Quins són els principals processos de producció i principis d’una planta de clor-alcali?

1. Visió general del procés de producció bàsica de la indústria del clor-alcali

2. Principis i equips del procés d’electròlisi de membrana iònica

3. Història i limitacions del mètode de diafragma i del mètode de mercuri

4. Tractament per subproductes i reciclatge de recursos

5. Optimització de processos i progrés de tecnologia d’estalvi d’energia

6. Reptes ambientals i tecnologia de producció neta

1. Visió general dels processos de producció bàsics 

Les plantes de clor-alcali produeixen soda càustica (NaOH), clor (Cl₂) i hidrogen (H₂) mitjançant l’electròlisi de la solució de clorur de sodi (NaCl), una pedra angular de la indústria química bàsica. Més del 90% de la capacitat mundial de chlor-alcali utilitza elProcés de membrana d’intercanvi d’ions, amb la resta utilitzant el progrés de fasediafragmaicel·la de mercuriMètodes.

2. Principis i equips del procés de membrana d’intercanvi d’ions

Mecanisme bàsic

Les membranes d’intercanvi d’ions perfluorinitzades, amb una columna vertebral de cadenes de fluorocarburs amb grups funcionals d’àcid sulfonic, presenten una resistència superior a la corrosió i la degradació química, mantenint un rendiment estable fins i tot en ambients altament àcids (anodes) i alcalins (càtodes). Per optimitzar encara més l’eficiència de la membrana, el procés incorpora sistemes avançats de pretractament de salmorra, com la filtració de doble etapa i la cromatografia d’ions, que redueixen les impureses de traça com el ferro i la sílice als nivells de sub-PPB, impedint així el fouling de membrana i ampliant la vida operativa del 20-30%. Addicionalment, el disseny integrat del sistema d’electròlisi permet una regulació precisa de la bretxa del cathode anode fins a menys de 2 mm, minimitzant la resistència ohmica i disminuir el consum d’energia en un 5-8% addicional en comparació amb els dissenys convencionals. Finalment, el procés permet la producció contínua de soda càustica d’alta puresa amb un contingut consistent de clorur de sodi per sota de 50 ppm, eliminant la necessitat de passos de dessalinització aigües avall i que el fan ideal per exigir aplicacions en productes farmacèutics, electrònics i indústries de processament d’aliments.

Equipament clau

Electrolitzadors: Classificat en tipus bipolars i monopolars. Els electrolitzadors bipolars funcionen en sèrie amb alta tensió, però ocupen menys espai, mentre que els monopolars funcionen en paral·lel amb un gran corrent que requereix rectificadors independents. Els dissenys moderns de "gap zero" redueixen l'espai entre els elèctrodes<1 mm for further energy savings.

Sistemes de purificació de salmorra: Eliminació de sulfat basada en membrana (per exemple, el sistema de refinació de salmorra ruipu) i l'adsorció de resina quelant redueixen Ca²⁺ i Mg²⁺ a<1 ppm, extending membrane lifespan.

Unitats de tractament de clor i hidrogen: El clor es refreda (12-15 graus) i s’asseca amb un 98% H₂so₄ abans de la compressió per a la producció de PVC; L’hidrogen es refreda, es comprimeix i s’utilitza per a la síntesi d’àcid clorhídric o com a combustible.

3. Context històric i limitacions dels processos de diafragma i mercuri

El principi del procés i l’aplicació històrica del mètode de diafragma
L’electrolitzador de diafragma utilitza un diafragma d’amiant porós com a barrera física entre l’ànode i les cambres del càtode. El principi bàsic és utilitzar la selectivitat de la mida dels porus del diafragma (uns 10 ~ 20 micres) per permetre que l’electròlit (solució NaCl) passi, alhora que impedeixen que es barregin els gasos Cl₂ i H₂ generats. A l’ànode, Cl⁻ perd electrons per generar Cl₂ (2Cl⁻ - 2 e⁻ → Cl₂ ↑); Al càtode, h₂o guanya electrons per generar h₂ i oh⁻ (2h₂o + 2 e⁻ → h₂ ↑ + 2 oh⁻), i OH⁻ es combina amb Na⁺ per formar NaOH. Com que el diafragma de l’amiant no pot bloquejar completament la migració inversa de Na⁺, la solució NaOH produïda al càtode conté aproximadament un 1% de NaCl, amb una concentració de només un 10 ~ 12% i s’ha de concentrar a més d’un 30% per evaporació per satisfer les necessitats industrials. Aquest procés es va utilitzar àmpliament a mitjan segle XX. La Xina es va basar en aquesta tecnologia per resoldre el problema de l'escassetat de matèries primeres químiques bàsiques, però amb la millora de la consciència ambiental, els seus defectes inherents es van exposar gradualment.

Defectes mortals i procés d’eliminació del mètode de diafragma
Els tres desavantatges bàsics del mètode de diafragma van provocar el seu reemplaçament complet:
Alt consum energètic i baixa eficiència: a causa de l’alta resistència del diafragma d’amiant, la tensió cel·lular és tan alta com 3,5 ~ 4,5V, i el consum d’energia per tona d’alcali és de 3000 ~ 3500 kWh, que és un 40 ~ 70% superior al mètode de la membrana iònica. Només és adequat per a zones amb preus baixos elèctrics;

Puresa de productes insuficient: la solució diluïda alcalí que conté NaCl necessita evaporació i dessalinització addicionals, cosa que augmenta el cost del procés i no pot satisfer la demanda de NaOH d’alta puresa en camps de gamma alta (com la dissolució d’alúmina);
Crisi de la contaminació de l’amiant: les fibres d’amiant s’alliberen fàcilment a l’aire i a les aigües residuals durant el procés de producció. L’exposició a llarg termini condueix a malalties com el càncer de pulmó. L’Agència Internacional per a la Recerca sobre el Càncer (IARC) la va enumerar com a cancerigen de classe I fins al 1987. El 2011, la Xina va revisar les “Directrius per a l’ajust de l’estructura industrial”, que va afirmar clarament que totes les plantes de soda càustiques del diafragma s’eliminarien el 2015, amb un total de més de 5 milions de tones\/any de producció que s’apaguen.

Procés d’electròlisi de mercuri: Toxicitat de mercuri amagat perills darrere de l’alta puresa
Característiques tècniques i valor històric del mètode de mercuri
El mètode de Mercuri va ser una vegada un "procés de gamma alta" per produir soda càustica d'alta puresa a causa de les propietats úniques del càtode de mercuri. El seu principi és utilitzar Mercuri com a càtode mòbil. Durant el procés d’electròlisi, Na⁺ i mercuri formen amalgama sòdic (aliatge Na-Hg), i l’amalgama de sodi reacciona amb l’aigua per generar un 50% de NaOH d’alta concentració (Na-Hg + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), que es pot utilitzar directament sense evaporació i concentració. L’avantatge significatiu d’aquest procés és que la NAOH de sortida és extremadament pura (contingut 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.

Desastre de contaminació per mercuri i procés de prohibició global
El defecte fatal del mètode de mercuri és la contaminació irreversible de Mercuri:
Volatilització del vapor de mercuri: el mercuri s’escapa en forma de vapor durant l’electròlisi i la concentració de mercuri en l’entorn de treball sovint supera la norma en desenes de vegades, donant lloc a incidents d’intoxicació per mercuri freqüents entre els treballadors (com l’incident de la malaltia de Minamata al Japó el 1956, que va ser causada per la contaminació per mercuri);

Riscos de descàrrega de les aigües residuals: es perden grams de mercuri aproximadament 10-20 per cada tona de NaOH produïda, que es converteix en metilmercuri després d’entrar al cos d’aigua i es va enriquir a través de la cadena alimentària per perjudicar l’ecosistema;
Dificultat en el reciclatge: tot i que el mercuri es pot recuperar per destil·lació, l’operació a llarg termini encara condueix a un contingut excessiu de mercuri al sòl i el cost de la remediació és elevat. Amb l’entrada en vigor de la Minamata Convention (2013), més del 90% dels països del món s’han compromès a eliminar el mètode de mercuri el 2020. Com a productor més gran del clor-alcali del món, la Xina va prohibir completament el procés de mercuri el 2017, tallant completament la "cadena de contaminació de SODA de mercuri-possibles i promocionant la transformació del sector a un procés únic. Avui, només uns quants països com l’Índia i el Pakistan encara conserven menys del 5% de la capacitat de producció de mercuri i s’enfronten a una forta pressió ambiental internacional.

4. Gestió de subproductes i reciclatge de recursos

Utilització d’alt valor de clor

Productes químics bàsics: Utilitzat en la producció de PVC (30-40% de la demanda de clor) i la síntesi d'òxid de propilè.

Aplicacions de gamma alta: Clor de grau electrònic (superior o igual al 99,999% de puresa) per a les ordres de gravat de semiconductors 5-8 vegades el preu del clor de grau industrial.

Tractament d'emergència: Cl₂ accidental s'absorbeix en un fregador de NaOH en dues etapes (concentració del 15-20%), assegurant les emissions<1 mg/m³.

Recuperació i utilització d’hidrogen

Síntesi d’àcid clorhídric: Va reaccionar amb Cl₂ per produir HCl per a escabetx i productes farmacèutics.

Energia verda: Hidrogen purificats combustibles de combustible o síntesi d'amoníac, amb una planta que redueix la petjada de carboni en un 60% mitjançant la integració d'hidrogen.

Control de seguretat: Les canonades d'hidrogen incorporen arrestants de flama i dispositius d'alleujament de pressió, amb un control de puresa H₂\/CL₂ en temps real per evitar explosions.

5. Optimització de processos i tecnologies d’estalvi d’energia

Tecnologia del càtode d’oxigen

Principi: Substitució de l'evolució d'hidrogen per la reducció d'oxigen baixa la tensió cel·lular per {{0}}. 8–1,0 V, reduint el consum d'energia a<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Aplicació: La planta de la Universitat de la Tecnologia Química de Beijing, 000- tona\/any, va aconseguir un estalvi de potència del 30%.

Electrolitzadors d’alta densitat de corrent

Avançament: L’augment de la densitat de corrent de 4 ka\/m² a 6 ka\/m² augmenta la capacitat d’un 30%, comercialitzat per Asahi Kasei (Japó) i Thyssenkrupp (Alemanya).

Transformació digital

Sistemes de control intel·ligents: AI algorithms optimize current efficiency to >96% i prediu la vida de la membrana amb<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

Inspecció alimentada per AI: Les plantes químiques basades en Hangzhou utilitzen robots equipats amb AI per inspeccionar les instal·lacions de clor, aconseguint una precisió del 99,99% en la detecció dels bloquejos del tub de tefló.

6. Reptes ambientals i tecnologies de producció neta

Tractament d’aigües residuals

Desclorinació: Declorinació de buit (Cl₂ residual<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >Reutilització del 95%.

Descàrrega de líquid zero (ZLD): L’evaporació de diversos efectes (MVR) cristal·litza la sal industrial, implementada a Xinjiang i Shandong.

Tractament del gas d’escapament

Control de boira d’àcid sulfúric: Electrostatic precipitators (>El 99% d'eficiència) i el fregament humit compleixen els estàndards d'emissió GB 16297-2025.

Prevenció de la contaminació per mercuri: Es promouen catalitzadors de baixa milla, amb Salt Yunnan i Haohua Yuhang que reben finançament estatal per a la R + D de catalitzador lliure de mercuri.

Gestió de residus sòlids

Reciclatge de membranes: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% d’eficiència.

Utilització de fangs de sal: S'utilitza en materials de construcció o cobertes d'abocament, amb una utilització 100% completa de l'escòria de carbur.