד הזרם, כמו האלקטרוליזר עצמו.

מנקודת מבט של הנדסת תהליכים, מפעל סודה קאוסטית הוא מערכת אלקטרוכימית משולבת היטב המורכבת משכבות הכנה כימיות, אלקטרוליזה, המרת הספק, ריכוז תרמי, טיפול בגז ואוטומציה.

לכל תת-מערכת יש פרמטרי הפעלה שניתנים למדידה, וביצועי המפעל נקבעים על ידי היציבות של פרמטרים אלה ולא על ידי כל יחידת ציוד בודדת.

פילוסופיית העיצוב הכוללת מבוססת על שלושה אילוצים:

טוהר יוני של תמיסת הזנה

יעילות חשמלית של אלקטרוליזה של ממברנה

הפרדה וטיפול בטוחים בכלור ומימן

אילוצים אלה מגדירים את התצורה של כל הציוד העיקרי במתקן כלור-אלקלי מודרני.