Considerazioni sulla progettazione tecnica, logica del bilancio dei materiali, integrazione a valle e requisiti di sicurezza per impianti di cloro-alcalini prigionieri su piccola scala.
L'impianto NaOH 5 TPD richiede una progettazione di processo integrata
Un impianto di cloro-alcali a membrana equivalente a 5 TPD NaOH- è un sistema di produzione chimica su piccola-scala, ma la sua progettazione ingegneristica implica molto più che la semplice selezione di un elettrolizzatore in grado di produrre 5 tonnellate di soda caustica al giorno. L'elettrolisi della membrana produce tre flussi primari contemporaneamente: idrossido di sodio, cloro e idrogeno. Pertanto, l’impianto deve essere progettato attorno al bilancio materiale completo di questi prodotti. Per un impianto di consumo vincolato-, NaOH può essere fornito direttamente al processo a valle, mentre il cloro e l'idrogeno generati possono essere convertiti in acido cloridrico e ipoclorito di sodio in base alle effettive esigenze di consumo del sito.
Reazione elettrochimica di base:2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂
Il bilancio dei materiali determina la capacità di cloro e idrogeno
Utilizzando la relazione stechiometrica teorica, la produzione di 5 tonnellate di NaOH equivalente al 100% al giorno corrisponde a circa 4,43 tonnellate di cloro e 0,126 tonnellate di idrogeno al giorno. I dati di produzione effettivi varieranno in base all'efficienza corrente, alla tensione della cella, alle condizioni operative, alle prestazioni della membrana e alle perdite di processo. Questa relazione è fondamentale quando si dimensionano le sezioni di sintesi di HCl e di ipoclorito di sodio perché le apparecchiature a valle devono essere in grado di consumare continuamente il cloro generato dagli elettrolizzatori.
Prima di selezionare l'attrezzatura, l'acquirente deve definire chiaramente se la capacità dichiarata di 5 TPD si riferisce al 100% di NaOH equivalente, a una concentrazione specifica di soluzione di NaOH o ad un'altra base di produzione.
L'elettrolisi a membrana è l'unità di produzione principale
La sezione di elettrolisi a membrana converte la salamoia purificata in soda caustica, cloro e idrogeno. Un sistema tipico comprende la preparazione e la purificazione della salamoia, la circolazione della salamoia purificata, elettrolizzatori a membrana, raddrizzatori CC, apparecchiature per la separazione di gas-liquido, circolazione di sostanze caustiche e strumentazione di processo. La membrana a scambio ionico-separa i compartimenti dell'anodo e del catodo consentendo al contempo agli ioni selezionati di passare attraverso la membrana.
Nota di qualità critica:Mantenere una qualità adeguata della salamoia è particolarmente importante perché calcio, magnesio e altre impurità possono influenzare il funzionamento della membrana e aumentare i requisiti di manutenzione. Di conseguenza, la sezione di purificazione della salamoia dovrebbe essere considerata parte integrante dell'impianto cloroalcalino-piuttosto che un sistema di utilità ausiliario.
Lo stoccaggio di cloro vicino- allo zero modifica la configurazione dell'impianto
Il requisito di uno stoccaggio di cloro sostanzialmente pari a zero influenza in modo significativo la disposizione complessiva del processo. Invece di produrre cloro per lo stoccaggio a lungo-termine e il successivo trasporto, il cloro generato dall'elettrolizzatore dovrebbe essere continuamente diretto verso i punti di consumo a valle. In questa configurazione, l'impianto può utilizzare il cloro per la sintesi di HCl e la produzione di ipoclorito di sodio, riducendo al minimo le scorte di cloro sfuso.
Una progettazione ingegneristica pratica può comunque richiedere un volume di ristagno-limitato del processo, apparecchiature di controllo della pressione e capacità di trattamento di emergenza, ma il sistema non dipende dallo stoccaggio del cloro su larga-scala. Questo approccio richiede uno stretto coordinamento tra la capacità dell’elettrolizzatore e la domanda istantanea di cloro delle unità a valle.
La sintesi di HCl utilizza sia cloro che idrogeno
La sintesi dell'acido cloridrico fornisce un percorso importante per il consumo dei sottoprodotti dell'elettrolisi della membrana. L'idrogeno e il cloro generati dall'elettrolizzatore possono essere combinati a seconda della reazioneCl₂ + H₂ → 2HCl, seguito da assorbimento in acqua per ottenere acido cloridrico alla concentrazione richiesta.
Dal punto di vista di un impianto integrato, questa soluzione è interessante perché sia il cloro che l’idrogeno possono essere utilizzati invece di essere trattati come flussi di rifiuti separati. Tuttavia, la capacità di produzione di HCl, la concentrazione di acido target, le condizioni operative e il tasso di consumo a valle devono essere definiti prima di selezionare l'attrezzatura per la sintesi, l'assorbimento, il raffreddamento e la circolazione dell'HCl.
L’ipoclorito di sodio fornisce una seconda via di consumo del cloro
La produzione di ipoclorito di sodio offre un altro metodo per consumare il cloro direttamente nel sito di produzione. Il cloro reagisce con l'idrossido di sodio diluito per formare ipoclorito di sodio, cloruro di sodio e acqua. Poiché il processo cloro-alcali produce già NaOH, parte del flusso caustico può essere assegnato alla sezione NaOCl in base alle specifiche di prodotto richieste.
Il design di questa unità dipende dalla capacità di NaOCl richiesta, dalla concentrazione di cloro disponibile-, dalla concentrazione di NaOH, dalla temperatura di reazione, dai requisiti di raffreddamento e dal tempo di conservazione del prodotto. Questi parametri dovrebbero essere specificati separatamente anziché dare per scontato che la capacità di NaOCl sia determinata automaticamente dal valore di NaOH 5 TPD.
Il bilancio dei materiali integrato collega l'intero impianto
Una configurazione di processo adeguata può essere organizzata attorno a un flusso di materiale continuo: la salamoia purificata entra negli elettrolizzatori a membrana, NaOH viene inviato al consumo vincolato o a ulteriore concentrazione, l’idrogeno viene diretto verso la sintesi di HCl e il cloro viene diviso tra sintesi di HCl e produzione di ipoclorito di sodio.
L’allocazione del cloro dovrebbe essere basata sulla domanda effettiva di HCl e NaOCl piuttosto che semplicemente massimizzare la produzione di entrambi i prodotti. Il sistema di controllo del processo deve inoltre coordinare l'elettrolizzatore e le unità a valle in modo che le variazioni nella richiesta di HCl o NaOCl non creino un accumulo incontrollato di cloro.
La sicurezza del cloro deve essere inclusa nella progettazione di base
Un concetto di stoccaggio a-cloro pari a zero-non significa che le apparecchiature di sicurezza contro il cloro possano essere eliminate. Durante il normale funzionamento sarà ancora presente cloro gassoso all'interno delle tubazioni di processo, dei separatori e delle apparecchiature a valle. L'impianto dovrebbe pertanto prendere in considerazione il rilevamento del cloro, il convogliamento controllato del gas, la regolazione della pressione, l'arresto di emergenza, la ventilazione e l'assorbimento o il lavaggio di emergenza del cloro.
Il sistema di emergenza dovrebbe essere progettato sulla base di scenari operativi e di arresto credibili, compresi gli interventi delle apparecchiature a valle e la perdita del normale consumo di cloro. L'obiettivo è evitare che un'interruzione in un'unità a valle crei una condizione non sicura nella sezione di elettrolisi.
Le specifiche di approvvigionamento devono definire l'impianto completo
Prima di preparare un preventivo tecnico, l'acquirente deve fornire la concentrazione di NaOH richiesta, la capacità e la concentrazione di produzione di HCl, la capacità di ipoclorito di sodio e la concentrazione di cloro disponibile-, le ore di funzionamento, il programma operativo annuale, la qualità del sale, la qualità dell'acqua, la fornitura elettrica, le condizioni del sito e il modello di consumo a valle.
Questi parametri influiscono sul dimensionamento degli elettrolizzatori, del sistema di purificazione della salamoia, del raddrizzatore CC, delle apparecchiature per la separazione del gas, dell'unità di sintesi dell'HCl, del reattore NaOCl, del sistema di raffreddamento, dei serbatoi del prodotto e dei sistemi di sicurezza.
