กระบวนการผลิตหลักและหลักการของโรงงานคลอร์-อัลคาลีคืออะไร?

1. ภาพรวมของกระบวนการผลิตหลักของอุตสาหกรรม Chlor-alkali

2. หลักการและอุปกรณ์ของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนไอออน

3. ประวัติและข้อ จำกัด ของวิธีไดอะแฟรมและวิธีการปรอท

4. การรักษาด้วยผลพลอยได้และการรีไซเคิลทรัพยากร

5. การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและความคืบหน้าของเทคโนโลยีการประหยัดพลังงาน

6. ความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมและเทคโนโลยีการผลิตที่สะอาด

1. ภาพรวมของกระบวนการผลิตหลัก 

พืชคลอร์-อัลคาลีผลิตโซดากัดกร่อน (NaOH), คลอรีน (Cl₂) และไฮโดรเจน (H₂) ผ่านทางอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ซึ่งเป็นรากฐานที่สำคัญของอุตสาหกรรมเคมีพื้นฐาน กำลังการผลิตของคลอร์อัลคาลีมากกว่า 90%กระบวนการเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนด้วยส่วนที่เหลือโดยใช้การแบ่งออกกะบังลมและเซลล์ปรอทวิธีการ

2. หลักการและอุปกรณ์ของกระบวนการเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน

กลไกหลัก

เยื่อหุ้มเซลล์ไอออนที่มีความสมบูรณ์แบบซึ่งมีกระดูกสันหลังของโซ่ฟลูออโรคาร์บอนที่มีกลุ่มการทำงานของกรดซัลโฟนิกแสดงความต้านทานที่เหนือกว่าต่อการกัดกร่อนและการย่อยสลายทางเคมีรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงแม้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดสูง (ขั้วบวก) และอัลคาไลน์ (แคโทด) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเพิ่มประสิทธิภาพของเมมเบรนกระบวนการนี้ได้รวมระบบการปรับสภาพน้ำเกลือขั้นสูงเช่นการกรองแบบคู่และโครมาโตกราฟีไอออนซึ่งลดสิ่งสกปรกตามร่องรอยเช่นเหล็กและซิลิกาไปยังระดับย่อย PPB นอกจากนี้การออกแบบแบบบูรณาการของระบบอิเล็กโทรไลซิสยังช่วยให้การควบคุมที่แม่นยำของช่องว่างแอโนดแคโทดเป็นน้อยกว่า 2 มม. ลดความต้านทานของโอห์มมิกและลดการใช้พลังงานเพิ่มเติมอีก 5-8% เมื่อเทียบกับการออกแบบทั่วไป ในที่สุดกระบวนการนี้ช่วยให้การผลิตโซดากัดกร่อนสูงอย่างต่อเนื่องด้วยปริมาณโซเดียมคลอไรด์ที่สอดคล้องกันต่ำกว่า 50 ppm ไม่จำเป็นต้องใช้ขั้นตอนการแยกเกลือออกจากน้ำและทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในเวชภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมการแปรรูปอาหาร

อุปกรณ์สำคัญ

อิเล็กโทรไลเซอร์: จำแนกเป็นประเภทสองขั้วและ monopolar อิเล็กโทรไลเซอร์สองขั้วทำงานเป็นอนุกรมด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง แต่มีพื้นที่น้อยลงในขณะที่โมโนโพลาร์ทำงานควบคู่ไปกับกระแสสูงที่ต้องการวงจรเรียงกระแสอิสระ การออกแบบ "zero-gap" ที่ทันสมัยช่วยลดระยะห่างของอิเล็กโทรดให้<1 mm for further energy savings.

ระบบการทำให้บริสุทธิ์น้ำเกลือ: การกำจัดซัลเฟตที่ใช้เมมเบรน (เช่นระบบกลั่น Ruipu น้ำเกลือ) และการดูดซับเรซิ่นคีเลตลดCa²⁺และMg²⁺ถึง<1 ppm, extending membrane lifespan.

หน่วยรักษาคลอรีนและไฮโดรเจน: คลอรีนเย็นลง (12–15 องศา) และแห้งด้วย 98% H₂SO₄ก่อนการบีบอัดสำหรับการผลิตพีวีซี; ไฮโดรเจนถูกทำให้เย็นลงบีบอัดและใช้สำหรับการสังเคราะห์กรดไฮโดรคลอริกหรือเป็นเชื้อเพลิง

3. บริบททางประวัติศาสตร์และข้อ จำกัด ของกระบวนการไดอะแฟรมและปรอท

หลักการกระบวนการและการประยุกต์ใช้ในอดีตของวิธีไดอะแฟรม
ไดอะแฟรมอิเล็กโทรไลเซอร์ใช้ไดอะแฟรมแร่ใยหินที่มีรูพรุนเป็นอุปสรรคทางกายภาพระหว่างห้องขั้วบวกและห้องแคโทด หลักการหลักคือการใช้การเลือกขนาดรูขุมขนของไดอะแฟรม (ประมาณ 10 ~ 20 ไมครอน) เพื่อให้อิเล็กโทรไลต์ (สารละลาย NaCl) ผ่านผ่านในขณะที่ป้องกันก๊าซCL₂และH₂ที่สร้างขึ้น ที่ขั้วบวกCl⁻สูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อสร้างCl₂ (2Cl⁻ - 2 E⁻→Cl₂↑); ที่แคโทดH₂Oได้รับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างH₂และOH⁻ (2H₂O + 2 E⁻→H₂↑ + 2 OH⁻) และOH⁻รวมกับNa⁺เพื่อสร้าง NaOH เนื่องจากไดอะแฟรมแร่ใยหินไม่สามารถปิดกั้นการโยกย้ายย้อนกลับของNa⁺ได้อย่างสมบูรณ์สารละลาย NaOH ที่ผลิตที่แคโทดมีประมาณ 1% NaCl โดยมีความเข้มข้นเพียง 10 ~ 12% และจำเป็นต้องมีสมาธิมากกว่า 30% โดยการระเหยเพื่อตอบสนองความต้องการทางอุตสาหกรรม กระบวนการนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 จีนเคยพึ่งพาเทคโนโลยีนี้เพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนวัตถุดิบสารเคมีขั้นพื้นฐาน แต่ด้วยการปรับปรุงการรับรู้ด้านสิ่งแวดล้อมข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของมันจะค่อยๆเปิดเผย

ข้อบกพร่องร้ายแรงและกระบวนการกำจัดของวิธีไดอะแฟรม
ข้อเสียหลักสามข้อของวิธีไดอะแฟรมในที่สุดก็นำไปสู่การเปลี่ยนที่ครอบคลุม:
การใช้พลังงานสูงและประสิทธิภาพต่ำ: เนื่องจากความต้านทานสูงของไดอะแฟรมแร่ใยหินแรงดันไฟฟ้าของเซลล์จึงสูงถึง 3.5 ~ 4.5V และการใช้พลังงานต่อตันของอัลคาไลคือ 3000 ~ 3500 kWh ซึ่งสูงกว่าวิธีเยื่อหุ้มไอออน 40% เหมาะสำหรับพื้นที่ที่มีราคาไฟฟ้าต่ำเท่านั้น

ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ไม่เพียงพอ: สารละลายอัลคาไลเจือจางที่มี NaCl ต้องการการระเหยและการแยกเกลือออกไปซึ่งเพิ่มต้นทุนกระบวนการและไม่สามารถตอบสนองความต้องการ NaOH ที่มีความบริสุทธิ์สูงในสาขาระดับสูง (เช่นการละลายอลูมินา);
วิกฤตการณ์มลพิษของแร่ใยหิน: เส้นใยแร่ใยหินจะถูกปล่อยออกสู่อากาศและน้ำเสียได้อย่างง่ายดายในระหว่างกระบวนการผลิต การสัมผัสระยะยาวนำไปสู่โรคเช่นมะเร็งปอด หน่วยงานระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยเกี่ยวกับโรคมะเร็ง (IARC) ระบุว่าเป็นสารก่อมะเร็งระดับที่ 1 ในปี 1987 ในปี 2554 จีนได้แก้ไข "แนวทางสำหรับการปรับโครงสร้างอุตสาหกรรม" ซึ่งระบุไว้อย่างชัดเจนว่าโรงงานโซดาไฟไดอะแฟรมทั้งหมดจะถูกกำจัดภายในปี 2558

กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสปรอท: ความเป็นพิษของปรอทซ่อนอันตรายที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังความบริสุทธิ์สูง
ลักษณะทางเทคนิคและคุณค่าทางประวัติศาสตร์ของวิธีการปรอท
วิธีการปรอทครั้งหนึ่งเคยเป็น "กระบวนการระดับไฮเอนด์" สำหรับการผลิตโซดากัดกร่อนสูงเนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของแคโทดปรอท หลักการของมันคือการใช้ Mercury เป็นแคโทดมือถือ ในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสNa⁺และปรอทจะสร้างโซเดียมอะมัลกัม (โลหะผสม Na-HG) จากนั้นโซเดียมอะมัลกัมจะทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้าง NaOH ความเข้มข้นสูง 50% (Na-Hg + H₂o→ NaOH + H₂↑ + HG) ซึ่งสามารถใช้โดยตรง ข้อได้เปรียบที่สำคัญของกระบวนการนี้คือ NaOH เอาท์พุทนั้นบริสุทธิ์มาก (เนื้อหา 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.

ภัยพิบัติมลพิษสารปรอทและกระบวนการห้ามทั่วโลก
ข้อบกพร่องร้ายแรงของวิธีการปรอทคือมลพิษที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของปรอท:
การระเหยของไอปรอทไอ: ปรอทหลบหนีในรูปแบบของไอระหว่างอิเล็กโทรไลซิสและความเข้มข้นของปรอทในสภาพแวดล้อมการทำงานมักจะเกินมาตรฐานโดยหลายสิบครั้งส่งผลให้เกิดเหตุการณ์พิษปรอทบ่อยครั้งในหมู่คนงาน

อันตรายจากการปล่อยน้ำเสีย: เกี่ยวกับ 10-20 กรัมของปรอทจะหายไปสำหรับทุกตันของ NaOH ที่ผลิตซึ่งถูกแปลงเป็น methylmercury หลังจากเข้าสู่ร่างกายน้ำและอุดมไปด้วยห่วงโซ่อาหารเพื่อเป็นอันตรายต่อระบบนิเวศ;
ความยากลำบากในการรีไซเคิล: แม้ว่าปรอทจะสามารถกู้คืนได้โดยการกลั่น แต่การดำเนินการระยะยาวยังคงนำไปสู่ปริมาณปรอทที่มากเกินไปในดินและค่าใช้จ่ายในการฟื้นฟูสูง ด้วยการเข้าร่วมการประชุม Minamata (2013) มากกว่า 90% ของประเทศในโลกได้ให้คำมั่นว่าจะเลิกใช้วิธีการปรอทในปี 2563 ในฐานะผู้ผลิตคลอร์อัลคาลีที่ใหญ่ที่สุดในโลกจีนห้ามกระบวนการปรอทในปี 2560 วันนี้มีเพียงไม่กี่ประเทศเช่นอินเดียและปากีสถานยังคงรักษากำลังการผลิตสารปรอทไว้น้อยกว่า 5% และเผชิญกับแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมระหว่างประเทศอย่างรุนแรง

4. การจัดการผลพลอยได้และการรีไซเคิลทรัพยากร

การใช้คลอรีนที่มีมูลค่าสูง

สารเคมีพื้นฐาน: ใช้ในการผลิตพีวีซี (30–40% ของความต้องการคลอรีน) และการสังเคราะห์โพรพิลีนออกไซด์

แอปพลิเคชันระดับสูง: คลอรีนเกรดอิเล็กทรอนิกส์ (สูงกว่าหรือเท่ากับความบริสุทธิ์ 99.999%) สำหรับคำสั่งการแกะสลักเซมิคอนดักเตอร์ 5-8 เท่าของราคาคลอรีนเกรดอุตสาหกรรม

การรักษาฉุกเฉิน: cl₂โดยไม่ตั้งใจจะถูกดูดซึมในเครื่องขัด NaOH สองขั้นตอน (ความเข้มข้น 15-20%) ทำให้มั่นใจได้ว่าการปล่อยมลพิษ<1 mg/m³.

การกู้คืนและการใช้ไฮโดรเจน

การสังเคราะห์กรดไฮโดรคลอริก: ทำปฏิกิริยากับCl₂เพื่อผลิต HCl สำหรับดองและยา

พลังงานสีเขียว: เซลล์เชื้อเพลิงเชื้อเพลิงไฮโดรเจนบริสุทธิ์หรือการสังเคราะห์แอมโมเนียโดยมีการลดปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หนึ่งโรงพืช 60% ผ่านการรวมไฮโดรเจน

การควบคุมความปลอดภัย: ท่อไฮโดรเจนรวมเอาตัวจับเปลวไฟและอุปกรณ์บรรเทาความดันด้วยการตรวจสอบความบริสุทธิ์H₂\/Cl₂ตามเวลาจริงเพื่อป้องกันการระเบิด

5. การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและเทคโนโลยีการประหยัดพลังงาน

เทคโนโลยีแคโทดออกซิเจน

หลักการ: การแทนที่การวิวัฒนาการของไฮโดรเจนด้วยการลดออกซิเจนช่วยลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์โดย {{0}}. 8–1.0 V, ลดการใช้พลังงานเป็น<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

แอปพลิเคชัน: มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเคมีของปักกิ่ง 50, 000- โรงงานตัน\/ปีได้รับการประหยัดพลังงาน 30%

อิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีความหนาแน่นสูง

ความก้าวหน้า: เพิ่มความหนาแน่นปัจจุบันจาก 4 ka\/m²เป็น 6 ka\/m²เพิ่มกำลังการผลิต 30%เชิงพาณิชย์โดย Asahi Kasei (ญี่ปุ่น) และ Thyssenkrupp (เยอรมนี)

การเปลี่ยนแปลงแบบดิจิทัล

ระบบควบคุมอัจฉริยะ: AI algorithms optimize current efficiency to >96% และทำนายอายุการใช้งานเมมเบรนด้วย<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

การตรวจสอบ AI: โรงงานเคมีที่ใช้หางโจวใช้หุ่นยนต์ที่มีอุปกรณ์ติดตั้งเพื่อตรวจสอบสิ่งอำนวยความสะดวกคลอรีนบรรลุความแม่นยำ 99.99% ในการตรวจจับการอุดตันของหลอด Teflon

6. ความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมและเทคโนโลยีการผลิตที่สะอาด

บำบัดน้ำเสีย

การแยกออกจากกัน: สูญญากาศ dechlorination (cl₂ที่เหลืออยู่<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >นำกลับมาใช้ใหม่ 95%

การปล่อยของเหลวเป็นศูนย์ (ZLD): การระเหยแบบหลายเอฟเฟกต์ (MVR) ตกผลึกเกลืออุตสาหกรรมนำไปใช้ในซินเจียงและซานตง

การบำบัดก๊าซไอเสีย

การควบคุมหมอกกรดซัลฟิวริก: Electrostatic precipitators (>ประสิทธิภาพ 99%) และการขัดแบบเปียกเป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยก๊าซ GB 16297-2025

การป้องกันมลพิษของปรอท: ตัวเร่งปฏิกิริยาระดับต่ำได้รับการส่งเสริมด้วยเกลือยูนนานและ Haohua Yuhang ที่ได้รับเงินทุนของรัฐสำหรับ R&D ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากสารปรอท

การจัดการขยะมูลฝอย

การรีไซเคิลเมมเบรน: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >ประสิทธิภาพ 98%

การใช้กากตะกอนเกลือ: ใช้ในวัสดุก่อสร้างหรือครอบคลุมการฝังกลบด้วยการใช้ประโยชน์อย่างครอบคลุม 100% ของตะกรันคาร์ไบด์