Primjena titana u kemijskoj industriji-klor-alkalije

Primjena titana u kemijskoj industriji-klor-alkalije

Klor-alkalna industrija je kemijska industrija koja priprema plinoviti klor i kaustičnu sodu elektrolizom vodene otopine soli. Ima povijest dužu od sto godina. Klor-alkalna industrija također je prva industrija u kemijskoj industriji koja je koristila titan. Glavna oprema za titan koja se koristi u proizvodnji klor-alkalija su: elektrolitička ćelija s metalnom anodom, elektrolitička ćelija s ionskom membranom, cijevni hladnjak s mokrim klorom, predgrijač rafinirane slane otopine, deklorinacija toranj, klor-alkalni rashladni skruber, vakuumska pumpa za deklorinaciju i oprema od titana ventila.

(1) Metalna anoda

Klor-alkalni proizvodni proces ima elektrolizu žive, elektrolizu dijafragme i elektrolizu ionske membrane. U prošlosti su se za klor-alkalne anode koristile grafitne anode. Godine 1956., Nizozemac Henry.Bill (H. Beer) prvi je predložio elektrolitičku ćelija koristi metalnu anodu, također poznatu kao dimenzionalno stabilna anoda DSA (Dimensionally Stable Anode), i dobila je patent 1965. Dimenzionalno stabilna anoda je elektroda presvučena oksidima plemenitih metala platinske skupine na podlozi od titana. 1968., DeNore, talijanska tvrtka, prve industrijalizirane titanijske anode u klor-alkalnoj industriji. Oko 1970. godine Sjedinjene Države, Italija, Japan, Njemačka, Francuska i druge zemlje brzo su prešle na metalne anode umjesto grafitnih. U Japanu su tisuće tona titana korištene kao osnovni materijal za metalne anode. Za proizvodnju 10,000 tona kaustične sode potrebno je oko 5 materijala titana.

S razvojem kineske klor-alkalne industrije, glavna oprema (elektrolitička ćelija) za proizvodnju kaustične sode doživjela je tri velike promjene. Prva promjena bila je da su vertikalni spremnici zamijenili horizontalne spremnike. Početkom 1960-ih (elektrolitičke ćelije s vertikalnom adsorpcijskom dijafragmom) korištene su umjesto tradicionalnih vodoravnih spremnika, što je znatno povećalo proizvodnju kaustične sode u Kini, sa 193,000 tona 1957. na 693,000 tona 1966. , povećanje od 3,6 puta.

Druga promjena je da elektrolitičke ćelije s metalnom anodom zamjenjuju elektrolitičke ćelije s grafitnom anodom. U 1970-ima umjesto grafitne anode korištena je metalna anoda (DSA). Od 1972. godine naša zemlja provodi ispitivanja titanskih anoda u šangajskoj kemijskoj tvornici Tianyuan i kemijskoj tvornici Tianjin. Godine 1973. započelo je ispitivanje elektrolitičke ćelije s dijafragmom metalne anode od 20 m, a elektrolitička ćelija s metalnom anodom od 30 m postupno se koristila od 1974. Godine 1978. država je izvršila zadatak nadogradnje tehnologije metalne anode od 400,000 tona dijafragmske kaustične sode. Od 1981. bilo je 17 klor-alkalnih tvornica diljem zemlje koje su koristile ukupno 1217 ćelija za elektrolizu metalne anode, tvoreći metalnu anodu dijafragme s godišnjim kapacitetom proizvodnje od 670,000 tona kaustične sode, što čini 30% kapaciteta proizvodnje kaustične sode u zemlji, i 95,000 tona kapaciteta elektrolize žive pomoću DSA. Od 1996. godine u zemlji je bilo 99 klor-alkalnih tvornica s ukupno 8409 elektrolitičkih ćelija s dijafragmom metalne anode, s godišnjom proizvodnjom od 4,2 milijuna tona kaustične sode, što čini 70% kapaciteta proizvodnje kaustične sode u zemlji. Osim nekoliko velikih kemijskih tvornica kao što su Tianyuan, Tianhua i Daguhua, većina metalne anodne elektrolitičke ćelije proizvode i isporučuju profesionalne tvornice kao što su Beijing Chemical Machinery Factory i Shanghai 4805 Factory.

Treća promjena je uporaba elektrolitičkih ćelija s ionskom membranom. Sredinom-1980 prošlog stoljeća promicala se upotreba metode ionske membrane koja štedi energiju i ima visoku učinkovitost za proizvodnju kaustične sode. Naša je zemlja uvela tehnologiju i opremu kaustične sode s ionskom membranom iz Japana i drugih zemalja, formirajući seriju od 10,000 do 50,000 tona opreme. Glavna oprema je elektrolitička ćelija s ionskom membranom, spremnik za cirkulaciju tekućine od titanijske anode, spremnik za svježu slanu otopinu, toranj za vakuumsku deklorinaciju, izmjenjivač topline, cijev i ventil pumpe, itd. Oprema od titana i cijev od titana uglavnom se koriste u sustavu cirkulacije tekućine za anodu, svježa slana otopina sustav, sustav za dekloriranje, mokri sustav za isporuku plinovitog klora i sustav za cirkulaciju vode s klorom. Titanijske pumpe uglavnom se koriste za transport rafinirane slane vode, tekućine za cirkulaciju anode, slatkovodne slane vode i klorirane vode. Količina titana koja se koristi u 10,000- tona uređaja je oko 8t. U lipnju 1986. Yannanxia Chemical Plant je po prvi put uvela japansku tehnologiju Asahi Glass, s godišnjom proizvodnjom od 10,000 tona tvornice kaustične sode. Uz trodimenzionalnu elektrolitičku ćeliju i crpku s tekućim titanom s anodom koju je isporučio Japan, preostalih šest opreme proizvedene od titana sva je domaća podrška i isporučena od Jinxi Chemical Machinery Factory. Do 1990. godine 11 klor-alkalnih tvornica usvojilo je kaustičnu ionsku membranu tvornice sode s proizvodnim kapacitetom od 295,000 tona. Godine 1995. ukupno 27 klor-alkalnih tvornica diljem zemlje usvojilo je tvornice kaustične sode s ionskom membranom s proizvodnim kapacitetom od 827 000 tona. Godine 2000. godišnji kapacitet kineske klor-alkalne industrije bio je 7,5 milijuna tona kaustične sode, 14,71 milijuna tona u 2005. godini, a 23,99 milijuna tona u 2010. godini.

U elektrolitičkoj ćeliji s ionskom membranom, temperatura prostorija katode i anode je oko 90 stupnjeva, anodna komora ima plinoviti klor i otopinu soli, a katodna komora ima 30% ~ 35% koncentracije otopine kaustične sode. Opća radna gustoća struje elektrolitičke ćelije s ionskom membranom je 30 ~ 40 A/dm. Pod tako teškim uvjetima, upotreba materijala i antikorozivna struktura elektrolitičke ćelije moraju se u potpunosti uzeti u obzir pri projektiranju elektrolitičke ćelije. Anodni dio ionskog filma elektrolitičku ćeliju (odnosi se na anodu i dio u kontaktu s anodnom tekućinom), zemlje diljem svijeta bez iznimke su odabrale metalni titan (ili leguru titana otpornu na koroziju) s dobrom otpornošću na koroziju u anodnoj tekućini.

Shematski dijagram ionske membrane kaustične sode ionske izmjenjivačke membrane, kao što je prikazano na slici, dvije su elektrode izolirane ionskom izmjenjivačkom membranom. Slana voda se dodaje s jedne strane, a čista voda se dodaje s druge strane. Nakon prolaska kroz struju, plinoviti klor se stvara sa strane anode, a plinoviti vodik se stvara sa strane katode. Ionska membrana dopušta samo prolaz natrijevih iona , pa se natrijev hidroksid proizvodi sa strane katode.

Uz elektrolitičku ćeliju glavne opreme uređaja s kaustičnom sodom s ionskom membranom, glavni dijelovi koji se koriste u opremi od titana su: sustav slane otopine - mjerač razine tekućine; sustav anodne tekućine - spremnik anodne tekućine i čistač klora; sustav svježe slane otopine-toranj za dekloriranje, distributer svježe slane vode, hladnjak instrumenata; sustav natrijevog hipoklorita-hlađenje, apsorpcijski toranj, razdjelnik; sustav za plinski klor - mokri hladnjak za plinski klor; sustav za uklanjanje opasnosti-izmjenjivač topline, ventilator za uklanjanje opasnosti.

(2) Mokri hladnjak klora

Dok se elektrolizom kuhinjske soli proizvodi kaustična soda, stvara se velika količina vrućeg vlažnog plinovitog klora koji se može koristiti nakon hlađenja i sušenja. Postoje dva načina za hlađenje vrućeg i vlažnog plinovitog klora: izravno prskanje vodom i neizravno hlađenje cjevastim hladnjacima .Izravno hlađenje ne samo da će proizvesti veliku količinu klorirane vode koja sadržava klor, što će ozbiljno zagaditi okoliš, već se gubi i velika količina plinovitog klora, troši se sumporna kiselina, a radni uvjeti u radionici su loši. Materijal neizravnih hladnjaka bili su grafitni hladnjaci, stakleni cijevni hladnjaci, keramički hladnjaci, plastični hladnjaci itd., ali postoje mnogi problemi kao što su slaba otpornost na koroziju, lako lomljenje i lako starenje. Indirektni hladnjaci od nehrđajućeg čelika mogu se koristiti samo 8 do 10 dan i moraju se zaustaviti radi popravka. Rezultati ispitivanja pokazuju da je titan izuzetno otporan na koroziju u okruženju visoke temperature i vlažnog plina klora, s godišnja stopa korozije od 0,0025 mm. Korištenje titanskih hladnjaka u proizvodnji klor-alkalne industrije može skratiti proces hlađenja i sušenja, smanjiti gubitak plinovitog klora, smanjiti onečišćenje okoliša i stvoriti uvjete za stabilan rad komprimiranih plinova i postići visok stupanj sušenja.

Godine 1963. Rusija je počela koristiti titanijeve plinske hladnjake klora, s područjem prijenosa topline od 140 m. Također su korištene cijevi od titana za prijenos mokrog plinovitog klora, promjera od 300~600 mm i duljine veće od 500 m. Gotovo svi rashlađivači mokrog plinovitog klora koji se koriste u klor-alkalnoj industriji u Rusiji izrađeni su od titana. Allied Chemical Company u Sjedinjene Države koriste titan umjesto grafita za izradu hladnjaka u klor-alkalnoj industriji. Originalna grafitna cijev korištena je 2 do 3 godine, a titanijski hladnjak od 78 m upotpunio je kapacitet hlađenja, dok je za grafitni hladnjak bilo potrebno 140 m.

Prvi kineski hladnjak od titana proizvela je 1965. godine Jinxi Chemical Machinery Factory. Područje prijenosa topline je malo, samo 16,8 m. Od 1973. godine, klor-alkalne tvornice u Šangaju, Tianjinu, Pekingu, Liaoningu, Guangdongu i drugim provincijama i gradovima sukcesivno su koristile titanijske cjevaste hladnjake s dobrim rezultatima. U našoj zemlji postoje stotine titanskih cjevastih hladnjaka.

(3) Pumpe i ventili

U proizvodnji plinovitog klora membranskom elektrolizom i elektrolizom žive, titanijske pumpe koje se koriste u kalijevom hipokloritu i natrijevom hipokloritu su najekonomičnije. Tvrtka Georgia-Peefick u Sjedinjenim Državama koristi titansku pumpu za pumpanje otopine soli na 85 stupnjeva. Otopina soli sadrži 270~320g/L NaCl, kristale NaCl i više od 0,5g/L slobodnog klora. Vijek trajanja titanijske pumpe je do 10 godina.

Druga kemijska tvornica u Pekingu koristi pumpu od lijevanog titana 6BA-12, Dg100Dg kuglasti ventil i HTB-701l keramičku vakuumsku pumpu s vodenim prstenom titanski rotor u novom procesu vakuumske dekloracije. Ove titanske pumpe i rotori imaju dugu vijek trajanja.