Kloor{0}}leeliseprotsessil põhinev seebikivitehas ei ole üks masin, vaid pidev elektrokeemiline tootmissüsteem. Tehase iga sektsioon teostab konkreetse transformatsiooni- või puhastamisetapi.
Soolvee valmistamise süsteem
Soolvee valmistamise süsteem muudab tahke tööstussoola (NaCl) küllastunud soolveeks, mis sobib elektrolüüsi söötmiseks. Enamiku membraani kloor-leeliste puhul on soolvee sihtkontsentratsiooniks ligikaudu 300–310 g/l NaCl.
Süsteem sisaldab tavaliselt soola lahustamispaaki, segajaid, jämedat filtreerimisekraani ja soolvee tsirkulatsiooni. Lahustuspaak on kavandatud säilitama kontrollitud viibimisaega, tavaliselt 2–4 tundi, et tagada naatriumkloriidi kristallide täielik lahustumine.
Lahustumata lisandid, nagu liiv, savi ja lahustumatud soolad, eemaldatakse settimise või hüdrotsükloni eraldamise teel. Väljundsoolvesi kantakse seejärel puhastussektsiooni.
Selle alamsüsteemi ülesehitus on otseselt seotud membraanirakkude elueaga, kuna hõljuvad ained üle 1 mg/l võivad kiirendada membraani saastumist ja aja jooksul raku pinget suurendada.
Soolvee puhastusüksus
Soolvee puhastussüsteem eemaldab kahevalentsed katioonid, nagu kaltsium (Ca²⁺), magneesium (Mg²⁺) ja raskmetallide jäljed, mis häirivad membraani tööd. Membraani kloor-leeliste süsteemides tuleb kaltsiumi ja magneesiumi kontsentratsiooni tavaliselt vähendada alla 20 ppb (osa miljardi kohta).
Standardne puhastusmeetod on keemiline sadestamine, kasutades naatriumkarbonaati (Na2CO₃) ja naatriumhüdroksiidi (NaOH). Reaktsioonid moodustavad lahustumatu kaltsiumkarbonaadi ja magneesiumhüdroksiidi:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
Need sademed eemaldatakse selitajate või lamellsete settepaakide abil, millele järgneb peenfiltreerimissüsteem, tavaliselt 5–10 mikroni kassettfiltrid.
Poleerimisfiltrid paigaldatakse allavoolu, et tagada elektrolüsaatoritele stabiilne etteande kvaliteet. Soolvee puhastussüsteem sisaldab ka pH kontrollsilmusi ja ORP jälgimist, et säilitada reaktsiooni tõhusust.
Elektrolüüsisüsteem (membraanielemendi sektsioon)
Elektrolüsaator on kloor-leeliseprotsessi tuum. Kaasaegsed taimed kasutavad ioonivahetusmembraanirakke, mis põhinevad tavaliselt perfluorosulfoonhappe (PFSA) membraanidel.
Iga elektrolüüsielement on jagatud anoodikambriks ja katoodikambriks, mis on eraldatud katioon-selektiivse membraaniga. Soolvesi juhitakse anoodikambrisse, kus kloriidiioonid oksüdeeritakse kloorigaasiks:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Katoodi poolel redutseeritakse vesi gaasiliseks vesinikuks ja hüdroksiidioonideks:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Naatriumioonid migreeruvad läbi membraani ja ühinevad hüdroksiidioonidega, moodustades naatriumhüdroksiidi (NaOH).
Tööstuslike membraanirakkude tüüpilised tööparameetrid on järgmised:
Raku temperatuur: 85–95 kraadi
Voolutihedus: 3,0–6,0 kA/m²
Elementide pinge: 3,0–3,3 V
NaOH kontsentratsioon: 30–35 massiprotsenti (rakuvedeliku väljund)
Elektrolüüsisüsteem sisaldab elemendiraame, elektroode (ruteeniumi/iriidiumi kattega titaananood), nikkelkatoode ja hüdraulilisi tihendussüsteeme. Rakkude joondamist ja survejõudu kontrollitakse, et vältida leket ja säilitada membraani terviklikkus.
Alaldi süsteem
Alaldisüsteem muudab võrgu vahelduvvoolu elektrolüüsiks vajalikuks alalisvooluks. Kloor-leelisetehased töötavad tavaliselt väga kõrge alalisvooluga, sageli vahemikus 10 kA kuni 200 kA, sõltuvalt tehase võimsusest.
Alaldi koosneb:
Trafoüksus (samm{0}}alla ja isolatsioon)
Türistor- või IGBT-alaldimoodulid
DC siinid
Jahutussüsteem (õhk-{0}}vesijahutusega)
Väljundpinge on tavaliselt vahemikus 100 V kuni 600 V DC, sõltuvalt korstna konfiguratsioonist. Stabiilsete elektrokeemiliste reaktsioonitingimuste säilitamiseks kontrollitakse voolu pulsatsiooni alla 5%.
Võimsusteguri korrigeerimise süsteemid on sageli integreeritud, et tagada võrgule vastavus, eriti suurtes{0}}tehastes, mille NaOH võimsus ületab 50 000 tonni aastas.
Aurustamissüsteem
Aurustussüsteem suurendab NaOH kontsentratsiooni ligikaudu 30–35% (elektrolüsaatori väljund) kaubandusliku kvaliteediga, näiteks 48% või 50% naatriumhüdroksiidi lahuseni.
Aurutarbimise vähendamiseks kasutatakse tavaliselt multi-aurutamist (MEE). Tüüpiline konfiguratsioon sisaldab 2 kuni 4 aurustusefekti, mis töötavad langeva rõhu all.
Auru sisend on tavaliselt 3–6 baari küllastunud auruga, sõltuvalt seadme konstruktsioonist. Hilisemates etappides hoitakse soojustõhususe parandamiseks vaakumitaset vahemikus -0,08 kuni -0,09 MPa.
Aurusti materjalid peavad kõrgetel temperatuuridel vastu pidama tugevale leeliselisele korrosioonile, seetõttu kasutatakse tavaliselt nikli{0}}põhiseid sulameid või spetsiaalseid roostevaba terasid (nt 316L või dupleksklassid).
Kloori käitlemise süsteem
Elektrolüsaatoris toodetud kloorgaas on märg, kuum ja sisaldab vesiniku ja soolvee udu jälgi. Enne järgnevat kasutamist või veeldamist tuleb see jahutada ja puhastada.
Kloori käitlemise süsteem sisaldab:
Gaasijahutustorn (alandab temperatuuri ~35-40 kraadini)
Udu eemaldajad (eemaldavad kaasas olevad tilgad)
Kloorikuivatussüsteem (kasutades väävelhapet või adsorptsioonikuivatit)
Kompressorid (vedeldamiseks või torujuhtme ülekandmiseks)
Kuiva kloori puhtus on tööstuslikul kasutamisel tavaliselt üle 99,5%. Niiskusesisaldust vähendatakse alla 30 ppm, et vältida korrosiooni allvoolu seadmetes.
Klooriteenustes kasutatavad materjalid valitakse korrosioonikindluse alusel, sealhulgas tavaliselt titaanist, PVC{0}}vooderdatud terasest või FRP torustikust.
Vesiniku taastamise süsteem
Katoodil tekkiv vesinik on tavaliselt veeauruga küllastunud ja sisaldab söövitava udu jälgi. Taastussüsteem teostab eraldamist, jahutamist ja kokkusurumist.
Süsteem sisaldab:
Gaasi{0}}vedeliku eraldaja
Demister seade
Jahutussoojusvaheti
Vesinikkompressor (membraan- või kruvitüüp)
Valikuline puhastusseade (PSA või katalüütiline poleerimine)
Vesiniku puhtus pärast eraldamist ületab tavaliselt 99%. Kastepunkti reguleerimine on torujuhtmetes kondenseerumise vältimiseks ülioluline.
Paljudes tööstusrajatistes on vesinik:
kasutatakse kütusena kateldes või aurusüsteemides
või eksporditakse keemilise sünteesi protsessidesse, nagu ammoniaagi või metanooli tootmine
Automatiseerimissüsteem (PLC/DCS)
Juhtsüsteem integreerib kõik protsessi sektsioonid ühtseks koordineeritud tööplatvormiks. Enamik kaasaegseid kloor-leelisetehaseid kasutavad seadmete-taseme juhtimiseks hajutatud juhtimissüsteeme (DCS) koos programmeeritavate loogikakontrolleritega (PLC).
Võtmed hõlmavad järgmist:
Soolvee kontsentratsiooni juhtimine (juhtivuse{0}}põhine)
Elektrolüsaatori voolu reguleerimine
Rakkude temperatuuri reguleerimine (soolvee tsirkulatsiooni kaudu)
NaOH kontsentratsiooni jälgimine (tiheduse mõõtmine)
Kloori rõhu reguleerimine
Vesiniku rõhu ja voolu reguleerimine
Tüüpilised seadmed hõlmavad järgmist:
juhtivusandurid (vahemik 0–300 mS/cm)
pH analüsaatorid (skaalal 0–14)
diferentsiaalrõhu andurid üle membraanide
voolumõõturid (elektromagnetilised või Coriolise tüüpi)
gaasianalüsaatorid kloori ja vesiniku puhtuse määramiseks
Andmete kogumine salvestatakse tavaliselt 1–5-sekundiliste intervallidega, sõltuvalt süsteemi ülesehitusest. Alarmblokeeringud on rakendatud kloori lekke tuvastamiseks ja vesiniku ülerõhu tingimuste tuvastamiseks.
Seebikivi tehas on kavandatud pideva kontuurisüsteemina, kus toorsool muundatakse kolmeks tootevooks: naatriumhüdroksiid, kloor ja vesinik. Tehase tööstabiilsus sõltub toitesoolvee puhtuse, stabiilse alalisvoolu jaotuse ja kontrollitud termilise tasakaalu säilitamisest nii elektrolüüsi kui ka aurustamise sektsioonides.
Mis tahes kõrvalekalle soolvee lisandite tasemes või alaldi ebastabiilsus mõjutab otseselt membraani pinget ja vähendab süsteemi tõhusust. Seetõttu eelistavad enamik insenerilahendusi ülesvoolu puhastamist ja gaasi töötlemise usaldusväärsust sama palju kui elektrolüsaatorit ennast.
Järeldus (tehniline kokkuvõte)
Protsessitehnilisest vaatenurgast on seebikivi tehas tihedalt integreeritud elektrokeemiline süsteem, mis koosneb keemilisest ettevalmistusest, elektrolüüsist, võimsuse muundamisest, termilisest kontsentreerimisest, gaasi käitlemisest ja automatiseerimiskihtidest.
Igal alamsüsteemil on mõõdetavad tööparameetrid ja tehase jõudluse määrab pigem nende parameetrite stabiilsus kui ükski seadmeüksus.
Üldine disainifilosoofia põhineb kolmel piirangul:
sööda soolvee ioonpuhtus
membraani elektrolüüsi elektriline efektiivsus
kloori ja vesiniku ohutu eraldamine ja käitlemine
Need piirangud määravad kõigi peamiste seadmete konfiguratsiooni kaasaegses kloor-leelisepaigaldises.
