Loji soda kaustik berasaskan proses-alkali klor bukanlah mesin tunggal tetapi sistem pengeluaran elektrokimia berterusan. Setiap bahagian tumbuhan melakukan langkah transformasi atau penulenan tertentu.
Sistem Penyediaan Air Garam
Sistem penyediaan air garam menukarkan garam industri pepejal (NaCl) kepada air garam tepu yang sesuai untuk suapan elektrolisis. Dalam kebanyakan reka bentuk alkali membran klor-, kepekatan air garam sasaran dikawal pada kira-kira 300–310 g/L NaCl.
Sistem ini biasanya termasuk tangki pelarut garam, pengaduk, skrin penapisan kasar dan gelung peredaran air garam. Tangki pembubaran direka bentuk untuk mengekalkan masa kediaman terkawal, biasanya 2-4 jam, untuk memastikan pembubaran kristal natrium klorida sepenuhnya.
Kekotoran yang tidak larut seperti pasir, tanah liat, dan garam tidak larut disingkirkan melalui pemisahan termendap atau hidrosiklon. Air garam keluaran kemudiannya dipindahkan ke bahagian penulenan.
Reka bentuk subsistem ini berkaitan secara langsung dengan hayat sel membran, kerana pepejal terampai melebihi 1 mg/L boleh mempercepatkan kekotoran membran dan meningkatkan voltan sel dari semasa ke semasa.
Unit Pemurnian Air Garam
Sistem penulenan air garam membuang kation divalen seperti kalsium (Ca²⁺), magnesium (Mg²⁺), dan mengesan logam berat yang mengganggu prestasi membran. Dalam sistem alkali membran-, kepekatan kalsium dan magnesium lazimnya mesti dikurangkan kepada di bawah 20 ppb (bahagian per bilion).
Kaedah penulenan piawai ialah pemendakan kimia menggunakan natrium karbonat (Na₂CO₃) dan natrium hidroksida (NaOH). Tindak balas membentuk kalsium karbonat dan magnesium hidroksida yang tidak larut:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
Mendakan ini dikeluarkan menggunakan penjernih atau tangki pemendapan lamella diikuti dengan sistem penapisan halus, biasanya penapis kartrij 5–10 mikron.
Penapis penggilap dipasang di hiliran untuk memastikan kualiti suapan yang stabil kepada elektrolisis. Sistem penulenan air garam juga termasuk gelung kawalan pH dan pemantauan ORP untuk mengekalkan kecekapan tindak balas.
Sistem Elektrolisis (Bahagian Sel Membran)
Elektroliser ialah teras kepada proses alkali-klor. Tumbuhan moden menggunakan ion-sel membran pertukaran, biasanya berdasarkan membran asid perfluorosulfonik (PFSA).
Setiap sel elektrolisis dibahagikan kepada petak anod dan petak katod yang dipisahkan oleh-membran terpilih kation. Air garam dimasukkan ke dalam ruang anod, di mana ion klorida dioksidakan kepada gas klorin:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Di bahagian katod, air dikurangkan kepada gas hidrogen dan ion hidroksida:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Ion natrium berhijrah melalui membran dan bergabung dengan ion hidroksida untuk membentuk natrium hidroksida (NaOH).
Parameter operasi biasa untuk sel membran industri termasuk:
Suhu sel: 85–95 darjah
Ketumpatan semasa: 3.0–6.0 kA/m²
Voltan sel: 3.0–3.3 V
Kepekatan NaOH: 30–35% berat (keluaran minuman keras sel)
Sistem elektrolisis termasuk bingkai sel, elektrod (anod titanium dengan salutan ruthenium/iridium), katod nikel dan sistem pengedap hidraulik. Penjajaran sel dan daya mampatan dikawal untuk mengelakkan kebocoran dan mengekalkan integriti membran.
Sistem Penerus
Sistem penerus menukar kuasa AC daripada grid kepada kuasa DC yang diperlukan untuk elektrolisis. Loji alkali-klor biasanya beroperasi pada arus DC yang sangat tinggi, selalunya dalam julat 10 kA hingga 200 kA bergantung pada kapasiti loji.
Penerus terdiri daripada:
Unit pengubah (langkah-turun dan pengasingan)
Modul penerus Thyristor atau IGBT
Bar bas DC
Sistem penyejukan (udara atau air-disejukkan)
Voltan keluaran biasanya antara 100 V dan 600 V DC bergantung pada konfigurasi tindanan. Riak semasa dikawal di bawah 5% untuk mengekalkan keadaan tindak balas elektrokimia yang stabil.
Sistem pembetulan faktor kuasa sering disepadukan untuk mengekalkan pematuhan grid, terutamanya dalam-loji berskala besar yang melebihi kapasiti NaOH 50,000 tan/tahun.
Sistem Penyejatan
Sistem penyejatan meningkatkan kepekatan NaOH daripada kira-kira 30–35% (output electrolyzer) kepada gred komersial seperti larutan soda kaustik 48% atau 50%.
Penyejatan berbilang-kesan (MEE) biasanya digunakan untuk mengurangkan penggunaan wap. Konfigurasi biasa termasuk 2 hingga 4 kesan penyejatan yang beroperasi di bawah tekanan yang berkurangan.
Input wap biasanya pada 3–6 bar stim tepu bergantung pada reka bentuk tumbuhan. Tahap vakum pada peringkat seterusnya dikekalkan sekitar -0.08 hingga -0.09 MPa untuk meningkatkan kecekapan haba.
Bahan penyejat mesti menahan kakisan alkali yang kuat pada suhu tinggi, jadi aloi berasaskan nikel-atau keluli tahan karat khas (seperti gred 316L atau dupleks) biasanya digunakan.
Sistem Pengendalian Klorin
Gas klorin yang dihasilkan dalam elektrolisis adalah basah, panas, dan mengandungi kesan hidrogen dan kabus air garam. Sebelum penggunaan hiliran atau pencairan, ia mesti disejukkan dan disucikan.
Sistem pengendalian klorin termasuk:
Menara penyejuk gas (mengurangkan suhu kepada ~35–40 darjah)
Penyingkiran kabus (buang titisan yang terperangkap)
Sistem pengeringan klorin (menggunakan asid sulfurik atau pengering penjerapan)
Pemampat (untuk pencairan atau pemindahan saluran paip)
Ketulenan klorin kering biasanya dikawal melebihi 99.5% untuk kegunaan industri. Kandungan lembapan dikurangkan di bawah 30 ppm untuk mengelakkan kakisan dalam peralatan hiliran.
Bahan dalam perkhidmatan klorin dipilih berdasarkan rintangan kakisan, biasanya termasuk titanium, keluli bergaris PVC-atau paip FRP.
Sistem Pemulihan Hidrogen
Hidrogen yang dihasilkan di katod biasanya tepu dengan wap air dan mengandungi kesan kabus kaustik. Sistem pemulihan melakukan pengasingan, penyejukan dan pemampatan.
Sistem ini termasuk:
Pemisah cecair-gas
Unit demister
Penukar haba penyejukan
Pemampat hidrogen (diafragma atau jenis skru)
Unit penulenan pilihan (PSA atau penggilap pemangkin)
Ketulenan hidrogen selepas pemisahan biasanya melebihi 99%. Kawalan titik embun adalah penting untuk mengelakkan pemeluwapan dalam saluran paip.
Dalam kebanyakan pemasangan industri, hidrogen adalah sama ada:
digunakan sebagai bahan api dalam dandang atau sistem stim
atau dieksport ke proses sintesis kimia seperti pengeluaran ammonia atau metanol
Sistem Automasi (PLC/DCS)
Sistem kawalan mengintegrasikan semua bahagian proses ke dalam satu platform operasi yang diselaraskan. Kebanyakan loji alkali-klor moden menggunakan sistem kawalan teragih (DCS) digabungkan dengan pengawal logik boleh atur cara (PLC) untuk kawalan tahap-peralatan.
Gelung kawalan utama termasuk:
Kawalan kepekatan air garam (berasaskan-konduksi)
Peraturan arus elektrolisis
Kawalan suhu sel (melalui peredaran air garam)
Pemantauan kepekatan NaOH (ukuran ketumpatan)
Kawalan tekanan klorin
Tekanan hidrogen dan peraturan aliran
Instrumen tipikal termasuk:
penderia kekonduksian (julat 0–300 mS/cm)
Penganalisis pH (skala 0–14)
penderia tekanan berbeza merentasi membran
meter aliran (jenis elektromagnet atau Coriolis)
penganalisis gas untuk ketulenan klorin dan hidrogen
Pemerolehan data biasanya direkodkan pada selang 1–5 saat bergantung pada reka bentuk sistem. Saling kunci penggera dilaksanakan untuk pengesanan kebocoran klorin dan keadaan tekanan lampau hidrogen.
Loji soda kaustik direka bentuk sebagai sistem gelung berterusan di mana garam mentah ditukar kepada tiga aliran produk: natrium hidroksida, klorin dan hidrogen. Kestabilan operasi loji bergantung pada mengekalkan ketulenan air garam suapan, pengedaran arus DC yang stabil, dan keseimbangan haba terkawal dalam kedua-dua bahagian elektrolisis dan penyejatan.
Sebarang sisihan dalam tahap kekotoran air garam atau ketidakstabilan penerus secara langsung menjejaskan voltan membran dan mengurangkan kecekapan sistem. Oleh itu, kebanyakan reka bentuk kejuruteraan mengutamakan penulenan huluan dan kebolehpercayaan pengendalian gas hiliran sama seperti elektrolisis itu sendiri.
Kesimpulan (Ringkasan Kejuruteraan)
Dari perspektif kejuruteraan proses, loji soda kaustik ialah sistem elektrokimia bersepadu yang terdiri daripada penyediaan kimia, elektrolisis, penukaran kuasa, kepekatan haba, pengendalian gas dan lapisan automasi.
Setiap subsistem mempunyai parameter operasi yang boleh diukur, dan prestasi loji ditentukan oleh kestabilan parameter ini dan bukannya mana-mana unit peralatan tunggal.
Falsafah reka bentuk keseluruhan adalah berdasarkan tiga kekangan:
ketulenan ionik air garam suapan
kecekapan elektrik elektrolisis membran
pengasingan dan pengendalian klorin dan hidrogen yang selamat
Kekangan ini mentakrifkan konfigurasi semua peralatan utama dalam pemasangan-alkali klor moden.
