ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЕ УСТАНОВКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ ДЛЯ ДЕЗИНФЕКЦИИ, ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Автоматические электролизные установки получения гипохлорита натрия 12-14% мембранного типа предназначены для производства, накопления и дозирования гипохлорита натрия NaClO 12-14% (120г-140г акт. в-ва на литр раствора) методом электролиза 27% водного раствора пищевой соли в мембранном реакторе.

Установка включает в себя: 

• Систему водоподготовки   
• Систему приготовления 27% раствора соли
• Систему обогащения обедненного раствора соли (в т.ч. дехлорирование обеднённого раствора соли)
• Систему непосредственного электролиза 27% раствора соли в мембранном реакторе
• Реакционную систему получения гипохлорита натрия 12-14%
• Систему охлаждения (реакция соединения щелочи с хлором сопровождается выделением тепла, поэтому в реакционной колонне размещается титановый теплообменник для отвода избыточного тепла)
• Систему накопления и дозирования/перекачивания готового гипохлорита натрия 12 -14%

Вода, используемая для получения гипохлорита натрия (ГПХН), подается на автоматический умягчитель (на основе ионнообменной смолы). Далее полученная умягченная вода поступает в сатуратор (емкость приготовления 27% раствора пищевой соли).  Из сатуратора раствор 27% пищевой соли подается с постоянным фиксированным расходом в анодный контур реактора.  

В анодном контуре происходит разложение раствора соли на Na и Cl. Na под воздействием эл.тока перемещается через мембрану в катодную часть реактора.   

2Cl - 2e → Cl2 

В катодном контуре образуется щелочь, а также, вследствие электрохимической реакции, выделяется водород. 

2H ++ 2e → H2, Na + OH → NaOH 

Обедненный раствор соли возвращается в сатуратор, после удаления из него растворенного хлора (в системе дехлорирования).  

Раствор соли непрерывно циркулирует с постоянным расходом: сатуратор – анодный контур – система дехлорирования – сатуратор; для поддержания в нем постоянной высокой концентрации NaCl. 

Раствор щелочи также постоянно циркулирует в катодном контуре для максимального насыщения. 

Хлор из анодного контура реактора и щелочь из катодного контура смешиваются в реакционной колонне (подача обоих компонентов происходит с постоянным расходом, в требуемом для реакции получения гипохлорита натрия соотношении). 

В реакционной колонне поддерживается постоянная температура с помощью системы охлаждения и теплообменника из титана, т.к. реакция получения гипохлорита натрия, при смешивании щелочи и хлора, сопровождается выделением тепла. 

2NaOH + Cl2 → NaClO + H2O  

Из реакционной колоны гипохлорит натрия поступает в емкость-накопитель готового продукта. 

Автоматический режим работы комплекса подразумевает постоянное поддержание требуемого объема (уровня) в емкости готового продукта. Контроль уровня автоматика осуществляет по следующему алгоритму, опираясь на данные датчика уровня установленного в емкостях готового продукта: 

• Верхний  уровень (в  соотв.  с  установленным  значением):  Установка  переходит  в режим ожидания.
• Средний уровень (в соотв. с установленным значением): Установка включается в работу.
• Нижний  уровень (в  соотв.  с  установленным  значением):  Установка  препятствует включению насосов-дозаторов ГПХН для защиты от «сухого хода» насосов. 

  В том числе, автоматика контролирует: 

• Расходы рабочих растворов в анодном и катодном контуре.
• Наличие  рабочего  уровня  в  реакторе  –  для  предотвращения  работы электролизных ячеек с низким уровнем раствора соли и щелочи.
• Температуру  в  реакторе,  реакционной  колонне,  буферной  емкости  катодного контура – для автоматического отключения в случае перегрева.
• Исправность блока питания реактора, а также соответствие рабочих параметров тока и напряжения – для предотвращения работы электролизера за границами рабочей области вольт-амперной характеристики (ВАХ).
• Концентрацию в помещении водорода и  хлора  (посредством  смонтированного  в помещении  стационарного  газоанализатора  с  4-мя  выносными  датчиками)  –  при превышении  предельно  допустимой  концентрации  комплекс  прекращает  выработку гипохлорита натрия с выдачей аварийного сигнала.
• Работу  воздуходувок – контролируется  срабатывание  токовой  защиты  эл.дв.,  а также  наличие  избыточного  давления  в  напорных  воздуховодах  и  разряжения  на всасывающих. 
• Работу и срабатывание токовой защиты насосного оборудования.
• Работу и исправность системы охлаждения.
• pH  в оборотном  обедненном растворе  соли – при  неправильном  значении  насос-дозатор автоматически регулирует pH добавлением щелочи в обедненный раствор соли.
• Уровни в емкостях. 

Интерфейс шкафа управления подразумевает гибкую настройку параметров для каждой из линий, а также имеет в своем составе журналы аварий, ошибок и общий журнал статистики.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА, ВОДОРОДА И ГИДРОКСИДА НАТРИЯ 

Из  электрохимических  процессов,  применяемых  в  химической  промышленности, наиболее крупными по производственной мощности и наиболее важным по назначению для народного хозяйства страны в целом является производство хлора и гидроксида натрия электролизом водного раствора хлорида  натрия.  Свыше  34  %  хлора  идет  на  производство  поливинилхлорида, около 27 % его используется для получения изоцианатов, являющихся основным сырьем в производстве полиуретанов. Хлор необходим для обеззараживания воды в системах водоснабжения крупных городов. Основной потребитель  гидроксида  натрия  (каустической  соды)  —  целлюлозно-бумажная  промышленность. Также его используют для нейтрализации кислот в фармацевтической и косметической промышленности, в процессе утилизации резины, в многочисленных процессах гальванотехники и цветной металлургии. Водород  сразу  используется  в  технологической  цепочке. 

Однако,  рыночная  востребованность хлора и каустика неодинакова и несинхронна, а  производятся они в едином технологическом цикле посредством электролиза водных растворов хлорида натрия практически в равном между собой соотношении. Хлорные производства являются крайне энергозатратными, а тарифы на электроэнергию для хлорных предприятий в России высоки. Необходимость решения  проблемы  сокращения  энергопотребления,  улучшения  экологической ситуации и высокой степени изношенности оборудования (до 70 %) требует  модернизации  отрасли  в  целом. 

МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ И МЕМБРАННЫЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ

Альтернативным  решением  может быть технология мембранного электролиза. Она является новой по сравнению с  традиционными  методами  производства  хлора  и  гидроксида  натрия.  В настоящее время новые производства создаются по мембранной технологии. 

В процессе мембранного электролиза, анод и катод полностью разделены  глухой  перегородкой,  непроницаемой ни для газов, ни для жидкостей и способной пропускать в заданном направлении лишь нужные ионы  −  в данном  случае  катионы  (рис.1.).  Перегородка,  обладающая  такими  свойствами, называется ионообменной мембраной. В качестве мембраны в современных электролизерах используют электропроводящие пленки из перфорированного  полимера. 

Практика  показала,  что  даже  при  квалифицированной эксплуатации,  исключающий  отклонение  от  режимных  норм,  срок  службы мембран, определяемый снижением показателей до допустимых пределов, не превышает 4 лет. С учетом высокой стоимости мембран, актуально продление срока службы путем регенерации.

Рис.1. Схема электролиза с ионообменной мембраной

Все  выпускаемые  ионообменные  мембраны  для  производства  хлора  и каустической соды состоят из двух слоев (рис.2.).

Рис.2. Поперечный разрез мембраны 

Тонкий слой, обращенный к катоду, выполненный из карбоксильного полимера, обеспечивает  высокую селективность, а относительно толстый слой со стороны анолита (как правило из сульфополимера) обеспечивает механическую прочность и имеет низкое электрическое сопротивление. При работе мембран в условиях электролиза необходимо исключить прилипание пузырьков газа к поверхности мембраны и снизить эффект экранирования пузырьками пути прохождения электрического тока - для этого мембрана имеет поверхностное  покрытие. 

Армировка  в  виде  политетрафторэтиленовой сетки обеспечивает высокую механическую прочность мембраны и сопротивление «раздиру». Указанные элементы контактируют с относительно толстым сульфонатным  слоем,  выполненным  из  перфорированного  сополимера  с ионообменными  группами.  Указанный  слой  обеспечивает  высокую механическую прочность и низкое электрическое сопротивление мембраны в целом. 

Тонкий  карбоксильный  слой  обеспечивает  высокую  селективность мембраны по ионам, тем самым, достигается высокий выход по току по щелочи, препятствует диффузии анионов из анодной камеры в катодную, что обеспечивает низкое содержание хлорида и хлората натрия в получаемой щелочи.  

В мембранном электролизёре хлор не содержит примеси водорода, что позволяет повысить степень его сжижения. Каустическая сода, получаемая мембранной технологией, достаточно  чистая, и ее концентрация составляет 32%. По содержанию других примесей  –  карбонатов, хлоратов  −  раствор каустика, получаемый мембранным способом, существенно чище, чем  продукт, полученный не мембранным способом. 

Мембранные производства требуют значительно меньше производственных площадей. Из-за более высокой единичной мощности и компактности мембранных электролизеров, и отделение выпарки в мембранном производстве значительно меньше, но мембранный метод сложен в организации и эксплуатации. Мембранные электролизеры состоят из множества ячеек с незначительной  электрической  нагрузкой  (6 − 10  кА), что  создает  проблемы надёжного уплотнения и обеспечения достаточной точной сборки. Мембранные электролизеры, вследствие  специфических  особенностей  процесса работают с  циркуляцией  электролита, при которой необходимы операции обесхлоривания  и  донасыщения обедненного  электролита до  нормальной концентрации NaCl. В свою очередь, высокие требования к чистоте рассола вынуждают использовать для донасыщения хорошо очищенную твердую соль или применять дорогостоящую обработку рассола  –  очистку и осаждение. При нарушениях технологии приготовления рассола в мембранных электролизерах введение недостаточно хорошо очищенного рассола вызывает резкое ухудшение работы и выход из строя мембраны. 

В процессе производства хлора и каустической соды основными энергозатратами является  электроэнергия постоянного тока на электролиз и пар на выпарку для получения товарной каустической соды в виде водного раствора с концентрацией  45 − 50% . Анализ основных источников энергозатрат  –  стадий электролиза и выпарки - показывает, что использование мембранной технологии позволяет снизить суммарные энергозатраты в  1,3 − 1,5  раза по сравнению с традиционными технологиями.

Большое влияние на эксплуатационные расходы установки по производству хлора и каустика оказывает срок ее непрерывной работы, который в значительной мере зависит от надежности материалов и прочности конструкции ячейки.

Это особенно важно в случае мембранного электролиза, где довольно чувствительная мембрана играет центральную роль. «Элемент с единичной ячейкой» сочетает оптимальные материалы компонентов и удобное техобслуживание. 

Анодная камера изготовлена полностью из титана, а катодная – из никеля. В уплотнительную систему входят уплотнение рамы из модифицированной ПТФЭ (Ф-4/TFM) и уплотнительные шнуры «Гортекс». Стальные наружные фланцы с электроизолированными болтами и пружинными прокладками обеспечивают герметичность в ходе всего срока службы.

Описание 

По наружной трубе с патрубком очищенный рассол поступает в анодную камеру и распределяется по всей ширине камеры. Подъемная сила газа используется, чтобы создать  интенсивную внутреннюю циркуляцию рассола и обеспечить его оптимальное распределение по всей камере при равномерной плотности и температуре. Обедненный рассол и хлор выводятся из камеры по выводному коллектору. 

Катодная камера также имеет питающий коллектор, в данном случае для распределения каустика, и выводной коллектор для вывода продуктов - водорода и каустика (32%). 

Разница в концентрации каустика на входе и выходе катодной камеры – небольшая. И водород и каустик легче разделяются, чем рассол и хлор. В верхней части анодной и катодной камер расположены слегка трапециевидные анодные и катодные каналы. 

Эта конструкция имеет следующие преимущества:

• Рассол и хлор в анодном пространстве, а также каустик и водород в катодном пространстве транспортируются до верха камер, т. е. жидкость полностью увлажняет мембрану, обеспечивая ее надежную работу.
• Благодаря тому, что даже в режиме ожидания обе камеры заполнены жидкостью, гарантируется более высокая степень безопасности. Уровень жидкости всегда обеспечивает полное погружение мембраны в жидкости, что предотвращает обмен газов (водорода и хлора) через мембрану в верхней части электролизной ячейки.
• В каналах газожидкостная смесь полностью разделена на две фазы, т. е. из ячейки выводится поток, состоящий из двух гомогенных фаз. 

За счет этого полного разделения газа и жидкости колебания перепада давления внутри ячейки доведены до минимума и срок службы мембраны продлевается.

Благодаря применению нового эластичного элемента в проверенную одноэлементную конструкцию положительные качества ранних моделей были улучшены посредством преимуществ новейших разработок. Сочетание конструкции с нулевым зазором с одноэлементной концепцией создает уникальную технологию, обеспечивая преимущества в сравнении с аналогичными системами других производителей:

1. Значительная экономия энергии:

Увеличение используемой площади мембраны в сочетании с конструкцией с нулевым зазором по всей активной площади мембраны значительно сокращает потребление энергии. Данный положительный эффект основан на  более равномерным распределением тока на мембрану и однородной генерацией газа по площади, что предотвращает скапливание газа внутри одной ячейки.

2. 100% герметичность в течение всего срока службы:

Одноэлементная конструкция с уникальной комбинацией уплотнений и системой коллекторов обеспечивает герметичность электролитической ячейки вплоть до давления 4,7 бар. 

3. Продление срока службы мембраны:

При использовании мембран в оптимальном диапазоне давления гарантировано отсутствие изменения зазора на всей активной поверхности. Применяемая сила контактного давления между элементами в пределах одного пакета равномерно распределена по всему пакету.

Таким образом, новая конструкция позволяет прямо регулировать контактное давление на мембраны, независимо от количества ячеек в пакете.

Компактный корпус ячейки - это стандартизированная конструкция, которая была оптимизирована с целью снижения инвестиционных затрат, минимизации необходимой площади и обеспечения простоты технического обслуживания. 

Несколько электролизёров (точное количество зависит от производственной мощности) устанавливаются рядом и выполняется их параллельное электрическое соединение. 

Выпрямитель снабжает один или несколько электролизёров постоянным током. Электролизёры можно легко обслуживать, отключив выпрямитель, или используя для отключения отдельные автоматические выключатели и разъединители. 

Трубки, снабжающие отдельные элементы рассолом и каустической содой, и отводящие хлор, каустическую соду и водород, расположены под электролизёром таким образом, чтобы отдельные элементы, при необходимости, можно было легко заменить. 

Каждый электролизёр оснащен контрольно-измерительными приборами и блоком управления для регулирования расхода на ячейки. К лицевой стороне электролизёров крепятся две коллекторные системы: одна снабжает электролизёры электролитами, а другая система используется для сбора продукции.

4. Технология единичного элемента

Единичные элементы могут быть быстро и легко заменены. При их сборке проводятся испытания на герметичность.

 Таким образом обеспечивается:

• максимально возможная надежность работы;
• простое техобслуживание;
• оптимальная по стоимости замена мембраны и возобновление покрытий ;
• Отсутствие необходимости в дополнительных инвестициях на резервные  электролизеры;
• минимальные потери продукции.

5. Высокое качество материалов 

Анодная камера  (Ti),  катодная камера  (Ni),  уплотнения  (Ф-4)  и трубы  (ПТФЭ)  изготовлены из коррозионностойкого материала, что обеспечивает максимальный срок службы элементов.  Коллекторы электролизеров отличаются длительным сроком. 

6. Стабильность мембраны 

Мембраны в элементах ячейки зафиксированы между двумя электродами с помощью системы дистанцирующих распорок,  что позволяет точно установить расстояние между электродами для обеспечения оптимальной работы. 

7. Комбинация уплотнений 

Каждый элемент уплотняется фланцем, болтами и уплотнениями из модифицированного ПТФЭ (Ф-4). Перед вводом в эксплуатацию все элементы испытываются на герметичность. Эта система работает без дорогостоящих зажимных устройств, используемых в электролизерах других производителей.  

8. Модульность

Модульность электролизеров с единичными элементами позволяет создавать различные конфигурации электролизных систем и комплексов. Каждый электролизер может включать до 210 элементов, а число электролизеров в каждом цеху не ограничено. 

Следовательно, возможны любые  мощности, для всех сфер применения и режимов работы при использовании одного типа ячейки. Кроме того, существующие системы могут легко масштабироваться.

9. Высокие плотности тока

Единичные элементы могут работать при плотности тока до 7 кА/м2. Ячейки могут работать при более высоких плотностях. Но фактические рабочие параметры должны быть установлены с учетом используемых мембран.

10. Отсутствие блуждающих токов

Блуждающие токи отсутствуют даже в электролизере с максимальным количеством 210 элементов. Это достигается особенностями конструкции коллекторной системы и ячеек.

11. Современная технология

Технология единичных элементов и технология электролиза хлора и каустика постоянно совершенствуются с целью удовлетворения требований заказчиков. Поэтому наша технология всегда на шаг впереди. 

Каждое новое поколение ячеек совместимо с ячейками предыдущих поколений. Устаревшие элементы могут быть заменены новыми при регламентной замене мембран и обновлении покрытий.

12. Подкисление рассола 

Подаваемый рассол может быть подкислен для повышения качества хлора. Риск разрушения мембраны в последствие перекисления исключается благодаря оптимальной для распределения потоков конструкции ячейки

13. Обесхлоривание отходящих газов

Любая установка, на которой хлор используется в газообразном или жидком виде, должна работать в соответствии со строгими законодательными нормами по охране окружающей среды. Для этого ключевую роль играет обесхлоривание отходящих газов. Наши системы рассчитаны так, чтобы выбросы хлора в атмосферу были полностью исключены.

14. Колонна дегидрации хлора

Колона дегидрации хлора относится к оборудованию собственной разработки EcoTech. 

15. Технология очистки рассола (Eco Tech™)

Очистка рассола является важнейшей стадией мембранного электролиза. Эффективная очистка рассола обеспечивает защиту мембран в электролизных ячейках, что сводит к минимуму эксплуатационные затраты. 

EcoTech в состоянии на базе определенного качества соли спроектировать системы, точно адаптированные к нуждам заказчика. 

Благодаря нашему широкому опыту в области методов осаждения, фильтрации и других способов очистки рассола, EcoTech является уникальным поставщиком комплектных решений по очистке рассола.

16. Технология удаления сульфата (EcoTech ™)

Для поддержания постоянного уровня сульфата в рассоле, традиционный подход заключается либо в химической очистке и осаждении сульфата, либо в выводе сульфата вместе с определенным количеством рассола. 

Однако с экономической и экологической точки зрения, ни захоронение сульфатосодержащего шлама, ни вывод рассола, не являются удовлетворительными решениями. При использовании технологии EcoTech   рассол не выводится или подвергается химической очистке, но сульфат удаляется физическим способом. Потом он в ходе  химической обработки превращается в гипс, который может захорониться как твердое вещество.

17. Компактная компоновка систем электролизеров

Технология EcoTech является новшеством в технологических принципах компоновки систем. Данный  подход ставит своей основной задачей экономию затрат на  оборудование и площади, чтобы предлагать еще более конкурентоспособные цены. Количество необходимых стальных конструкций для технологического корпуса уменьшается использованием площади под электролизерами для размещения резервуаров, насосов, теплообменников и т. п. В цехе электролиза нет ям, и система католита интегрирована в него.

18. Установка блочного типа (на раме)

Установка по производству хлора на раме - это установка мощностью до 15000 тонн хлора в год, состоящая из стандартных технологических модулей в сборе на стальных рамах в контейнере стандартного размера. 

До поставки данные блоки проходят несколько испытаний качества на заводе с целью сокращения времени монтажа и сведения до минимума рисков во время монтажных работ на площадке.

Таким образом можно значительно сократить затраты на услуги проектирования и затраты на монтаж на месте. Данная концепция особенно целесообразна для работающих компаний с минимальной потребностью в хлоре путем его производства независимо от внешнего снабжения и исключения транспортировки жидкого хлора.

19. Оптимизация работы

Интегрированная система анализа работы EcoTech  позволяет постоянно контролировать и анализировать данные по сборке ячеек и ключевые параметры работы. Система предоставляет информацию по устранению помех и оптимизации работы установки.