การใช้ไทเทเนียมในอุตสาหกรรมเคมีคลอร์อัลคาไล

การใช้ไทเทเนียมในอุตสาหกรรมเคมีคลอร์อัลคาไล

อุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลเป็นอุตสาหกรรมเคมีที่เตรียมก๊าซคลอรีนและโซดาไฟโดยอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายเกลือในน้ำ มีประวัติยาวนานกว่าร้อยปี อุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลยังเป็นอุตสาหกรรมแรกสุดในอุตสาหกรรมเคมีที่ใช้ไทเทเนียม อุปกรณ์ไทเทเนียมหลักที่ใช้ในการผลิตคลอร์อัลคาไล ได้แก่ เซลล์อิเล็กโทรไลต์แอโนดโลหะ เซลล์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนไอออน เครื่องทำความเย็นคลอรีนเปียกแบบท่อ เครื่องอุ่นน้ำเกลือกลั่นบริสุทธิ์ การกำจัดคลอรีน ทาวเวอร์ เครื่องฟอกน้ำเย็นคลออัลคาไล ปั๊มดูดคลอรีน และอุปกรณ์วาล์วไทเทเนียม

(1) แอโนดโลหะ

กระบวนการผลิตคลอร์อัลคาไลมีอิเล็กโทรไลซิสแบบปรอท ไดอะแฟรมอิเล็กโทรไลซิส และอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนไอออน ในอดีต แอโนดกราไฟท์ถูกนำมาใช้สำหรับแอโนดคลอร์อัลคาไล ในปี 1956 ชาวดัตช์ Henry.Bill (H. Beer) เสนอครั้งแรกว่าอิเล็กโทรไลต์ เซลล์ใช้ขั้วบวกโลหะหรือที่เรียกว่าขั้วบวกที่มีความเสถียรเชิงมิติ DSA (ขั้วบวกที่มีความเสถียรเชิงมิติ) และได้รับสิทธิบัตรในปี 1965 ขั้วบวกที่มีความเสถียรเชิงมิติคือขั้วไฟฟ้าที่เคลือบด้วยออกไซด์ของโลหะมีค่ากลุ่มแพลตตินัมบนพื้นผิวไทเทเนียม ในปี 1968 DeNore บริษัทสัญชาติอิตาลี ซึ่งเป็นบริษัทแรกในอุตสาหกรรมแอโนดไทเทเนียมในอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไล ประมาณปี 1970 สหรัฐอเมริกา อิตาลี ญี่ปุ่น เยอรมนี ฝรั่งเศส และประเทศอื่นๆ เปลี่ยนไปใช้แอโนดโลหะแทนแอโนดกราไฟท์อย่างรวดเร็ว ในญี่ปุ่น ไทเทเนียมหลายพันตันถูกใช้เป็นวัสดุฐานสำหรับแอโนดโลหะ เพื่อผลิตโซดาไฟ 10,000 ตัน ต้องใช้วัสดุไทเทเนียมประมาณ 5 ชิ้น

ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลของจีน อุปกรณ์หลัก (เซลล์อิเล็กโทรไลต์) สำหรับการผลิตโซดาไฟมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญสามประการ การเปลี่ยนแปลงแรกคือถังแนวตั้งแทนที่ถังแนวนอน ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 (เซลล์อิเล็กโทรไลต์ไดอะแฟรมดูดซับในแนวตั้ง) ถูกนำมาใช้แทนถังแนวนอนแบบดั้งเดิม ซึ่งทำให้การผลิตโซดาไฟของจีนเพิ่มขึ้นอย่างมาก จาก 193,{3}} ตันในปี 1957 เป็น 693,000 ตันในปี 1966 เพิ่มขึ้น 3.6 เท่า

การเปลี่ยนแปลงประการที่สองคือเซลล์อิเล็กโทรไลต์แอโนดโลหะจะเข้ามาแทนที่เซลล์อิเล็กโทรไลต์แอโนดกราไฟท์ ในปี 1970 มีการใช้ขั้วบวกโลหะ (DSA) แทนขั้วบวกกราไฟท์ ตั้งแต่ปี 1972 ประเทศของเราได้ทำการทดสอบขั้วบวกไทเทเนียมที่โรงงานเคมี Shanghai Tianyuan และโรงงานเคมีเทียนจิน ในปี 1973 การทดสอบเซลล์อิเล็กโทรไลต์ไดอะแฟรมโลหะแอโนดยาว 20 ม. ได้เริ่มต้นขึ้น และเซลล์อิเล็กโทรไลต์แอโนดโลหะยาว 30 ม. ก็ค่อยๆ ถูกนำมาใช้ตั้งแต่ปี 1974 ในปี 1978 รัฐได้ดำเนินการอัปเกรดเทคโนโลยีแอโนดโลหะที่ 400,000 โซดาไฟไดอะแฟรมตัน ในปี 1981 มีโรงงานคลอร์อัลคาไล 17 แห่งทั่วประเทศที่ใช้เซลล์อิเล็กโทรไลซิสขั้วบวกโลหะจำนวน 1,217 เซลล์ ทำให้เกิดขั้วบวกโลหะไดอะแฟรมที่มีกำลังการผลิตต่อปี 670,000 ตัน ของโซดาไฟ ซึ่งคิดเป็น 30% ของกำลังการผลิตโซดาไฟของประเทศ และกำลังการผลิตอิเล็กโทรลิซิสปรอท 95,000 ตันโดยใช้ DSA ในปี 1996 มีโรงงานคลอร์อัลคาไล 99 แห่งในประเทศ รวมทั้งหมด เซลล์อิเล็กโทรไลต์ไดอะแฟรมแอโนดโลหะ 8,409 เซลล์โดยมีผลผลิตโซดาไฟ 4.2 ล้านตันต่อปีคิดเป็น 70% ของกำลังการผลิตโซดาไฟของประเทศ ยกเว้นโรงงานเคมีขนาดใหญ่บางแห่งเช่น Tianyuan, Tianhua และ Daguhua ซึ่งส่วนใหญ่ เซลล์อิเล็กโทรไลต์ขั้วบวกโลหะผลิตและจำหน่ายโดยโรงงานมืออาชีพเช่นโรงงานเครื่องจักรเคมีปักกิ่งและโรงงานเซี่ยงไฮ้ 4805

การเปลี่ยนแปลงประการที่สามคือการใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนไอออน ในช่วงกลาง-1980 มีการส่งเสริมการใช้วิธีเมมเบรนไอออนที่ประหยัดพลังงานและประสิทธิภาพสูงเพื่อผลิตโซดาไฟ ประเทศของเราแนะนำเทคโนโลยีและอุปกรณ์โซดาไฟเมมเบรนไอออนจากญี่ปุ่นและประเทศอื่นๆ โดยแบ่งเป็นชุดอุปกรณ์ตั้งแต่ 10,{4}} ถึง 50,000 ตัน อุปกรณ์หลักคือเซลล์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนไอออน, ถังหมุนเวียนของเหลวแอโนดไทเทเนียม, ถังน้ำเกลือสด, หอกำจัดคลอรีนสูญญากาศ, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, ท่อและวาล์วปั๊ม ฯลฯ อุปกรณ์ไทเทเนียมและท่อไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในระบบการไหลเวียนของของเหลวแอโนด น้ำเกลือสด ระบบ, ระบบกำจัดคลอรีน, ระบบส่งก๊าซคลอรีนเปียก และระบบหมุนเวียนน้ำคลอรีน ปั๊มไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในการขนส่งน้ำเกลือบริสุทธิ์ ของเหลวหมุนเวียนแอโนด น้ำเกลือน้ำจืด และน้ำคลอรีน ปริมาณไทเทเนียมที่ใช้ใน 10,000- อุปกรณ์ตันมีน้ำหนักประมาณ 8 ตัน ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2529 โรงงานเคมียานนานเซียได้เปิดตัวเทคโนโลยีแก้วอาซาฮีของญี่ปุ่นเป็นครั้งแรก โดยมีกำลังการผลิตโรงงานโซดาไฟ 10,000 ตันต่อปี นอกเหนือจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์สามมิติและปั๊มไทเทเนียมเหลวแอโนดที่จัดหาโดยญี่ปุ่นแล้ว อุปกรณ์ที่ทำจากไทเทเนียมอีก 6 ชิ้นที่เหลือทั้งหมดได้รับการสนับสนุนในประเทศและจัดหาโดยโรงงานเครื่องจักรเคมีจินซี ภายในปี 1990 โรงงานคลอร์อัลคาไล 11 แห่งได้นำสารกัดกร่อนเมมเบรนไอออนมาใช้ โรงงานโซดาที่มีกำลังการผลิต 295,000 ตัน ในปี 1995 โรงงานคลออัลคาไลทั้งหมด 27 แห่งทั่วประเทศได้นำโรงงานโซดาไฟเมมเบรนไอออนซึ่งมีกำลังการผลิต 827,000 ตันมาใช้ ในปี 2000 กำลังการผลิตต่อปีของอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลของจีนอยู่ที่ 7.5 ล้าน โซดาไฟ 14.71 ล้านตันในปี 2548 และ 23.99 ล้านตันในปี 2553

ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนไอออน อุณหภูมิของห้องแคโทดและแอโนดอยู่ที่ประมาณ 90 องศา ห้องแอโนดมีก๊าซคลอรีนและสารละลายเกลือ และห้องแคโทดมีความเข้มข้น 30% ~ 35% ของสารละลายโซดาไฟ ความหนาแน่นกระแสการทำงานโดยทั่วไปของเซลล์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนไอออนคือ 30~40A/dm ภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยดังกล่าว การใช้วัสดุและโครงสร้างการป้องกันการกัดกร่อนของเซลล์อิเล็กโทรไลต์จะต้องได้รับการพิจารณาอย่างเต็มที่เมื่อออกแบบเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ส่วนแอโนดของฟิล์มไอออน เซลล์อิเล็กโทรไลต์ (หมายถึงขั้วบวกและส่วนที่สัมผัสกับของเหลวขั้วบวก) ประเทศต่างๆ ทั่วโลกเลือกใช้โลหะไทเทเนียม (หรือโลหะผสมไทเทเนียมที่ทนต่อการกัดกร่อน) ซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีในของเหลวขั้วบวกโดยไม่มีข้อยกเว้น

แผนผังของเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนโซดาไฟเมมเบรนไอออนเมมเบรน ดังแสดงในรูป อิเล็กโทรดทั้งสองถูกแยกออกด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน เติมน้ำเกลือจากด้านหนึ่งและเติมน้ำบริสุทธิ์จากอีกด้านหนึ่ง หลังจากไหลผ่านกระแสแล้ว ก๊าซคลอรีนจะถูกสร้างขึ้นจากด้านแอโนด และก๊าซไฮโดรเจนจะถูกสร้างจากด้านแคโทด เมมเบรนไอออนิกยอมให้โซเดียมไอออนผ่านได้เท่านั้น ดังนั้นโซเดียมไฮดรอกไซด์จึงผลิตจากด้านแคโทด

นอกจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์ของอุปกรณ์หลักของโซดาไฟเมมเบรนไอออนแล้ว ชิ้นส่วนหลักที่ใช้ในอุปกรณ์ไทเทเนียม ได้แก่ เครื่องวัดระดับของเหลวระบบน้ำเกลือ ระบบของเหลวแอโนด - ถังของเหลวแอโนดและเครื่องฟอกคลอรีน หอกำจัดคลอรีนระบบน้ำเกลือสด, ผู้จัดจำหน่ายน้ำเกลือสด, เครื่องทำความเย็นเครื่องมือ; ระบบระบายความร้อนโซเดียมไฮโปคลอไรต์, หอดูดซับ, ผู้จัดจำหน่าย; ระบบก๊าซคลอรีน-เครื่องทำความเย็นก๊าซคลอรีนเปียก ระบบกำจัดอันตราย-เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, พัดลมกำจัดอันตราย

(2) เครื่องทำความเย็นคลอรีนเปียก

ในขณะที่เกลือแกงด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดโซดาไฟ ก็จะมีก๊าซคลอรีนเปียกร้อนจำนวนมากเกิดขึ้น ซึ่งสามารถใช้ได้หลังจากการทำความเย็นและทำให้แห้ง มีสองวิธีในการทำให้ก๊าซคลอรีนร้อนและชื้นเย็นลง: การพ่นน้ำโดยตรงและการทำความเย็นโดยอ้อมด้วยเครื่องทำความเย็นแบบท่อ การระบายความร้อนโดยตรงจะไม่เพียงแต่ผลิตน้ำคลอรีนที่มีคลอรีนจำนวนมาก ซึ่งจะก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง แต่ยังสูญเสียก๊าซคลอรีนจำนวนมาก กรดซัลฟิวริกถูกใช้ และสภาพการทำงานในการประชุมเชิงปฏิบัติการไม่ดี วัสดุของเครื่องทำความเย็นทางอ้อม ได้แก่ เครื่องทำความเย็นแบบแกรไฟต์ เครื่องทำความเย็นแบบหลอดแก้ว เครื่องทำความเย็นแบบเซรามิก เครื่องทำความเย็นแบบพลาสติก ฯลฯ แต่มีปัญหามากมาย เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ แตกหักง่าย และมีอายุง่าย เครื่องทำความเย็นทางอ้อมที่ทำจากสแตนเลสสามารถใช้งานได้เพียง 8 ถึง 10 วันเท่านั้น และจำเป็นต้องหยุดเพื่อซ่อมแซม ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าไทเทเนียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้อย่างมากในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและก๊าซคลอรีนเปียก โดยมี อัตราการกัดกร่อนต่อปี 0.0025 มม. การใช้เครื่องทำความเย็นไททาเนียมในการผลิตอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลสามารถลดกระบวนการทำความเย็นและการอบแห้ง ลดการสูญเสียก๊าซคลอรีน ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และสร้างเงื่อนไขสำหรับการทำงานที่มั่นคงของก๊าซอัด และบรรลุ การอบแห้งในระดับสูง

ในปีพ.ศ. 2506 รัสเซียเริ่มใช้เครื่องทำความเย็นก๊าซคลอรีนไทเทเนียม โดยมีพื้นที่ถ่ายเทความร้อน 140 เมตร นอกจากนี้ยังใช้ท่อไทเทเนียมสำหรับลำเลียงก๊าซคลอรีนเปียกด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 ~ 600 มม. และความยาวมากกว่า 500 ม. เครื่องทำความเย็นก๊าซคลอรีนเปียกเกือบทั้งหมดที่ใช้ในอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไลในรัสเซียทำจากไทเทเนียม บริษัท พันธมิตรเคมีใน สหรัฐอเมริกาใช้ไทเทเนียมแทนกราไฟท์เพื่อผลิตเครื่องทำความเย็นในอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไล ท่อกราไฟท์แบบเดิมนั้นใช้งานมา 2 ถึง 3 ปี และเครื่องทำความเย็นไททาเนียมความสูง 78 ม. ทำหน้าที่ทำความเย็นจนเต็มประสิทธิภาพ ในขณะที่เครื่องทำความเย็นกราไฟท์ต้องใช้ความยาว 140 ม.

เครื่องทำความเย็นไทเทเนียมเครื่องแรกของจีนผลิตขึ้นในปี 1965 โดยโรงงานเครื่องจักร Jinxi Chemical พื้นที่ถ่ายเทความร้อนมีขนาดเล็กเพียง 16.8m. ตั้งแต่ปี 1973 โรงงานคลอร์อัลคาไลในเซี่ยงไฮ้ เทียนจิน ปักกิ่ง เหลียวหนิง กวางตุ้ง และจังหวัดและเมืองอื่น ๆ ได้ใช้เครื่องทำความเย็นแบบท่อไทเทเนียมอย่างต่อเนื่องซึ่งให้ผลลัพธ์ที่ดี มีเครื่องทำความเย็นแบบท่อไทเทเนียมหลายร้อยเครื่องในประเทศของเรา

(3) ปั๊มและวาล์ว

ในการผลิตก๊าซคลอรีนโดยอิเล็กโทรไลซิสแบบเมมเบรนและอิเล็กโทรไลซิสแบบปรอท ปั๊มไทเทเนียมที่ใช้ในโพแทสเซียมไฮโปคลอไรต์และโซเดียมไฮโปคลอไรต์นั้นประหยัดที่สุด บริษัท Georgia-Peefick ในสหรัฐอเมริกาใช้ปั๊มไทเทเนียมเพื่อสูบสารละลายเกลือที่อุณหภูมิ 85 องศา สารละลายเกลือประกอบด้วย NaCl, ผลึก NaCl 270~320 ก./ลิตร และคลอรีนอิสระมากกว่า 0.5 ก./ลิตร อายุการใช้งานของปั๊มไทเทเนียมยาวนานถึง 10 ปี

โรงงานเคมีแห่งที่สองในปักกิ่งใช้ปั๊มหล่อไทเทเนียม 6BA-12 โกลปวาล์ว Dg100Dg และใบพัดปั๊มสุญญากาศเซรามิกแหวนน้ำ HTB-701l ในกระบวนการกำจัดคลอรีนแบบสุญญากาศใหม่ ปั๊มและใบพัดไทเทเนียมเหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนาน อายุการใช้งาน