Considérations techniques de conception, logique de bilan matière, intégration en aval et exigences de sécurité pour les installations-captives de chlore-alcalis.
L'usine 5 TPD NaOH nécessite une conception de processus intégrée
Une usine de chlore à membrane équivalent à 5 TPD NaOH-chlore-alcali est un système de production chimique à petite échelle-, mais sa conception technique implique plus que la simple sélection d'un électrolyseur capable de produire 5 tonnes de soude caustique par jour. L'électrolyse membranaire produit simultanément trois flux primaires : l'hydroxyde de sodium, le chlore et l'hydrogène. Par conséquent, l’usine doit être conçue autour du bilan matière complet de ces produits. Pour une installation de consommation captive-, NaOH peut être fourni directement au processus en aval, tandis que le chlore et l'hydrogène générés peuvent être convertis en acide chlorhydrique et en hypochlorite de sodium en fonction des besoins de consommation réels du site.
Réaction électrochimique basique :2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂
Le bilan matière détermine la capacité en chlore et en hydrogène
En utilisant la relation stoechiométrique théorique, produire 5 tonnes d'équivalent NaOH 100 % par jour correspond à environ 4,43 tonnes de chlore et 0,126 tonne d'hydrogène par jour. Les chiffres de production réels varient en fonction de l'efficacité actuelle, de la tension des cellules, des conditions de fonctionnement, des performances de la membrane et des pertes du processus. Cette relation est critique lors du dimensionnement des sections de synthèse d'HCl et d'hypochlorite de sodium car les équipements en aval doivent être capables de consommer en continu le chlore généré par les électrolyseurs.
Avant de sélectionner l'équipement, l'acheteur doit clairement définir si la capacité déclarée de 5 TPD fait référence à un équivalent NaOH à 100 %, à une concentration spécifique de solution de NaOH ou à une autre base de production.
L'électrolyse membranaire est l'unité de production principale
La section d'électrolyse à membrane convertit la saumure purifiée en soude caustique, en chlore et en hydrogène. Un système typique comprend la préparation et la purification de la saumure, la circulation de la saumure purifiée, les électrolyseurs à membrane, les redresseurs CC, l'équipement de séparation gaz-liquide, la circulation caustique et l'instrumentation de processus. La membrane échangeuse d'ions-sépare les compartiments anodique et cathodique tout en permettant aux ions sélectionnés de passer à travers la membrane.
Remarque sur la qualité critique :Le maintien d'une qualité de saumure appropriée est particulièrement important car le calcium, le magnésium et d'autres impuretés peuvent affecter le fonctionnement de la membrane et augmenter les besoins de maintenance. Par conséquent, la section de purification de la saumure doit être considérée comme une partie intégrante de l'usine de chlore-alcali plutôt que comme un système de services publics auxiliaire.
Un stockage de chlore proche de zéro modifie la configuration de l'usine
L’exigence d’un stockage pratiquement sans chlore influence considérablement l’organisation globale du processus. Au lieu de produire du chlore pour un stockage-à long terme et un transport ultérieur, le chlore généré par l'électrolyseur doit être continuellement dirigé vers des points de consommation en aval. Dans cette configuration, l’usine peut utiliser du chlore pour la synthèse de HCl et la production d’hypochlorite de sodium tout en minimisant les stocks de chlore en vrac.
Une conception technique pratique peut encore nécessiter un volume de rétention de processus limité-, un équipement de contrôle de pression et une capacité de traitement d'urgence, mais le système ne dépend pas d'un stockage de chlore à grande échelle-. Cette approche nécessite une coordination étroite entre la capacité de l'électrolyseur et la demande instantanée en chlore des unités en aval.
La synthèse de HCl utilise à la fois du chlore et de l'hydrogène
La synthèse de l'acide chlorhydrique constitue une voie importante pour consommer les sous-produits de l'électrolyse membranaire. L'hydrogène et le chlore générés par l'électrolyseur peuvent être combinés selon la réactionCl₂ + H₂ → 2HCl, suivie d'une absorption dans l'eau pour obtenir de l'acide chlorhydrique à la concentration requise.
Du point de vue d’une usine intégrée, cet arrangement est intéressant car le chlore et l’hydrogène peuvent être utilisés au lieu d’être traités comme des flux de déchets séparés. Cependant, la capacité de production de HCl, la concentration d’acide cible, les conditions opératoires et le taux de consommation en aval doivent être définis avant de sélectionner les équipements de synthèse, d’absorption, de refroidissement et de circulation de HCl.
L'hypochlorite de sodium offre une deuxième voie de consommation de chlore
La production d'hypochlorite de sodium offre une autre méthode de consommation de chlore directement sur le site de production. Le chlore réagit avec l'hydroxyde de sodium dilué pour former de l'hypochlorite de sodium, du chlorure de sodium et de l'eau. Étant donné que le processus chlor-alcali produit déjà du NaOH, une partie du flux caustique peut être allouée à la section NaOCl selon les spécifications du produit requises.
La conception de cette unité dépend de la capacité de NaOCl requise, de la -concentration de chlore disponible, de la concentration de NaOH, de la température de réaction, des exigences de refroidissement et de la durée de stockage du produit. Ces paramètres doivent être spécifiés séparément plutôt que de supposer que la capacité de NaOCl est automatiquement déterminée par le chiffre 5 TPD NaOH.
Le bilan matière intégré connecte l’ensemble de l’usine
Une configuration de processus appropriée peut être organisée autour d'un flux de matières continu : la saumure purifiée entre dans les électrolyseurs à membrane, le NaOH est envoyé vers une consommation captive ou une concentration ultérieure, l'hydrogène est dirigé vers la synthèse de HCl et le chlore est divisé entre la synthèse de HCl et la production d'hypochlorite de sodium.
L’allocation du chlore doit être basée sur la demande réelle de HCl et de NaOCl plutôt que de simplement maximiser la production de l’un ou l’autre produit. Le système de contrôle du processus doit également coordonner l'électrolyseur et les unités en aval afin que les variations de la demande de HCl ou de NaOCl ne créent pas une accumulation incontrôlée de chlore.
La sécurité du chlore doit être incluse dans la conception de base
Un concept de stockage de chlore proche de-zéro-ne signifie pas que les équipements de sécurité contre le chlore peuvent être éliminés. Du chlore gazeux sera toujours présent à l'intérieur de la tuyauterie du procédé, des séparateurs et des équipements en aval pendant le fonctionnement normal. L'usine doit donc envisager la détection du chlore, l'acheminement contrôlé des gaz, la régulation de la pression, l'arrêt d'urgence, la ventilation et l'absorption ou l'épuration d'urgence du chlore.
Le système d'urgence doit être conçu autour de scénarios d'exploitation et d'arrêt crédibles, y compris les déclenchements d'équipements en aval et la perte de consommation normale de chlore. L'objectif est d'éviter qu'une interruption dans une unité en aval ne crée une condition dangereuse dans la section d'électrolyse.
Les spécifications d’approvisionnement doivent définir l’usine complète
Avant de préparer un devis technique, l'acheteur doit fournir la concentration de NaOH requise, la capacité et la concentration de production de HCl, la capacité d'hypochlorite de sodium et la concentration de chlore disponible-, les heures de fonctionnement, le programme d'exploitation annuel, la qualité du sel, la qualité de l'eau, l'alimentation électrique, les conditions du site et le modèle de consommation en aval.
Ces paramètres affectent le dimensionnement des électrolyseurs, du système de purification de la saumure, du redresseur DC, des équipements de séparation des gaz, de l'unité de synthèse de HCl, du réacteur NaOCl, du système de refroidissement, des réservoirs de produits et des systèmes de sécurité.
