Apa proses dan prinsip-prinsip produksi utama pabrik klor-alkali?

1. Tinjauan Proses Produksi Inti dari Industri Klor-Alkali

2. Prinsip dan peralatan proses elektrolisis membran ion

3. Sejarah dan Keterbatasan Metode Diafragma dan Metode Merkurius

4. Perawatan sampingan dan daur ulang sumber daya

5. Optimalisasi proses dan kemajuan teknologi hemat energi

6. Tantangan Lingkungan dan Teknologi Produksi Bersih

1. Gambaran Umum Proses Produksi Inti 

Tanaman klor-alkali menghasilkan soda kaustik (NaOH), klorin (CL₂), dan hidrogen (H₂) melalui elektrolisis larutan natrium klorida (NaCl), landasan dari industri kimia dasar. Lebih dari 90% kapasitas klor-alkali global menggunakanProses membran pertukaran ion, dengan sisa menggunakan fase-outdiafragmaDansel merkurimetode.

2. Prinsip dan peralatan proses membran penukar ion

Mekanisme inti

Membran pertukaran ion perfluorinasi, menampilkan tulang punggung rantai fluorokarbon dengan gugus fungsi asam sulfonat, menunjukkan resistensi superior terhadap korosi dan degradasi kimia, mempertahankan kinerja yang stabil bahkan di lingkungan yang sangat asam (anoda) dan alkali (katoda). Untuk lebih mengoptimalkan efisiensi membran, proses ini menggabungkan sistem pretreatment air garam canggih, seperti filtrasi tahap ganda dan kromatografi ion, yang mengurangi kotoran jejak seperti besi dan silika ke kadar sub-PPB, sehingga mencegah pengotoran membran dan memperpanjang kehidupan operasional sebesar 20-30%. Selain itu, desain terintegrasi dari sistem elektrolisis memungkinkan regulasi yang tepat dari celah anoda-katoda hingga kurang dari 2 mm, meminimalkan resistensi ohmik dan lebih jauh menurunkan konsumsi energi dengan tambahan 5-8% dibandingkan dengan desain konvensional. Akhirnya, proses ini memungkinkan produksi soda kaustik dengan kemurnian tinggi dengan kandungan natrium klorida yang konsisten di bawah 50 ppm, menghilangkan kebutuhan akan langkah-langkah desalinasi hilir dan membuatnya ideal untuk menuntut aplikasi dalam industri farmasi, elektronik, dan pengolahan makanan.

Peralatan utama

Electrolyzers: Diklasifikasikan ke dalam tipe bipolar dan monopolar. Bipolar electrolyzer beroperasi secara seri dengan tegangan tinggi tetapi menempati lebih sedikit ruang, sementara monopolar berjalan secara paralel dengan arus tinggi yang membutuhkan penyearah independen. Desain "nol-gap" modern mengurangi jarak elektroda<1 mm for further energy savings.

Sistem pemurnian air garam: Penghapusan sulfat berbasis membran (misalnya, sistem pemurnian air garam ruipu) dan adsorpsi resin chelating mengurangi ca²⁺ dan mg²⁺ ke<1 ppm, extending membrane lifespan.

Unit perawatan klorin dan hidrogen: Klorin didinginkan (12-15 derajat) dan dikeringkan dengan 98% h₂so₄ sebelum kompresi untuk produksi PVC; Hidrogen didinginkan, dikompresi, dan digunakan untuk sintesis asam klorida atau sebagai bahan bakar.

3. Konteks Historis dan Keterbatasan Proses Diafragma dan Merkurius

Prinsip proses dan aplikasi historis dari metode diafragma
Elektrolyzer diafragma menggunakan diafragma asbes berpori sebagai penghalang fisik antara ruang anoda dan katoda. Prinsip inti adalah menggunakan selektivitas ukuran pori diafragma (sekitar 10 ~ 20 mikron) untuk memungkinkan elektrolit (larutan NaCl) melewati, sambil mencegah gas CL₂ dan H₂ yang dihasilkan dari pencampuran. Pada anoda, CL⁻ kehilangan elektron untuk menghasilkan Cl₂ (2Cl⁻ - 2 E⁻ → Cl₂ ↑); Pada katoda, H₂O memperoleh elektron untuk menghasilkan h₂ dan oh⁻ (2h₂o + 2 e⁻ → h₂ ↑ + 2 oh⁻), dan oh⁻ bergabung dengan na⁺ untuk membentuk naOH. Karena diafragma asbes tidak dapat sepenuhnya memblokir migrasi terbalik Na⁺, larutan NaOH yang diproduksi pada katoda mengandung sekitar 1% NaCl, dengan konsentrasi hanya 10 ~ 12%, dan perlu terkonsentrasi hingga lebih dari 30% dengan penguapan untuk memenuhi kebutuhan industri. Proses ini banyak digunakan pada pertengahan abad ke-20. China pernah mengandalkan teknologi ini untuk menyelesaikan masalah kekurangan bahan baku kimia dasar, tetapi dengan peningkatan kesadaran lingkungan, cacat yang melekat secara bertahap terpapar.

Cacat fatal dan proses eliminasi metode diafragma
Tiga kelemahan inti dari metode diafragma akhirnya menyebabkan penggantiannya yang komprehensif:
Konsumsi energi tinggi dan efisiensi rendah: Karena resistensi tinggi diafragma asbes, tegangan sel setinggi 3,5 ~ 4.5V, dan konsumsi daya per ton alkali adalah 3000 ~ 3500 kWh, yang 40 ~ 70% lebih tinggi dari metode membran ion. Ini hanya cocok untuk area dengan harga listrik yang rendah;

Kemurnian produk yang tidak mencukupi: Solusi alkali encer yang mengandung NaCl membutuhkan penguapan dan desalinasi tambahan, yang meningkatkan biaya proses dan tidak dapat memenuhi permintaan NaOH dengan kemurnian tinggi di bidang kelas atas (seperti pembubaran alumina);
Krisis Polusi Asbestos: Serat asbes mudah dilepaskan ke udara dan air limbah selama proses produksi. Paparan jangka panjang menyebabkan penyakit seperti kanker paru-paru. Badan Internasional untuk Penelitian Kanker (IARC) mendaftarkannya sebagai karsinogen Kelas I pada awal 1987. Pada tahun 2011, Cina merevisi "pedoman untuk penyesuaian struktur industri", yang dengan jelas menyatakan bahwa semua tanaman soda kaustik diafragma akan dieliminasi pada 2015, dengan total lebih dari 5 juta ton\/tahun kapasitas produksi kapasitas produksi..

Proses elektrolisis merkuri: Toksisitas merkuri bahaya tersembunyi di balik kemurnian tinggi
Karakteristik teknis dan nilai historis dari metode merkuri
Metode merkuri pernah menjadi "proses kelas atas" untuk memproduksi soda kaustik dengan kemurnian tinggi karena sifat unik dari katoda merkuri. Prinsipnya adalah menggunakan Merkurius sebagai katoda seluler. Selama proses elektrolisis, Na⁺ dan merkuri membentuk natrium amalgam (paduan Na-Hg), dan kemudian natrium amalgam bereaksi dengan air untuk menghasilkan 50% konsentrasi tinggi NaOH (Na-HG + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), yang dapat digunakan secara langsung tanpa evaporasi dan konsentrasi. Keuntungan signifikan dari proses ini adalah bahwa output NaOH sangat murni (konten 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.

Bencana polusi merkuri dan proses larangan global
Kelemahan fatal dari metode merkuri adalah polusi merkuri yang tidak dapat diubah:
Volatilisasi Uap Merkuri: Merkurius melarikan diri dalam bentuk uap selama elektrolisis, dan konsentrasi merkuri di lingkungan kerja sering melebihi standar dengan lusinan kali, menghasilkan seringnya insiden keracunan merkuri di antara para pekerja (seperti insiden penyakit Minamata di Jepang pada tahun 1956, yang disebabkan oleh pencemaran merkuri);

Bahaya pelepasan air limbah: tentang 10-20 gram merkuri hilang untuk setiap ton NaOH yang diproduksi, yang diubah menjadi methylmercury setelah memasuki badan air, dan diperkaya melalui rantai makanan untuk membahayakan ekosistem;
Kesulitan dalam Daur Ulang: Meskipun merkuri dapat dipulihkan dengan distilasi, operasi jangka panjang masih mengarah pada kandungan merkuri yang berlebihan di tanah, dan biaya remediasi tinggi. Dengan Masuk Berlaku Konvensi Minamata (2013), lebih dari 90% negara di dunia telah berjanji untuk menghapus metode merkuri pada tahun 2020. Sebagai produsen chlor-alkali terbesar di dunia, China benar-benar melarang proses merkuri pada tahun 2017, benar-benar memotong proses "rantai polusi soda soda-ke-soda dan akibat dari industri dan mempromosikan industri ini, dan mempromosikan rantai polusi industri, dan mempromosikan rantai polusi industri di industri ini, rantai polusi di industri ini, dan mempromosikan rantai polusi industri di industri dengan industri, polusi industri, rantai polusi industri industri ini. Saat ini, hanya beberapa negara seperti India dan Pakistan yang masih mempertahankan kurang dari 5% dari kapasitas produksi merkuri dan menghadapi tekanan lingkungan internasional yang parah.

4. Manajemen sampingan dan daur ulang sumber daya

Pemanfaatan klorin bernilai tinggi

Bahan kimia dasar: Digunakan dalam produksi PVC (30-40% dari permintaan klorin) dan sintesis propilen oksida.

Aplikasi kelas atas: Klorin tingkat elektronik (lebih dari atau sama dengan kemurnian 99,999%) untuk perintah etsa semikonduktor 5-8 kali harga klorin tingkat industri.

Perawatan darurat: CL₂ yang tidak disengaja diserap dalam scrubber NaOH dua tahap (konsentrasi 15-20%), memastikan emisi<1 mg/m³.

Pemulihan dan pemanfaatan hidrogen

Sintesis asam klorida: Bereaksi dengan Cl₂ untuk menghasilkan HCl untuk pengawetan dan obat -obatan.

Energi hijau: Sel bahan bakar hidrogen yang dimurnikan atau sintesis amonia, dengan satu tanaman mengurangi jejak karbon sebesar 60% melalui integrasi hidrogen.

Kontrol Keselamatan: Pipa hidrogen menggabungkan penahan nyala dan perangkat pelepas tekanan, dengan pemantauan kemurnian H₂\/Cl₂ waktu nyata untuk mencegah ledakan.

5. Optimalisasi proses dan teknologi hemat energi

Teknologi katoda oksigen

Prinsip: Mengganti evolusi hidrogen dengan reduksi oksigen menurunkan tegangan sel dengan {{{0}}. 8–1.0 V, mengurangi konsumsi energi menjadi<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Aplikasi: Beijing University of Chemical Technology's 50, 000- ton\/tahun tanaman mencapai penghematan daya 30%.

Elektrolyzer densitas arus tinggi

Kemajuan: Meningkatkan kepadatan arus dari 4 Ka\/m² menjadi 6 Ka\/m² meningkatkan kapasitas sebesar 30%, dikomersialkan oleh Asahi Kasei (Jepang) dan Thyssenkrupp (Jerman).

Transformasi digital

Sistem Kontrol Cerdas: AI algorithms optimize current efficiency to >96% dan memprediksi umur membran dengan<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

Inspeksi bertenaga AI: Tanaman kimia berbasis Hangzhou menggunakan robot yang dilengkapi AI untuk memeriksa fasilitas klorin, mencapai akurasi 99,99% dalam mendeteksi penyumbatan tabung Teflon.

6. Tantangan Lingkungan dan Teknologi Produksi Bersih

Pengolahan air limbah

Deklorinasi: Deklorinasi vakum (residual CL₂<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% menggunakan kembali.

Nol cairan debit (zld): Multi-Effect Evaporation (MVR) mengkristal garam industri, diimplementasikan di Xinjiang dan Shandong.

Perawatan gas buang

Kontrol Kabut Asam Sulfat: Electrostatic precipitators (>Efisiensi 99%) dan menggosok basah memenuhi standar emisi GB 16297-2025.

Pencegahan polusi merkuri: Katalis mercury rendah dipromosikan, dengan Yunnan Salt dan Haohua Yuhang menerima dana negara untuk R&D katalis bebas merkuri.

Pengelolaan limbah padat

Daur Ulang Membran: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >Efisiensi 98%.

Pemanfaatan lumpur garam: Digunakan dalam bahan konstruksi atau penutup TPA, dengan 100% pemanfaatan komprehensif slag karbida.