بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
بهينه سازي شرايط عملياتي واحد الکتروليز صنايع کلرپارس
چکيده
توليدات اصلي صنايع کلرآلکالي عبارتند ازکلر، سود، کربنات سديم ، پتاس و اسيد کلريدريک . کلرو سود دو محصول مهم اين گروه هستندو در زمره ده محصول شيميايي جهان قرار گرفته اند.
در اين پروژه فرآيند کلرآلکالي و تکنولوژي الکتروليز ممبراني و نيز شرايط عملياتي واحد الکتروليز ممبراني صنايع کلرپارس طي آزمايشاتي مورد بررسي قرار گرفته تا امکان ترسيم تصور دقيق ازاين شرايط ميسرگردد.سپس با استفاه از داده هاي تجربي، شرايط اپتيمم عملياتي براي الکتروليز آب نمک حاصل گرديده است . در اين مقاله تغيرات فشار طرف آند،فشار طرف کاتد،اختلاف فشار طرف کاتدو طرف آند،دماي آب نمک خروجي،دماي سود خروجي و نيز تغيرات غلظت آب نمک حروجي همگي بر حسب زمان مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته و براي بهبود شرايط عملياتي پسشنهاداتي ارائه شده است .
کلمات کليدي : الکتروليز ممبراني ، شرايط عملياتي ، کلر آلکالي ، بهينه سازي ، آب نمک
مقدمه
درسالهاي گذشته ، تکنولوژي ممبران ، الکترولايزر، الکترود وفرآيند خالص سازي آب نمک پيشرفتهاي زيادي کرده و عملکردو راندمان توليددرفرآيندهاي ممبراني در واحدهاي کلرآلکالي بالا رفته است . در فرآيندهاي الکتروليز ممبراني اوليه مصرف برق در حدود -٢٠٠٠ ٢٠٥٠ کيلووات ساعت بر هر تن سود توليدي بوده و اين ممبرانها در دانسيته جريان يا کمتر فعاليت کرده و طول عمر ممبران ٤ سال يا بيشتربوده است .
ازمشخصه مهم فرآيند ممبراني مصرف پائين انرژي الکتريکي در آن است . در سالهاي گذشته ، غلظت سود توليدي کمتر از ٢٠ درصد و راندمان جريان پائين تر از ٩٠ درصد بوده است در حاليکه در الکترولايزرهاي کنوني ، غلظت سودتا ٣٣ درصد، راندمان جريان تا ٩٧ درصد و افت اهمي جريان به کمتراز ١ ولت کاهش يافته است . درنتيجه با توجه به پيشرفت هاي صورت گرفته در طراحي الکترولايزر، غلظت الکتروليت در داخل سل يکنواخت گرديده و فاصله الکترودهاو افت اهمي در محلول الکتروليت نيزتا ٣٠ درصد کاهش يافته است .. همچنين با پيشرفت هاي صورت گرفته در طراحي الکترودو ترکيب آن مصرف انرژي الکتريکي کاهش پيدا کرده است . جايگزين کردن کاتدهاي استيلي با کاتدهاي فعال ،ولتاژ سل را در حدود mV ٢٥٠ کاهش داده است .
کاهش ولتاژسل ، از طريق تمرکز بر روي ممبران و الکترود ميسر گرديده است . در واحدهاي تجاري موجود در دانسيته جريان و فاصله الکترودmm ٢، افت ولتاژممبران ، آندوکاتد به ترتيب ٣٥٠، ٥٠ و ١٠٠ (mV) ميباشد. بنابراين کل افت ولتاژ اين اجزاء در حدودmV ٥٠٠ بوده ولي در ممبراني هاي تجاري که در سالهاي اخير روانه بازارشده اند، افت ولتاژ اين اجزاء به کمتر از ١٣ رسيده است .
با کاهش مقاومت الکتريکي محلول الکتروليت و حباب هاي گاز مابين دو الکترود، ولتاژ سل کاهش يافته ودر الکترولايزرهاي موجود، افت ولتاژ اين فاکتورها در حدود ٢٠٠ – ١٠٠ mVو فاصله الکترودها درحدود mm ٢ ميباشد. با توسعه سل هاي زيروگپ و اصلاحات صورت گرفته در ساختار الکترولايزر، اکنون ساختار الکترودو فاصله الکترودها به نحوي است که تأثير محلول الکتروليت و حباب هاي گاز را کاهش داده ومقاومت الکتريکي اين اجزاء را پائين آورده و سبب شده که عمليات ممبران ها در دانسيته هاي جريان بالاتر امکان پذيرگردد[١].
با توجه به تاريخچه کارکرد ممبران ها و الکترولايزرها وبا استناد به داده هاي ثبت شده توسط نرم افزار EMS ،عمده ترين مشکلات مشاهده شده در ممبران ها ، وجود چروک و سوراخ هاي ريز بوده که منجر به کاهش طول عمر الکترولايزر هاو ممبران ها گرديده است و عوارض جانبي نظير افزايش ناخالصي نمک وکلرات در سود توليدي را موجب مي شود.
انواع صدمات وارده بر ممبران به سه بخش به شرح زير تقسيم مي شود:
I-صدمات ناشي از تجمع ناخالصي ها در ممبران
II-صدمات ناشي از تغيير خواص پليمر(تاثير در انتقال جرم )
III-صدمات مکانيکي
از ميان موارد فوق صدمات ناشي از تجمع ناخالصي در ممبران شايع تر از بقيه بوده ولي صدمات مکانيکي خطرناکتر از بقيه مي باشدودر صورت بروز آن ،ممبران در کمتراز ٦ ماه از بين مي رود ولي در ساير صدمات ، اين فاصله زماني ١ الي ٢سال مي باشد.البته در تعيين عمر ممبران عواملي مانند نوع ممبران و سل بکار رفته و نحوه بهره برداري از آن از جمله فاکتورهاي مهم به شمار مي روند[٢].
تئوري
در فرآيند الکتروليز، محلول کلريد سديم در آب بوسيله عبور جريان مستقيم تجزيه شده و به کلر، هيدروژن و محلول سود تبديل مي گردد.واکنش کلي فرآيند به صورت زير است :
که در دو طرف آند و کاتد روي داده ولي واکنش آزاد شدن کلر در طرف آند اتفاق مي افتد.
سه پروسه توليد به روش الکتروليز وجود دارد. واکنش کاتد به نوع فرآيند بستگي داشته و اين سه فرآيند عبارتند از:
i-فرآيند ديافراگمي ii-فرآيند جيوه اي iii-فرآيند ممبراني
در سل غشايي، آنولايت و کاتولايت توسط ممبران از يکديگر جدا گشته و با ورود آب نمک اشباع ، گاز کلر طبق واکنش زير آزاد مي شود:
ميدان الکتريکي باعث مهاجرت يون هاي سديم هيدراته از طريق ممبران به کاتد شده و در قسمت کاتد هيدروژن و سود به روش زير تشکيل مي گردد:
فازهاي گازو مايع در سل و يا در جريان پايين دستي از يکديگر جدا گشته و آنولايت اشباع از کلر وارد قسمت کلرزدايي شده و کلر حل شده از آب نمک جدا مي گردد . در شکل (١) نمايي از يک سل کلرآلکالي نشان داده است .
ساختار ممبران بايد به نحوي باشد که هم در برابر کلرو آنولايت و هم در برابر محلول سود غليظ و در دماي oC٩٥ مقاومت لازم را داشته باشد.تنها ممبران هاي مبادله گريوني که قادر به مقاومت در برابر چنين شرايط سختي هستند، پليمرهاي فلوروسولفونات (SO3F-)و يا در فرم کربوکسيلات (COOR-) است .
فلوروسولفات :
کربوکسيلات :
ممبران هاي اوليه از لايه پرفلوروسولفونات ساخته شده و اين پليمرها آب کمتري جذب مينمايند و از انتخاب پذيري بيشتري نيزبرخوردار بوده و در نتيجه مقاومت الکتريکي و مصرف انرژي الکتريکي آن ها نيز بيشتر ميباشد. با ترکيب راندمان جريان بالاو مقاومت الکتريکي پايين ، ممبران هاي کامپوزيت بوجود آمدند. در اين ممبران ها لايه محتوي گروه -SO٣ در طرف آند ولي لايه محتوي گروه -COO در طرف کاتد قرار گرفته و ضخامت لايه پرفلوروسولفونات بيشتر از لايه پرفلورو کربوکسيلات بوده و عمده ساختار ممبران را تشکيل مي دهد.
کل فلاکس عبوري از ممبران را مي توان به سه قسمت تقسيم کرد:
١-مهاجرت در اثر برقراري ميدان الکتريکي ٢- جابجايي (کنواکسيون ) ٣- نفوذ در اثر گراديان شيميايي
در اثر بر قراري ميدان الکتريکي، يون سديم از طريق ممبران به کاتدو يون هيدروکسيد به آند منتقل ميگردد. انتخاب پذيري ممبران به نيروي دافعه آن در برابر يون هاي هيدروکسيل مربوط بوده و بوسيله راندمان جريان تعيين ميگردد.
مهاجرت يون هاي هيدروکسيل باعث تشکيل اکسيژن ، هيپوکلريت و کلرات در قسمت آند شده وباعث کاهش راندمان جريان به ميزان ٧-٣ درصد ميگردد. با انتخاب کوتينگ مناسب براي آند و کاهش PH آن بوسيله اسيدي کردن آب نمک ورودي ميتوان از توليد اکسيژن تا حدود زيادي جلوگيري کرد. کنوکسيون و نفوذ، ميزان فلاکس عبوري از ممبران را تعيين کرده و ممبران مانع از ورود آنيون هاي کلريد به کاتولايت گشته و ميدان الکتريکي نيز آن را دفع مي نمايد[٤] .
با گذشت زمان عملکرد ممبران و الکترولايزر تحت تاثير عوامل محيطي قرار گرفته و ممکن است در اثر بعضي عوامل از قبيل وجود ناخالصي در آب نمک ورودي، انتقال جرم نامناسب در طول ممبران و عواملي ديگر صدماتي به ممبران وارد شود . در زير به عوامل اصلي ايجاد اين صدمه پرداخته ميشود:
I-صدمات ناشي از تجمع ناخالصي ها در ممبران
در اثر رسوب ناخالصي ها روي ممبران صدماتي ايجادميگرددکه تاثيرآن معمولا در طرف کاتد ظاهر مي شود. اين ناخالصي هاگاهي با چشم نيز قابل مشاهده مي باشد. در صورتي که سطح ممبران سالم صاف باشد، ناخالصي ها معمولا باعث افزايش ولتاژ ممبران (افزايش افت ولتاژ در ممبران ) وکاهش راندمان جريان در ممبران مي گردند براي پيشگيري از اين نوع صدمات بايد از آب نمکي با مشخصات قابل قبول استفاده کردو کارايي تجهيزات را با نگهداري به موقع و بهره برداري صحيح افزايش داد.همچنين با احيا به موقع رزين هاي تبادل يوني و کنترل مرتب ميزان ناخالصي ها مي توان از بروز اين دسته از صدمات جلوگيري کرد[٦].
