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1. Aperçu du processus de production de base de l'industrie du chlor-alcali
2. Principes et équipement du processus d'électrolyse de la membrane ionique
3. Historique et limites de la méthode du diaphragme et de la méthode du mercure
4. Traitement des sous-produits et recyclage des ressources
5. Optimisation des processus et progrès de la technologie d'économie d'énergie
6. Défis environnementaux et technologie de production propre
1. Aperçu des processus de production de base
Les plantes chlor-alcalines produisent du soude caustique (NaOH), du chlore (Cl₂) et de l'hydrogène (H₂) par l'électrolyse de la solution de chlorure de sodium (NaCl), une pierre angulaire de l'industrie chimique de base. Plus de 90% de la capacité mondiale de chlor-alcaliProcessus de membrane d'échange d'échanges, avec le reste en utilisant lediaphragmeetcellule de mercureMéthodes.
2. Principes et équipement du processus de la membrane échangeuse d'ions
Mécanisme de base
Les membranes d'échange d'ions perfluorisées, avec une colonne vertébrale de chaînes de fluorocarbone avec des groupes fonctionnels d'acide sulfonique, présentent une résistance supérieure à la corrosion et à la dégradation chimique, en maintenant des performances stables même dans des environnements hautement acides (anode) et alcalins (cathode). Pour optimiser davantage l'efficacité de la membrane, le processus intègre des systèmes avancés de prétraitement de la saumure, tels que la filtration à double étage et la chromatographie ionique, qui réduisent les impuretés traces comme le fer et la silice aux niveaux de sous-PPB, empêchant ainsi l'encrassement de la membrane et prolonger la durée de vie opérationnelle de 20 à 30%. De plus, la conception intégrée du système d'électrolyse permet une régulation précise de l'espace d'anode-cathode à moins de 2 mm, minimisant la résistance ohmique et réduisant davantage la consommation d'énergie de 5 à 8% supplémentaires par rapport aux conceptions conventionnelles. Enfin, le processus permet une production continue de soda caustique de haute pureté avec une teneur cohérente en chlorure de sodium inférieur à 50 ppm, éliminant le besoin d'étapes de dessalement en aval et la rendant idéale pour des applications exigeantes dans les produits pharmaceutiques, électroniques et les industries de transformation des aliments.
Équipement clé
Électrolyseurs: Classé en types bipolaires et monopolaires. Les électrolyseurs bipolaires fonctionnent en série à haute tension mais occupent moins d'espace, tandis que les monopolaires fonctionnent en parallèle avec un courant élevé nécessitant des redresseurs indépendants. Les conceptions "zéro-gap" modernes réduisent l'espacement des électrodes à<1 mm for further energy savings.
Systèmes de purification de la saumure: L'élimination du sulfate à base de membrane (par exemple, système de raffinage de la saumure Ruipu) et l'adsorption de résine chélatante réduisent CA²⁺ et Mg²⁺ à<1 ppm, extending membrane lifespan.
Unités de traitement du chlore et de l'hydrogène: Le chlore est refroidi (12–15 degrés) et séché avec 98% H₂SO₄ avant compression pour la production de PVC; L'hydrogène est refroidi, comprimé et utilisé pour la synthèse de l'acide chlorhydrique ou comme carburant.
3. Contexte historique et limitations des processus de diaphragme et de mercure
Le principe du processus et l'application historique de la méthode du diaphragme
L'électrolyzer à diaphragme utilise un diaphragme d'amiante poreux comme barrière physique entre les chambres d'anode et de cathode. Le principe central consiste à utiliser la sélectivité de la taille des pores du diaphragme (environ 10 ~ 20 microns) pour permettre à l'électrolyte (solution de NaCl) de passer, tout en empêchant les gaz Cl₂ et H₂ générés de mélanger. À l'anode, Cl⁻ perd des électrons pour générer Cl₂ (2Cl⁻ - 2 E⁻ → Cl₂ ↑); À la cathode, H₂o gagne des électrons pour générer H₂ et Oh⁻ (2h₂o + 2 E⁻ → H₂ ↑ + 2 Oh⁻), et OH⁻ se combine avec Na⁺ pour former NaOH. Étant donné que le diaphragme de l'amiante ne peut pas bloquer complètement la migration inverse de Na⁺, la solution de NaOH produite à la cathode contient environ 1% de NaCl, avec une concentration de seulement 10 ~ 12% et doit être concentrée à plus de 30% par évaporation pour répondre aux besoins industriels. Ce processus a été largement utilisé au milieu du 20e siècle. La Chine s'est appuyée autrefois sur cette technologie pour résoudre le problème de la pénurie de matières premières chimiques de base, mais avec l'amélioration de la conscience de l'environnement, ses défauts inhérents ont été progressivement exposés.
Défauts mortels et processus d'élimination de la méthode du diaphragme
Les trois inconvénients de base de la méthode de diaphragme ont finalement conduit à son remplacement complet:
Consommation d'énergie élevée et faible efficacité: En raison de la forte résistance du diaphragme de l'amiante, la tension cellulaire est élevé que 3,5 ~ 4,5 V, et la consommation d'énergie par tonne d'alcali est de 3000 ~ 3500 kWh, ce qui est 40 ~ 70% plus élevé que la méthode de la membrane ionique. Il ne convient qu'aux zones à bas prix de l'électricité;
Pureté insuffisante du produit: la solution alcaline diluée contenant du NaCl nécessite une évaporation et un dessalement supplémentaires, ce qui augmente le coût du processus et ne peut pas répondre à la demande de NAOH à haute pureté dans des champs haut de gamme (comme la dissolution de l'alumine);
Crise de pollution de l'amiante: les fibres d'amiante sont facilement libérées dans l'air et les eaux usées pendant le processus de production. Une exposition à long terme entraîne des maladies telles que le cancer du poumon. L'Agence internationale pour la recherche sur le cancer (CIRC) l'a répertoriée comme cancérigène de classe I dès 1987. En 2011, la Chine a révisé les "Lignes directrices pour l'ajustement de la structure industrielle", qui indiquait clairement que toutes les usines de soda caustiques diaphragmes seraient éliminées d'ici 2015, avec un total de plus de 5 millions de tonnes / an de capacité de production.
Processus d'électrolyse du mercure: toxicité de mercure dangers cachés derrière la haute pureté
Caractéristiques techniques et valeur historique de la méthode du mercure
La méthode du mercure était autrefois un «processus haut de gamme» pour produire du soda caustique de haute pureté en raison des propriétés uniques de la cathode Mercury. Son principe est d'utiliser le mercure comme cathode mobile. Pendant le processus d'électrolyse, Na⁺ et Mercure forment l'amalgame de sodium (alliage Na-Hg), puis l'amalgame de sodium réagit avec l'eau pour générer 50% de NaOH à haute concentration (Na-Hg + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), qui peut être utilisé directement sans évaporation et concentration. L'avantage significatif de ce processus est que la sortie NaOH est extrêmement pure (contenu NaCl<0.001%), which is particularly suitable for industries such as pharmaceuticals and chemical fibers that have strict requirements on alkali purity. In the middle of the 20th century, this process was widely adopted in Europe, America, Japan and other countries. The Japanese chlor-alkali industry once relied on the mercury method to occupy 40% of the global high-end caustic soda market.
Mercure Pollution catastrophe et processus d'interdiction mondiale
La faille mortelle de la méthode du mercure est la pollution irréversible du mercure:
Vapeur de mercure Vapeur Volatilisation: Mercury s'échappe sous forme de vapeur pendant l'électrolyse, et la concentration de mercure dans l'environnement de travail dépasse souvent la norme de dizaines de fois, entraînant des incidents fréquents de mercure parmi les travailleurs (comme la maladie de Minamata incident au Japon en 1956, causée par la pollution du mercure);
Dangers de décharge des eaux usées: environ 10-20 grammes de mercure est perdu pour chaque tonne de NaOH produite, qui est convertie en méthylmercure après être entré dans le plan d'eau, et enrichi par la chaîne alimentaire pour nuire à l'écosystème;
Difficulté de recyclage: Bien que le mercure puisse être récupéré par distillation, le fonctionnement à long terme entraîne toujours une teneur en mercure excessive dans le sol et le coût de l'assainissement est élevé. Avec l'entrée en vigueur de la Convention de Minamata (2013), plus de 90% des pays du monde se sont engagés à éliminer la méthode du mercure d'ici 2020. En tant que plus grand producteur de chlor-alcalin du monde, la Chine a complètement interdit le processus de mercure en 2017, ce qui réduit complètement le "Soda en matière de mercure de mercure de mercure". Aujourd'hui, seuls quelques pays comme l'Inde et le Pakistan conservent toujours moins de 5% de la capacité de production de mercure et font face à une forte pression environnementale internationale.
4. Gestion des sous-produits et recyclage des ressources
Utilisation de chlore à grande valeur du chlore
Produits chimiques de base: Utilisé dans la production de PVC (30 à 40% de la demande de chlore) et la synthèse d'oxyde de propylène.
Applications haut de gamme: Chlore de qualité électronique (supérieur ou égal à 99,999% de pureté) pour les commandes de gravure des semi-conducteurs 5 à 8 fois le prix du chlore de qualité industrielle.
Traitement d'urgence: Cl₂ accidentel est absorbé par un épurateur NaOH à deux étages (concentration de 15 à 20%), assurant des émissions<1 mg/m³.
Récupération et utilisation de l'hydrogène
Synthèse d'acide chlorhydrique: A réagi avec Cl₂ pour produire du HCl pour le décapage et les produits pharmaceutiques.
Énergie verte: L'hydrogène purifié alimente les piles à combustible ou la synthèse d'ammoniac, une plante réduisant l'empreinte carbone de 60% par l'intégration d'hydrogène.
Contrôle de la sécurité: Les pipelines d'hydrogène incorporent des entretiens de flammes et des dispositifs de décharge de pression, avec une surveillance de la pureté H₂ / Cl₂ en temps réel pour éviter les explosions.
5. Optimisation des processus et technologies d'économie d'énergie
Technologie de la cathode d'oxygène
Principe: Le remplacement de l'évolution de l'hydrogène par la réduction de l'oxygène abaisse la tension cellulaire par {{0}}. 8–1.0 V, réduisant la consommation d'énergie à<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).
Application: Beijing University of Chemical Technology 50, 000- tonne / an usine a réalisé 30% d'économies d'électricité.
Electrolyseurs à densité à courte durée
Avancement: L'augmentation de la densité de courant de 4 ka / m² à 6 ka / m² augmente la capacité de 30%, commercialisée par Asahi Kasei (Japon) et Thyssenkrupp (Allemagne).
Transformation numérique
Systèmes de contrôle intelligents: AI algorithms optimize current efficiency to >96% et prédire la durée de vie de la membrane avec<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.
Inspection alimentée par l'IA: Les plantes chimiques à base de Hangzhou utilisent des robots équipés d'AI pour inspecter les installations de chlore, atteignant une précision de 99,99% dans la détection des blocages de tubes de téflon.
6. Défis environnementaux et technologies de production propre
Traitement des eaux usées
Déchloration: Déchloration sous vide (Cl₂ résiduel<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >Réutilisation à 95%.
Décharge liquide zéro (zLD): L'évaporation multi-effets (MVR) cristallise le sel industriel, mis en œuvre dans le Xinjiang et le Shandong.
Traitement des gaz d'échappement
Contrôle de brume d'acide sulfurique: Electrostatic precipitators (>99% d'efficacité) et des laveurs humides respectent les normes d'émission GB 16297-2025.
Prévention de la pollution au mercure: Les catalyseurs à basse mercure sont promus, le sel du Yunnan et le haohua yuhang recevant un financement de l'État pour la R&D sans catalyseur sans mercure.
Gestion des déchets solides
Recyclage de la membrane: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% d'efficacité.
Utilisation des boues de sel: Utilisé dans les matériaux de construction ou les couvercles d'enfouissement, avec une utilisation complète 100% des scories en carbure.