Una planta de sosa càustica basada en el procés de clor-àlcali no és una màquina única sinó un sistema de producció electroquímica contínua. Cada secció de la planta realitza un pas específic de transformació o depuració.
Sistema de preparació de salmorra
El sistema de preparació de salmorra converteix la sal industrial sòlida (NaCl) en salmorra saturada adequada per a l'alimentació per electròlisi. En la majoria de dissenys de clor-àlcali de membrana, la concentració objectiu de salmorra es controla a aproximadament 300-310 g/L de NaCl.
El sistema inclou normalment un dipòsit de dissolució de sal, agitadors, pantalles de filtració gruixuda i un bucle de circulació de salmorra. El dipòsit de dissolució està dissenyat per mantenir un temps de residència controlat, normalment de 2 a 4 hores, per assegurar la dissolució completa dels cristalls de clorur sòdic.
Les impureses no dissoltes com la sorra, l'argila i les sals insolubles s'eliminen mitjançant la decantació o la separació d'hidrociclons. A continuació, la salmorra de sortida es transfereix a la secció de purificació.
El disseny d'aquest subsistema està directament relacionat amb la vida cel·lular de la membrana, ja que els sòlids en suspensió per sobre d'1 mg/L poden accelerar l'encrassement de la membrana i augmentar la tensió cel·lular amb el pas del temps.
Unitat de purificació de salmorra
El sistema de purificació de salmorra elimina cations divalents com ara calci (Ca²⁺), magnesi (Mg²⁺) i traces de metalls pesants que interfereixen amb el rendiment de la membrana. En els sistemes de clor-àlcali de membrana, les concentracions de calci i magnesi normalment s'han de reduir a menys de 20 ppb (parts per mil milions).
El mètode de purificació estàndard és la precipitació química mitjançant carbonat de sodi (Na₂CO₃) i hidròxid de sodi (NaOH). Les reaccions formen carbonat de calci insoluble i hidròxid de magnesi:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
Aquests precipitats s'eliminen mitjançant clarificadors o dipòsits de sedimentació de làmines seguits de sistemes de filtració fina, normalment filtres de cartutx de 5 a 10 micres.
Els filtres de poliment s'instal·len aigües avall per garantir una qualitat d'alimentació estable als electròlitzadors. El sistema de purificació de salmorra també inclou bucles de control de pH i monitorització ORP per mantenir l'eficiència de la reacció.
Sistema electrolitzador (secció de cèl·lules de membrana)
L'electrolitzador és el nucli del procés de clor{0}}àlcali. Les plantes modernes utilitzen cèl·lules de membrana d'intercanvi-ions, normalment basades en membranes d'àcid perfluorosulfònic (PFSA).
Cada cel·la electrolitzadora es divideix en un compartiment ànode i un compartiment càtode separats per una membrana selectiva{0}}catiónica. La salmorra s'introdueix a la cambra de l'ànode, on els ions clorur s'oxiden a gas clor:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Al costat del càtode, l'aigua es redueix a gas hidrogen i ions hidròxid:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Els ions sodi migren a través de la membrana i es combinen amb ions hidròxid per formar hidròxid de sodi (NaOH).
Els paràmetres de funcionament típics de les cèl·lules de membrana industrials inclouen:
Temperatura cel·lular: 85-95 graus
Densitat de corrent: 3,0–6,0 kA/m²
Tensió cel·lular: 3,0–3,3 V
Concentració de NaOH: 30-35% en pes (sortida de licor cel·lular)
El sistema d'electrolitzador inclou marcs de cèl·lules, elèctrodes (ànode de titani amb recobriment de ruteni/iridi), càtodes de níquel i sistemes de segellat hidràulic. L'alineació cel·lular i la força de compressió es controlen per evitar fuites i mantenir la integritat de la membrana.
Sistema rectificador
El sistema rectificador converteix l'energia CA de la xarxa en potència CC necessària per a l'electròlisi. Les plantes de clor-àlcalis solen funcionar amb corrents de CC molt elevades, sovint en el rang de 10 kA a 200 kA, depenent de la capacitat de la planta.
El rectificador està format per:
Unitat transformadora (reducció-i aïllament)
Mòduls de tiristor o rectificador IGBT
Barres de corrent continu
Sistema de refrigeració (refredat per aire o aigua-)
La tensió de sortida sol estar entre 100 V i 600 V CC depenent de la configuració de la pila. La ondulació actual es controla per sota del 5% per mantenir condicions estables de reacció electroquímica.
Sovint, els sistemes de correcció del factor de potència s'integren per mantenir el compliment de la xarxa, especialment a les-plantes a gran escala que superen les 50.000 tones/any de capacitat de NaOH.
Sistema d'evaporació
El sistema d'evaporació augmenta la concentració de NaOH d'aproximadament un 30-35% (sortida de l'electrolitzador) a graus comercials com una solució de sosa càustica al 48% o al 50%.
L'evaporació multi-efecte (MEE) s'utilitza habitualment per reduir el consum de vapor. Una configuració típica inclou de 2 a 4 efectes d'evaporació que operen sota pressió decreixent.
L'entrada de vapor sol ser de 3-6 bars de vapor saturat depenent del disseny de la planta. Els nivells de buit en etapes posteriors es mantenen al voltant de -0,08 a -0,09 MPa per millorar l'eficiència tèrmica.
Els materials de l'evaporador han de resistir una forta corrosió alcalina a temperatures elevades, de manera que s'utilitzen habitualment aliatges-de níquel o acers inoxidables especials (com ara 316L o graus dúplex).
Sistema de manipulació del clor
El gas clor produït a l'electrolitzador és humit, calent i conté traces d'hidrogen i boira de salmorra. Abans d'utilitzar o liqüefacció aigües avall, s'ha de refredar i purificar.
El sistema de manipulació del clor inclou:
Torre de refrigeració de gas (redueix la temperatura a ~ 35-40 graus)
Eliminadors de boira (eliminar les gotes arrastrades)
Sistema d'assecat amb clor (utilitzant àcid sulfúric o assecadors d'adsorció)
Compressors (per a la liqüefacció o la transferència de canonades)
La puresa del clor sec normalment es controla per sobre del 99,5% per a ús industrial. El contingut d'humitat es redueix per sota de 30 ppm per evitar la corrosió dels equips aigües avall.
Els materials en servei de clor es seleccionen en funció de la resistència a la corrosió, com ara titani, acer revestit de PVC-o canonades de FRP.
Sistema de recuperació d'hidrogen
L'hidrogen generat al càtode normalment està saturat de vapor d'aigua i conté traces de boira càustica. El sistema de recuperació realitza la separació, el refredament i la compressió.
El sistema inclou:
Separador de gas-líquid
Unitat de desempanyament
Intercanviador de calor de refrigeració
Compressor d'hidrogen (tipus de diafragma o cargol)
Unitat de purificació opcional (PSA o polit catalític)
La puresa de l'hidrogen després de la separació normalment supera el 99%. El control del punt de rosada és fonamental per evitar la condensació a les canonades.
En moltes instal·lacions industrials, l'hidrogen és:
utilitzat com a combustible en calderes o sistemes de vapor
o exportats a processos de síntesi química com la producció d'amoníac o metanol
Sistema d'automatització (PLC/DCS)
El sistema de control integra totes les seccions del procés en una única plataforma operativa coordinada. La majoria de les plantes de clor-àlcalis modernes utilitzen sistemes de control distribuït (DCS) combinats amb controladors lògics programables (PLC) per al control del nivell d'equip-.
Els bucles de control de clau inclouen:
Control de la concentració de salmorra (basat en -conductivitat)
Regulació de corrent de l'electrolitzador
Control de la temperatura cel·lular (a través de la circulació de salmorra)
Monitorització de la concentració de NaOH (mesura de la densitat)
Control de pressió de clor
Regulació de la pressió i el cabal d'hidrogen
La instrumentació típica inclou:
sensors de conductivitat (rang 0–300 mS/cm)
Analitzadors de pH (escala 0-14)
sensors de pressió diferencial a través de les membranes
mesuradors de cabal (electromagnètic o tipus Coriolis)
Analitzadors de gasos per a la puresa de clor i hidrogen
L'adquisició de dades es registra normalment a intervals d'1 a 5 segons depenent del disseny del sistema. S'implementen enclavaments d'alarma per a la detecció de fuites de clor i condicions de sobrepressió d'hidrogen.
Una planta de sosa càustica està dissenyada com un sistema de bucle continu on la sal crua es converteix en tres corrents de productes: hidròxid de sodi, clor i hidrogen. L'estabilitat operativa de la planta depèn del manteniment de la puresa de la salmorra d'alimentació, la distribució estable del corrent de corrent continu i l'equilibri tèrmic controlat tant a les seccions d'electròlisi com d'evaporació.
Qualsevol desviació dels nivells d'impureses de la salmorra o la inestabilitat del rectificador afecta directament la tensió de la membrana i redueix l'eficiència del sistema. Per tant, la majoria dels dissenys d'enginyeria prioritzen la purificació aigües amunt i la fiabilitat del maneig del gas aigües avall tant com el propi electròlitzador.
Conclusió (Resum d'enginyeria)
Des d'una perspectiva d'enginyeria de processos, una planta de sosa càustica és un sistema electroquímic estretament integrat format per capes de preparació química, electròlisi, conversió de potència, concentració tèrmica, manipulació de gasos i capes d'automatització.
Cada subsistema té paràmetres operatius mesurables, i el rendiment de la planta està determinat per l'estabilitat d'aquests paràmetres més que per qualsevol unitat d'equip individual.
La filosofia general de disseny es basa en tres limitacions:
puresa iònica de la salmorra d'alimentació
eficiència elèctrica de l'electròlisi de membrana
separació i manipulació segura de clor i hidrogen
Aquestes limitacions defineixen la configuració de tots els equips principals en una instal·lació moderna de clor-àlcali.
