Consideraciones técnicas de diseño, lógica de balance de materiales, integración posterior y requisitos de seguridad para instalaciones de cloro-álcali cautivo a pequeña-escala.
La planta de NaOH de 5 TPD requiere un diseño de proceso integrado
Una planta de cloro-alcalino de membrana equivalente a NaOH-de 5 TPD es un sistema de producción química a pequeña-escala, pero su diseño de ingeniería implica más que simplemente seleccionar un electrolizador capaz de producir 5 toneladas de soda cáustica por día. La electrólisis de membrana produce tres corrientes primarias simultáneamente: hidróxido de sodio, cloro e hidrógeno. Por lo tanto, la planta debe diseñarse teniendo en cuenta el balance material completo de estos productos. Para una instalación de consumo cautivo-, se puede suministrar NaOH directamente al proceso posterior, mientras que el cloro y el hidrógeno generados se pueden convertir en ácido clorhídrico e hipoclorito de sodio de acuerdo con los requisitos de consumo reales del sitio.
Reacción electroquímica básica:2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂
El balance de materiales determina la capacidad de cloro e hidrógeno
Utilizando la relación estequiométrica teórica, producir 5 toneladas de equivalente de NaOH al 100 % por día corresponde a aproximadamente 4,43 toneladas de cloro y 0,126 toneladas de hidrógeno por día. Las cifras de producción reales variarán según la eficiencia actual, el voltaje de la celda, las condiciones operativas, el rendimiento de la membrana y las pérdidas del proceso. Esta relación es crítica al dimensionar las secciones de síntesis de HCl y de hipoclorito de sodio porque el equipo aguas abajo debe ser capaz de consumir continuamente el cloro generado por los electrolizadores.
Antes de seleccionar el equipo, el comprador debe definir claramente si la capacidad declarada de 5 TPD se refiere al equivalente de NaOH al 100%, a una concentración específica de solución de NaOH u otra base de producción.
La electrólisis de membrana es la unidad de producción principal
La sección de electrólisis de membrana convierte la salmuera purificada en soda cáustica, cloro e hidrógeno. Un sistema típico incluye preparación y purificación de salmuera, circulación de salmuera purificada, electrolizadores de membrana, rectificadores de CC, equipos de separación de gas-líquido, circulación cáustica e instrumentación de procesos. La membrana de intercambio iónico-separa los compartimentos anódico y catódico al tiempo que permite que iones seleccionados pasen a través de la membrana.
Nota de calidad crítica:Mantener una calidad adecuada de la salmuera es particularmente importante porque el calcio, el magnesio y otras impurezas pueden afectar el funcionamiento de la membrana y aumentar los requisitos de mantenimiento. En consecuencia, la sección de purificación de salmuera debe considerarse una parte integral de la planta cloro-alcalina en lugar de un sistema auxiliar de servicios públicos.
El almacenamiento de cloro casi-cero cambia la configuración de la planta
El requisito de un almacenamiento esencialmente nulo de cloro influye significativamente en la disposición general del proceso. En lugar de producir cloro para-almacenamiento a largo plazo y transporte posterior, el cloro generado por el electrolizador debe dirigirse continuamente hacia puntos de consumo posteriores. En esta configuración, la planta puede utilizar cloro para la síntesis de HCl y la producción de hipoclorito de sodio, minimizando al mismo tiempo el inventario de cloro a granel.
Un diseño de ingeniería práctico aún puede requerir un volumen de retención de proceso-limitado, equipo de control de presión y capacidad de tratamiento de emergencia, pero el sistema no depende de un almacenamiento de cloro a gran-escala. Este enfoque requiere una estrecha coordinación entre la capacidad del electrolizador y la demanda instantánea de cloro de las unidades posteriores.
La síntesis de HCl utiliza cloro e hidrógeno
La síntesis de ácido clorhídrico proporciona una ruta importante para consumir los subproductos-de la electrólisis de membrana. El hidrógeno y el cloro generados por el electrolizador se pueden combinar según la reacción.Cl₂ + H₂ → 2HCl, seguido de absorción en agua para obtener ácido clorhídrico a la concentración requerida.
Desde la perspectiva de una planta integrada, esta disposición es atractiva porque se pueden utilizar tanto el cloro como el hidrógeno en lugar de tratarlos como flujos residuales separados. Sin embargo, la capacidad de producción de HCl, la concentración de ácido objetivo, las condiciones operativas y la tasa de consumo posterior deben definirse antes de seleccionar el equipo de síntesis, absorción, enfriamiento y circulación de HCl.
El hipoclorito de sodio proporciona una segunda ruta de consumo de cloro
La producción de hipoclorito de sodio ofrece otro método para consumir cloro directamente en el sitio de producción. El cloro reacciona con hidróxido de sodio diluido para formar hipoclorito de sodio, cloruro de sodio y agua. Debido a que el proceso cloro-alcalino ya produce NaOH, parte de la corriente cáustica se puede asignar a la sección de NaOCl de acuerdo con la especificación requerida del producto.
El diseño de esta unidad depende de la capacidad de NaOCl requerida, la concentración de cloro-disponible, la concentración de NaOH, la temperatura de reacción, los requisitos de enfriamiento y el tiempo de almacenamiento del producto. Estos parámetros deben especificarse por separado en lugar de asumir que la capacidad de NaOCl se determina automáticamente mediante la cifra de 5 TPD de NaOH.
El balance de materiales integrado conecta toda la planta
Se puede organizar una configuración de proceso adecuada en torno a un flujo de material continuo: la salmuera purificada ingresa a los electrolizadores de membrana, el NaOH se envía para consumo cautivo o concentración adicional, el hidrógeno se dirige hacia la síntesis de HCl y el cloro se divide entre la síntesis de HCl y la producción de hipoclorito de sodio.
La asignación de cloro debe basarse en la demanda real de HCl y NaOCl en lugar de simplemente maximizar la producción de cualquiera de los productos. El sistema de control de procesos también debe coordinar el electrolizador y las unidades posteriores para que las variaciones en la demanda de HCl o NaOCl no creen una acumulación incontrolada de cloro.
La seguridad del cloro debe incluirse en el diseño básico
Un concepto de almacenamiento de cloro casi-cero-no significa que se puedan eliminar los equipos de seguridad contra el cloro. Durante el funcionamiento normal, todavía existirá cloro gaseoso dentro de las tuberías del proceso, los separadores y los equipos posteriores. Por lo tanto, la planta debería considerar la detección de cloro, el enrutamiento controlado del gas, la regulación de la presión, el apagado de emergencia, la ventilación y la absorción o depuración de cloro de emergencia.
El sistema de emergencia debe diseñarse en torno a escenarios de operación y parada creíbles, incluidos los disparos de equipos posteriores y la pérdida del consumo normal de cloro. El objetivo es evitar que una interrupción en una unidad aguas abajo cree una condición insegura en la sección de electrólisis.
Las especificaciones de adquisiciones deben definir la planta completa
Antes de preparar una cotización técnica, el comprador debe proporcionar la concentración requerida de NaOH, la capacidad y concentración de producción de HCl, la capacidad de hipoclorito de sodio y la concentración de cloro{0}}disponible, las horas de operación, el programa de operación anual, la calidad de la sal, la calidad del agua, el suministro eléctrico, las condiciones del sitio y el patrón de consumo posterior.
Estos parámetros afectan al dimensionamiento de los electrolizadores, sistema de purificación de salmuera, rectificador DC, equipos de separación de gases, unidad de síntesis de HCl, reactor de NaOCl, sistema de refrigeración, tanques de producto y sistemas de seguridad.
