مقاله بهینه سازی شرایط عملیاتی واحد الکترولیز صنایع کلرپارس

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بهینه سازی شرایط عملیاتی واحد الکترولیز صنایع کلرپارس
چکیده
تولیدات اصلی صنایع کلرآلکالی عبارتند ازکلر، سود، کربنات سدیم ، پتاس و اسید کلریدریک . کلرو سود دو محصول مهم این گروه هستندو در زمره ده محصول شیمیایی جهان قرار گرفته اند.
در این پروژه فرآیند کلرآلکالی و تکنولوژی الکترولیز ممبرانی و نیز شرایط عملیاتی واحد الکترولیز ممبرانی صنایع کلرپارس طی آزمایشاتی مورد بررسی قرار گرفته تا امکان ترسیم تصور دقیق ازاین شرایط میسرگردد.سپس با استفاه از داده های تجربی، شرایط اپتیمم عملیاتی برای الکترولیز آب نمک حاصل گردیده است . در این مقاله تغیرات فشار طرف آند،فشار طرف کاتد،اختلاف فشار طرف کاتدو طرف آند،دمای آب نمک خروجی،دمای سود خروجی و نیز تغیرات غلظت آب نمک حروجی همگی بر حسب زمان مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و برای بهبود شرایط عملیاتی پسشنهاداتی ارائه شده است .
کلمات کلیدی : الکترولیز ممبرانی ، شرایط عملیاتی ، کلر آلکالی ، بهینه سازی ، آب نمک

مقدمه
درسالهای گذشته ، تکنولوژی ممبران ، الکترولایزر، الکترود وفرآیند خالص سازی آب نمک پیشرفتهای زیادی کرده و عملکردو راندمان تولیددرفرآیندهای ممبرانی در واحدهای کلرآلکالی بالا رفته است . در فرآیندهای الکترولیز ممبرانی اولیه مصرف برق در حدود -٢٠٠٠ ٢٠۵٠ کیلووات ساعت بر هر تن سود تولیدی بوده و این ممبرانها در دانسیته جریان یا کمتر فعالیت کرده و طول عمر ممبران ۴ سال یا بیشتربوده است .
ازمشخصه مهم فرآیند ممبرانی مصرف پائین انرژی الکتریکی در آن است . در سالهای گذشته ، غلظت سود تولیدی کمتر از ٢٠ درصد و راندمان جریان پائین تر از ٩٠ درصد بوده است در حالیکه در الکترولایزرهای کنونی ، غلظت سودتا ٣٣ درصد، راندمان جریان تا ٩٧ درصد و افت اهمی جریان به کمتراز ١ ولت کاهش یافته است . درنتیجه با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در طراحی الکترولایزر، غلظت الکترولیت در داخل سل یکنواخت گردیده و فاصله الکترودهاو افت اهمی در محلول الکترولیت نیزتا ٣٠ درصد کاهش یافته است .. همچنین با پیشرفت های صورت گرفته در طراحی الکترودو ترکیب آن مصرف انرژی الکتریکی کاهش پیدا کرده است . جایگزین کردن کاتدهای استیلی با کاتدهای فعال ،ولتاژ سل را در حدود mV ٢۵٠ کاهش داده است .
کاهش ولتاژسل ، از طریق تمرکز بر روی ممبران و الکترود میسر گردیده است . در واحدهای تجاری موجود در دانسیته جریان و فاصله الکترودmm ٢، افت ولتاژممبران ، آندوکاتد به ترتیب ٣۵٠، ۵٠ و ١٠٠ (mV) میباشد. بنابراین کل افت ولتاژ این اجزاء در حدودmV ۵٠٠ بوده ولی در ممبرانی های تجاری که در سالهای اخیر روانه بازارشده اند، افت ولتاژ این اجزاء به کمتر از ١٣ رسیده است .
با کاهش مقاومت الکتریکی محلول الکترولیت و حباب های گاز مابین دو الکترود، ولتاژ سل کاهش یافته ودر الکترولایزرهای موجود، افت ولتاژ این فاکتورها در حدود ٢٠٠ – ١٠٠ mVو فاصله الکترودها درحدود mm ٢ میباشد. با توسعه سل های زیروگپ و اصلاحات صورت گرفته در ساختار الکترولایزر، اکنون ساختار الکترودو فاصله الکترودها به نحوی است که تأثیر محلول الکترولیت و حباب های گاز را کاهش داده ومقاومت الکتریکی این اجزاء را پائین آورده و سبب شده که عملیات ممبران ها در دانسیته های جریان بالاتر امکان پذیرگردد[١].
با توجه به تاریخچه کارکرد ممبران ها و الکترولایزرها وبا استناد به داده های ثبت شده توسط نرم افزار EMS ،عمده ترین مشکلات مشاهده شده در ممبران ها ، وجود چروک و سوراخ های ریز بوده که منجر به کاهش طول عمر الکترولایزر هاو ممبران ها گردیده است و عوارض جانبی نظیر افزایش ناخالصی نمک وکلرات در سود تولیدی را موجب می شود.
انواع صدمات وارده بر ممبران به سه بخش به شرح زیر تقسیم می شود:
I-صدمات ناشی از تجمع ناخالصی ها در ممبران
II-صدمات ناشی از تغییر خواص پلیمر(تاثیر در انتقال جرم )
III-صدمات مکانیکی
از میان موارد فوق صدمات ناشی از تجمع ناخالصی در ممبران شایع تر از بقیه بوده ولی صدمات مکانیکی خطرناکتر از بقیه می باشدودر صورت بروز آن ،ممبران در کمتراز ۶ ماه از بین می رود ولی در سایر صدمات ، این فاصله زمانی ١ الی ٢سال می باشد.البته در تعیین عمر ممبران عواملی مانند نوع ممبران و سل بکار رفته و نحوه بهره برداری از آن از جمله فاکتورهای مهم به شمار می روند[٢].
تئوری
در فرآیند الکترولیز، محلول کلرید سدیم در آب بوسیله عبور جریان مستقیم تجزیه شده و به کلر، هیدروژن و محلول سود تبدیل می گردد.واکنش کلی فرآیند به صورت زیر است :

که در دو طرف آند و کاتد روی داده ولی واکنش آزاد شدن کلر در طرف آند اتفاق می افتد.

سه پروسه تولید به روش الکترولیز وجود دارد. واکنش کاتد به نوع فرآیند بستگی داشته و این سه فرآیند عبارتند از:
i-فرآیند دیافراگمی ii-فرآیند جیوه ای iii-فرآیند ممبرانی
در سل غشایی، آنولایت و کاتولایت توسط ممبران از یکدیگر جدا گشته و با ورود آب نمک اشباع ، گاز کلر طبق واکنش زیر آزاد می شود:

میدان الکتریکی باعث مهاجرت یون های سدیم هیدراته از طریق ممبران به کاتد شده و در قسمت کاتد هیدروژن و سود به روش زیر تشکیل می گردد:

فازهای گازو مایع در سل و یا در جریان پایین دستی از یکدیگر جدا گشته و آنولایت اشباع از کلر وارد قسمت کلرزدایی شده و کلر حل شده از آب نمک جدا می گردد . در شکل (١) نمایی از یک سل کلرآلکالی نشان داده است .

ساختار ممبران باید به نحوی باشد که هم در برابر کلرو آنولایت و هم در برابر محلول سود غلیظ و در دمای oC٩۵ مقاومت لازم را داشته باشد.تنها ممبران های مبادله گریونی که قادر به مقاومت در برابر چنین شرایط سختی هستند، پلیمرهای فلوروسولفونات (SO3F-)و یا در فرم کربوکسیلات (COOR-) است .
فلوروسولفات :

کربوکسیلات :

ممبران های اولیه از لایه پرفلوروسولفونات ساخته شده و این پلیمرها آب کمتری جذب مینمایند و از انتخاب پذیری بیشتری نیزبرخوردار بوده و در نتیجه مقاومت الکتریکی و مصرف انرژی الکتریکی آن ها نیز بیشتر میباشد. با ترکیب راندمان جریان بالاو مقاومت الکتریکی پایین ، ممبران های کامپوزیت بوجود آمدند. در این ممبران ها لایه محتوی گروه -SO٣ در طرف آند ولی لایه محتوی گروه -COO در طرف کاتد قرار گرفته و ضخامت لایه پرفلوروسولفونات بیشتر از لایه پرفلورو کربوکسیلات بوده و عمده ساختار ممبران را تشکیل می دهد.
کل فلاکس عبوری از ممبران را می توان به سه قسمت تقسیم کرد:
١-مهاجرت در اثر برقراری میدان الکتریکی ٢- جابجایی (کنواکسیون ) ٣- نفوذ در اثر گرادیان شیمیایی
در اثر بر قراری میدان الکتریکی، یون سدیم از طریق ممبران به کاتدو یون هیدروکسید به آند منتقل میگردد. انتخاب پذیری ممبران به نیروی دافعه آن در برابر یون های هیدروکسیل مربوط بوده و بوسیله راندمان جریان تعیین میگردد.
مهاجرت یون های هیدروکسیل باعث تشکیل اکسیژن ، هیپوکلریت و کلرات در قسمت آند شده وباعث کاهش راندمان جریان به میزان ٧-٣ درصد میگردد. با انتخاب کوتینگ مناسب برای آند و کاهش PH آن بوسیله اسیدی کردن آب نمک ورودی میتوان از تولید اکسیژن تا حدود زیادی جلوگیری کرد. کنوکسیون و نفوذ، میزان فلاکس عبوری از ممبران را تعیین کرده و ممبران مانع از ورود آنیون های کلرید به کاتولایت گشته و میدان الکتریکی نیز آن را دفع می نماید[۴] .
با گذشت زمان عملکرد ممبران و الکترولایزر تحت تاثیر عوامل محیطی قرار گرفته و ممکن است در اثر بعضی عوامل از قبیل وجود ناخالصی در آب نمک ورودی، انتقال جرم نامناسب در طول ممبران و عواملی دیگر صدماتی به ممبران وارد شود . در زیر به عوامل اصلی ایجاد این صدمه پرداخته میشود:
I-صدمات ناشی از تجمع ناخالصی ها در ممبران
در اثر رسوب ناخالصی ها روی ممبران صدماتی ایجادمیگرددکه تاثیرآن معمولا در طرف کاتد ظاهر می شود. این ناخالصی هاگاهی با چشم نیز قابل مشاهده می باشد. در صورتی که سطح ممبران سالم صاف باشد، ناخالصی ها معمولا باعث افزایش ولتاژ ممبران (افزایش افت ولتاژ در ممبران ) وکاهش راندمان جریان در ممبران می گردند برای پیشگیری از این نوع صدمات باید از آب نمکی با مشخصات قابل قبول استفاده کردو کارایی تجهیزات را با نگهداری به موقع و بهره برداری صحیح افزایش داد.همچنین با احیا به موقع رزین های تبادل یونی و کنترل مرتب میزان ناخالصی ها می توان از بروز این دسته از صدمات جلوگیری کرد[۶].

Facebook Twitter Google+ LinkedIn Pinterest Print