Quais são os principais processos de produção e princípios de uma planta de clor-alcalino?

1.

2. Princípios e equipamentos do processo de eletrólise da membrana iônica

3. História e limitações do método do diafragma e método de mercúrio

4. Tratamento de subprodutos e reciclagem de recursos

5. Otimização de processos e progresso da tecnologia de economia de energia

6. Desafios ambientais e tecnologia de produção limpa

1. Visão geral dos processos principais de produção 

As plantas clor-alcalinas produzem refrigerante cáustica (NaOH), cloro (CL₂) e hidrogênio (H₂) através da eletrólise da solução de cloreto de sódio (NaCl), uma pedra angular da indústria química básica. Mais de 90% da capacidade global de clor-alcalino emprega oProcesso de membrana de troca de íons, com o restante usando o formadodiafragmaecélula de mercúrioMétodos.

2. Princípios e equipamentos do processo de membrana de troca iônica

Mecanismo central

As membranas perfluoradas de troca de íons, apresentando uma espinha dorsal de cadeias de fluorocarbono com grupos funcionais de ácido sulfônico, exibem resistência superior à corrosão e degradação química, mantendo o desempenho estável, mesmo em ambientes altamente ácidos (ânodo) e alcalina (cátodo). Para otimizar ainda mais a eficiência da membrana, o processo incorpora sistemas avançados de pré-tratamento com salmoura, como filtração em estágio duplo e cromatografia íons, que reduzem as impurezas de traços como ferro e sílica aos níveis de sub-PPB, impedindo assim a incrustação da membrana e a prolongamento da vida operacional em 20 a 30%. Além disso, o projeto integrado do sistema de eletrólise permite a regulação precisa da lacuna de ânodo-cátodo para menos de 2 mm, minimizando a resistência ôhmica e reduzindo ainda mais o consumo de energia em 5 a 8% em comparação com os desenhos convencionais. Finalmente, o processo permite a produção contínua de refrigerante cáustico de alta pureza com um teor de cloreto de sódio consistente abaixo de 50 ppm, eliminando a necessidade de etapas de dessalinização a jusante e tornando-o ideal para exigir aplicações em indústrias farmacêuticas, eletrônicas e de processamento de alimentos.

Equipamento -chave

Eletrolisadores: Classificado em tipos bipolares e monopolares. Os eletrolisadores bipolares operam em série com alta tensão, mas ocupam menos espaço, enquanto os monopolares correm em paralelo com alta corrente que exige retificadores independentes. Os desenhos modernos de "gap" reduzem o espaçamento dos eletrodos para<1 mm for further energy savings.

Sistemas de purificação de salmoura: Remoção de sulfato à base de membrana (por exemplo, sistema de refino de salmoura Ruipu) e adsorção de resina quelantes reduzem Ca²⁺ e Mg²⁺ para<1 ppm, extending membrane lifespan.

Unidades de tratamento de cloro e hidrogênio: O cloro é resfriado (12 a 15 graus) e seco com 98% de H₂so₄ antes da compressão para a produção de PVC; O hidrogênio é resfriado, comprimido e usado para síntese de ácido clorídrico ou como combustível.

3. Contexto histórico e limitações de processos de diafragma e mercúrio

O princípio do processo e a aplicação histórica do método do diafragma
O eletrolisador diafragma usa um diafragma poroso de amianto como uma barreira física entre as câmaras de ânodo e cátodo. O princípio do núcleo é usar a seletividade do tamanho dos poros do diafragma (cerca de 10 ~ 20 mícrons) para permitir que o eletrólito (solução NACL) passe, impedindo que os gases Cl₂ e H₂ gerados se misturem. No ânodo, Cl⁻ perde elétrons para gerar Cl₂ (2cl⁻ - 2 e⁻ → cl₂ ↑); No cátodo, H₂o ganha elétrons para gerar H₂ e OH⁻ (2H₂o + 2 e⁻ → h₂ ↑ + 2 oh⁻) e oh⁻ combina -se com Na⁺ para formar NaOH. Como o diafragma de amianto não pode bloquear completamente a migração reversa de Na⁺, a solução de NaOH produzida no cátodo contém cerca de 1% de NaCl, com uma concentração de apenas 10 ~ 12%, e precisa estar concentrada a mais de 30% por evaporação para atender às necessidades industriais. Esse processo foi amplamente utilizado em meados do século XX. A China confiou uma vez nessa tecnologia para resolver o problema da escassez de matérias -primas básicas químicas, mas com a melhoria da conscientização ambiental, seus defeitos inerentes foram gradualmente expostos.

Defeitos fatais e processo de eliminação do método do diafragma
As três desvantagens principais do método do diafragma acabaram levando à sua substituição abrangente:
Alto consumo de energia e baixa eficiência: devido à alta resistência do diafragma do amianto, a tensão celular é de tão alta quanto 3,5 ~ 4,5V, e o consumo de energia por tonelada de álcalis é de 3000 ~ 3500 kWh, que é 40 ~ 70% maior que o método da membrana de íons. É adequado apenas para áreas com baixos preços de eletricidade;

Pureza insuficiente do produto: a solução alcalina diluída contendo NaCl precisa de evaporação e dessalinização adicionais, o que aumenta o custo do processo e não pode atender à demanda por NaOH de alta pureza em campos de ponta (como a dissolução de alumina);
Crise da poluição do amianto: as fibras de amianto são facilmente liberadas no ar e nas águas residuais durante o processo de produção. A exposição a longo prazo leva a doenças como câncer de pulmão. A Agência Internacional de Pesquisa sobre Câncer (IARC) listou -a como carcinogênio de classe I já em 1987. Em 2011, a China revisou as "diretrizes para ajuste da estrutura industrial", que afirmou claramente que todas as usinas de refrigerantes do diafragma seriam eliminados em 2015, com um total de mais de 5 milhões de tons de preensão da capacidade de produção.

Processo de eletrólise de mercúrio: toxicidade de mercúrio oculta perigos por trás da alta pureza
Características técnicas e valor histórico do método de mercúrio
O método de mercúrio já foi um "processo de ponta" para produzir refrigerante cáustico de alta pureza devido às propriedades únicas do cátodo de mercúrio. Seu princípio é usar o Mercúrio como cátodo móvel. Durante o processo de eletrólise, Na⁺ e mercúrio formam amálgama de sódio (liga NA-HG) e, em seguida, o amálgama de sódio reage com água para gerar 50% de NaOH de alta concentração (Na-HG + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), que pode ser usado diretamente sem evaporação e concentração. A vantagem significativa desse processo é que a saída NaOH é extremamente pura (conteúdo 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.

Mercury Pollution Desastre e processo de proibição global
A falha fatal do método de Mercúrio é a poluição irreversível de Mercúrio:
Vapor de mercúrio Volatilização: Mercúrio escapa na forma de vapor durante a eletrólise, e a concentração de mercúrio no ambiente de trabalho geralmente excede o padrão em dezenas de vezes, resultando em incidentes frequentes de envenenamento por mercúrio entre os trabalhadores (como o incidente da doença de Minamata no Japão em 1956, causado pela poluição por mercúrio);

Riscos de descarga de águas residuais: cerca de 10-20 gramas de mercúrio são perdidas para cada tonelada de NaOH produzida, que é convertida em metilmercúrio após entrar no corpo da água e enriquecido através da cadeia alimentar para prejudicar o ecossistema;
Dificuldade na reciclagem: Embora o mercúrio possa ser recuperado por destilação, a operação a longo prazo ainda leva ao conteúdo excessivo de mercúrio no solo e o custo da remediação é alto. Com a entrada em vigor da Convenção de Minamata (2013), mais de 90% dos países do mundo se comprometeram a eliminar o método de Mercury até 2020. Como o maior produtor de clor-alcali do mundo, a China proibiu completamente o processo de mercúrio em 2017, cortando completamente o "Mercury-Caustic Soda" e a promoção da indústria. Hoje, apenas alguns países como a Índia e o Paquistão ainda mantêm menos de 5% da capacidade de produção de mercúrio e enfrentam severa pressão ambiental internacional.

4. Gerenciamento de subprodutos e reciclagem de recursos

Utilização de alto valor do cloro

Produtos químicos básicos: Utilizado na produção de PVC (30-40% da demanda de cloro) e síntese de óxido de propileno.

Aplicações de ponta: Cloro de nível eletrônico (maior ou igual a 99,999% de pureza) para comandos de gravação semicondutores 5-8 vezes o preço do cloro de nível industrial.

Tratamento de emergência: Cl₂ acidental é absorvido em um lavador de NaOH em dois estágios (concentração de 15 a 20%), garantindo emissões<1 mg/m³.

Recuperação de hidrogênio e utilização

Síntese de ácido clorídrico: Reagiu com Cl₂ para produzir HCl para decapagem e produtos farmacêuticos.

Energia verde: As células de combustível de hidrogênio purificado ou a síntese de amônia, com uma planta reduzindo a pegada de carbono em 60% através da integração de hidrogênio.

Controle de segurança: Os pipelines de hidrogênio incorporam detentores de chamas e dispositivos de alívio de pressão, com o monitoramento de pureza H₂\/Cl em tempo real para evitar explosões.

5. Otimização de processos e tecnologias de economia de energia

Tecnologia do cátodo de oxigênio

Princípio: Substituir a evolução do hidrogênio pela redução de oxigênio reduz a tensão celular por {{0}}. 8-1,0 V, reduzindo o consumo de energia para<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Aplicativo: A usina 50, {1}}}} da Universidade de Beijing da Universidade de Química alcançou 30% de economia de energia.

Eletrolólios de alta densidade de alta corrente

Avanço: O aumento da densidade da corrente de 4 ka\/m² para 6 ka\/m² aumenta a capacidade em 30%, comercializado por Asahi Kasei (Japão) e Thyssenkrupp (Alemanha).

Transformação digital

Sistemas de controle inteligentes: AI algorithms optimize current efficiency to >96% e preveja a vida útil da membrana com<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

Inspeção movida a IA: As plantas químicas baseadas em Hangzhou usam robôs equipados com A. para inspecionar instalações de cloro, atingindo 99,99% de precisão na detecção de bloqueios de tubos de teflon.

6. Desafios ambientais e tecnologias de produção limpa

Tratamento de águas residuais

Dechloração: Dechloração a vácuo (cl₂ residual<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% de reutilização.

Descarga líquida zero (zld): A evaporação de efeitos múltiplos (MVR) cristaliza o sal industrial, implementado em Xinjiang e Shandong.

Tratamento de gases de escape

Controle de névoa de ácido sulfúrico: Electrostatic precipitators (>99% de eficiência) e lavagem úmida atendem aos padrões de emissão GB 16297-2025.

Prevenção da poluição por mercúrio: Catalisadores de baixo-mercúrio são promovidos, com o Salt Yunnan e o Haohua Yuhang recebendo financiamento estadual para Catalyst R&D sem mercúrio.

Gerenciamento de resíduos sólidos

Reciclagem de membrana: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% de eficiência.

Utilização de lodo de sal: Usado em materiais de construção ou preenchimento de aterros, com utilização 100% abrangente da escória de carboneto.