چه تجهیزاتی در کارخانه سود سوزآور وجود دارد؟

یک کارخانه سود سوزآور مبتنی بر فرآیند کلر{0}}قلیایی یک دستگاه واحد نیست بلکه یک سیستم تولید الکتروشیمیایی پیوسته است. هر بخش از گیاه یک مرحله تبدیل یا تصفیه خاص را انجام می دهد.

سیستم آماده سازی آب نمک نمک صنعتی جامد (NaCl) را به آب نمک اشباع مناسب برای تغذیه الکترولیز تبدیل می کند. در اکثر طرح‌های قلیایی کلر{1} غشا، غلظت آب نمک مورد نظر در حدود 300-310 گرم در لیتر NaCl کنترل می‌شود.

این سیستم معمولاً شامل یک مخزن حل نمک، همزن، صفحات فیلتراسیون درشت و یک حلقه گردش آب نمک است. مخزن انحلال برای حفظ زمان ماند کنترل شده، معمولاً 2 تا 4 ساعت، برای اطمینان از انحلال کامل بلورهای کلرید سدیم طراحی شده است.

ناخالصی های حل نشده مانند ماسه، خاک رس و نمک های نامحلول از طریق ته نشینی یا جداسازی هیدروسیکلون حذف می شوند. سپس آب نمک خروجی به بخش تصفیه منتقل می شود.

طراحی این زیرسیستم مستقیماً با عمر سلولی غشا مرتبط است، زیرا مواد جامد معلق بالای 1 میلی گرم در لیتر می توانند رسوب غشاء را تسریع کنند و ولتاژ سلول را در طول زمان افزایش دهند.

سیستم تصفیه آب نمک کاتیون های دو ظرفیتی مانند کلسیم (Ca2+)، منیزیم (Mg2+) و فلزات سنگینی را که با عملکرد غشاء تداخل می کنند، حذف می کند. در سیستم‌های قلیایی کلر{1}غشا، غلظت کلسیم و منیزیم معمولاً باید به کمتر از ppb 20 (بخش در میلیارد) کاهش یابد.

روش تصفیه استاندارد، رسوب شیمیایی با استفاده از کربنات سدیم (Na2CO3) و هیدروکسید سدیم (NaOH) است. این واکنش ها کربنات کلسیم نامحلول و هیدروکسید منیزیم را تشکیل می دهند:

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

این رسوبات با استفاده از زلال سازها یا مخازن ته نشینی لاملا و به دنبال آن سیستم های تصفیه خوب، معمولاً فیلترهای کارتریج 5 تا 10 میکرونی حذف می شوند.

فیلترهای پولیش در پایین دست نصب می شوند تا کیفیت تغذیه پایدار الکترولیزها را تضمین کنند. سیستم تصفیه آب نمک همچنین شامل حلقه های کنترل pH و نظارت ORP برای حفظ کارایی واکنش است.

الکترولیز هسته فرآیند کلر-قلیایی است. گیاهان مدرن از سلول‌های غشایی مبادله یونی استفاده می‌کنند که معمولاً مبتنی بر غشاهای اسید پرفلوئوروسولفونیک (PFSA) است.

هر سلول الکترولایزر به یک محفظه آند و یک محفظه کاتدی تقسیم می شود که توسط یک غشای انتخابی کاتیونی- جدا شده است. آب نمک وارد محفظه آند می شود، جایی که یون های کلرید به گاز کلر اکسید می شوند:

2Cl-→ Cl2 + 2e-

در سمت کاتد، آب به گاز هیدروژن و یون هیدروکسید کاهش می یابد:

2H2O + 2e-→ H2 + 2OH-

یون های سدیم از طریق غشاء مهاجرت می کنند و با یون های هیدروکسید ترکیب می شوند و هیدروکسید سدیم (NaOH) را تشکیل می دهند.

پارامترهای عملیاتی معمول برای سلول های غشایی صنعتی عبارتند از:

دمای سلول: 85-95 درجه

چگالی جریان: 3.0-6.0 kA/m²

ولتاژ سلول: 3.0-3.3 ولت

غلظت NaOH: 30-35 درصد وزنی (خروجی مایع سلولی)

سیستم الکترولایزر شامل قاب های سلولی، الکترودها (آند تیتانیوم با پوشش روتنیوم/ایریدیم)، کاتدهای نیکل و سیستم های آب بندی هیدرولیک است. تراز سلولی و نیروی فشرده سازی برای جلوگیری از نشت و حفظ یکپارچگی غشاء کنترل می شود.

سیستم یکسو کننده برق AC را از شبکه به برق DC مورد نیاز برای الکترولیز تبدیل می کند. کارخانه‌های قلیایی کلر معمولاً در جریان‌های DC بسیار بالا کار می‌کنند، که اغلب بسته به ظرفیت نیروگاه بین 10 تا 200 کیلو آمپر است.

یکسو کننده از موارد زیر تشکیل شده است:

واحد ترانسفورماتور (پله-پایین و جداسازی)

ماژول های یکسو کننده تریستور یا IGBT

باسبارهای DC

سیستم خنک کننده (هوا یا آب{0}}خنک شده)

ولتاژ خروجی معمولاً بین 100 ولت و 600 ولت DC بسته به پیکربندی پشته است. ریپل جریان زیر 5 درصد کنترل می شود تا شرایط واکنش الکتروشیمیایی پایدار حفظ شود.

سیستم‌های تصحیح ضریب توان اغلب برای حفظ انطباق با شبکه یکپارچه می‌شوند، به‌ویژه در نیروگاه‌های مقیاس بزرگ با ظرفیت بیش از 50000 تن در سال NaOH.

سیستم تبخیر غلظت NaOH را از تقریباً 30 تا 35 درصد (خروجی الکترولایزر) به گریدهای تجاری مانند محلول سود سوزآور 48 درصد یا 50 درصد افزایش می دهد.

تبخیر با اثر چندگانه (MEE) معمولاً برای کاهش مصرف بخار استفاده می‌شود. یک پیکربندی معمولی شامل 2 تا 4 اثر تبخیر است که تحت فشار کاهش می یابد.

ورودی بخار معمولاً با بخار اشباع 3 تا 6 بار بسته به طراحی کارخانه است. سطوح خلاء در مراحل بعدی در حدود -0.08 تا -0.09 مگاپاسکال حفظ می شود تا بازده حرارتی بهبود یابد.

مواد اواپراتور باید در برابر خوردگی قلیایی قوی در دماهای بالا مقاومت کنند، بنابراین معمولاً از آلیاژهای پایه نیکل{0} یا فولادهای ضد زنگ مخصوص (مانند 316L یا گریدهای دوبلکس) استفاده می شود.

گاز کلر تولید شده در الکترولایزر مرطوب، داغ و حاوی مقادیری از هیدروژن و غبار نمک است. قبل از استفاده در پایین دست یا مایع سازی، باید خنک و خالص شود.

سیستم انتقال کلر شامل:

برج خنک کننده گاز (کاهش دما به 35-40 درجه)

حذف کننده مه (قطرات حباب شده را حذف کنید)

سیستم خشک کردن کلر (با استفاده از اسید سولفوریک یا خشک کن های جذبی)

کمپرسورها (برای مایع سازی یا انتقال خط لوله)

خلوص کلر خشک معمولاً بالای 99.5 درصد برای مصارف صنعتی کنترل می شود. رطوبت کمتر از 30 ppm کاهش می یابد تا از خوردگی در تجهیزات پایین دست جلوگیری شود.

مواد در سرویس کلر بر اساس مقاومت در برابر خوردگی انتخاب می‌شوند، که معمولاً شامل تیتانیوم، لوله‌های فولادی{0}} PVC یا FRP می‌شود.

هیدروژن تولید شده در کاتد معمولاً با بخار آب اشباع شده و حاوی آثاری از غبار سوزاننده است. سیستم بازیابی جداسازی، خنک سازی و فشرده سازی را انجام می دهد.

این سیستم شامل:

جداکننده مایع-گاز

واحد دمیستر

مبدل حرارتی خنک کننده

کمپرسور هیدروژن (نوع دیافراگمی یا پیچی)

واحد تصفیه اختیاری (PSA یا پرداخت کاتالیزوری)

خلوص هیدروژن پس از جداسازی معمولاً بیش از 99٪ است. کنترل نقطه شبنم برای جلوگیری از تراکم در خطوط لوله بسیار مهم است.

در بسیاری از تاسیسات صنعتی، هیدروژن یکی از موارد زیر است:

به عنوان سوخت در دیگ ها یا سیستم های بخار استفاده می شود

یا به فرآیندهای سنتز شیمیایی مانند تولید آمونیاک یا متانول صادر می شود

سیستم کنترل تمام بخش های فرآیند را در یک پلت فرم عملیاتی هماهنگ ادغام می کند. بیشتر کارخانه‌های کلر{1}}قلیایی مدرن از سیستم‌های کنترل توزیع شده (DCS) همراه با کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) برای کنترل سطح تجهیزات استفاده می‌کنند.

حلقه های کنترل کلیدی عبارتند از:

کنترل غلظت آب نمک (بر اساس رسانایی-)

تنظیم جریان الکترولایزر

کنترل دمای سلول (از طریق گردش آب نمک)

پایش غلظت NaOH (اندازه گیری چگالی)

کنترل فشار کلر

تنظیم فشار و جریان هیدروژن

ابزار دقیق معمولی شامل:

سنسورهای رسانایی (محدوده 0-300 mS/cm)

آنالایزرهای pH (مقیاس 0-14)

سنسورهای فشار تفاضلی در سراسر غشاها

دبی سنج (الکترومغناطیسی یا کوریولیس)

آنالایزرهای گاز برای خلوص کلر و هیدروژن

اکتساب داده ها معمولاً بسته به طراحی سیستم در فواصل 1 تا 5 ثانیه ای ثبت می شود. اینترلاک های هشدار برای تشخیص نشت کلر و شرایط فشار بیش از حد هیدروژن اجرا می شوند.

یک کارخانه سود سوزآور به عنوان یک سیستم حلقه پیوسته طراحی شده است که در آن نمک خام به سه جریان محصول تبدیل می شود: هیدروکسید سدیم، کلر و هیدروژن. پایداری عملیاتی نیروگاه به حفظ خلوص آب نمک خوراک، توزیع جریان DC پایدار و تعادل حرارتی کنترل شده در هر دو بخش الکترولیز و تبخیر بستگی دارد.

هر گونه انحراف در سطوح ناخالصی آب نمک یا ناپایداری یکسو کننده مستقیماً بر ولتاژ غشا تأثیر می گذارد و کارایی سیستم را کاهش می دهد. بنابراین، اکثر طرح های مهندسی، تصفیه بالادست و قابلیت اطمینان انتقال گاز در پایین دست را به همان اندازه که خود الکترولایزر در اولویت قرار می دهند.

از دیدگاه مهندسی فرآیند، کارخانه سود سوزآور یک سیستم الکتروشیمیایی کاملاً یکپارچه است که از آماده سازی شیمیایی، الکترولیز، تبدیل توان، غلظت حرارتی، حمل گاز و لایه های اتوماسیون تشکیل شده است.

هر زیرسیستم دارای پارامترهای عملیاتی قابل اندازه گیری است و عملکرد کارخانه با پایداری این پارامترها به جای هر واحد تجهیزاتی مشخص می شود.

فلسفه طراحی کلی بر سه قید استوار است:

خلوص یونی آب نمک خوراک

راندمان الکتریکی الکترولیز غشایی

جداسازی و جابجایی ایمن کلر و هیدروژن

این محدودیت‌ها پیکربندی همه تجهیزات اصلی را در یک نصب کلر{0}}قلیایی مدرن تعریف می‌کنند.