تطبيق التيتانيوم في الصناعة الكيميائية الكلور والقلويات

تطبيق التيتانيوم في الصناعة الكيميائية الكلور والقلويات

صناعة الكلور القلوي هي صناعة كيميائية تقوم بتحضير غاز الكلور والصودا الكاوية عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول ملح مائي. لديها تاريخ لأكثر من مائة عام. تعد صناعة الكلور والقلويات أيضًا أول صناعة في الصناعة الكيميائية تستخدم التيتانيوم. معدات التيتانيوم الرئيسية المستخدمة في إنتاج الكلور والقلويات هي: خلية التحليل الكهربائي للأنود المعدني، خلية التحليل الكهربائي ذات الغشاء الأيوني، مبرد الكلور الرطب الأنبوبي، التسخين المسبق للمحلول الملحي المكرر، إزالة الكلور. برج، جهاز تبريد الكلور والقلويات، مضخة إزالة الكلور الفراغية ومعدات صمام التيتانيوم.

(1) الأنود المعدني

تشتمل عملية إنتاج الكلور القلوي على التحليل الكهربائي للزئبق والتحليل الكهربائي للحجاب الحاجز والتحليل الكهربائي للغشاء الأيوني. في الماضي، تم استخدام أنودات الجرافيت في أنودات الكلور القلوي. تستخدم الخلية أنودًا معدنيًا، يُعرف أيضًا باسم الأنود المستقر الأبعاد DSA (الأنود المستقر الأبعاد)، وحصلت على براءة اختراع في عام 1965. الأنود المستقر الأبعاد عبارة عن قطب كهربائي مطلي بمجموعة من أكاسيد المعادن الثمينة من البلاتين على ركيزة من التيتانيوم. شركة إيطالية، أول أنودات التيتانيوم الصناعية في صناعة الكلور والقلويات. في حوالي عام 1970، تحولت الولايات المتحدة وإيطاليا واليابان وألمانيا وفرنسا ودول أخرى بسرعة إلى الأنودات المعدنية بدلاً من أنودات الجرافيت. في اليابان، تم استخدام آلاف الأطنان من التيتانيوم كمادة أساسية للأنودات المعدنية. لإنتاج 10,000 طن من الصودا الكاوية، يلزم حوالي 5 مواد تيتانيوم.

مع تطور صناعة الكلور والقلويات في الصين، خضعت المعدات الرئيسية (خلية التحليل الكهربائي) لإنتاج الصودا الكاوية لثلاثة تغييرات رئيسية. وكان التغيير الأول هو أن الخزانات العمودية حلت محل الخزانات الأفقية. في أوائل الستينيات من القرن العشرين، تم استخدام (خلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء الامتزاز العمودي) بدلاً من الخزانات الأفقية التقليدية، مما أدى إلى زيادة كبيرة في إنتاج الصودا الكاوية في الصين، من 193,000 طن في عام 1957 إلى 693,000 طن في عام 1966 بزيادة قدرها 3.6 مرة.

التغيير الثاني هو أن خلايا التحليل الكهربائي للأنود المعدني تحل محل خلايا التحليل الكهربائي لأنود الجرافيت. في السبعينيات، تم استخدام الأنود المعدني (DSA) بدلاً من أنود الجرافيت. منذ عام 1972، قامت بلادنا بإجراء إختبارات أنود التيتانيوم في مصنع Shanghai Tianyuan الكيميائي ومصنع Tianjin الكيميائي. في عام 1973، بدأ اختبار خلية التحليل الكهربائي ذات غشاء الأنود المعدني بطول 20 مترًا، وتم استخدام خلية التحليل الكهربائي ذات الأنود المعدني تدريجيًا منذ عام 1974. وفي عام 1978، نفذت الدولة مهمة ترقية تكنولوجيا الأنود المعدني لـ 400،000 طن من الصودا الكاوية الغشائية. اعتبارًا من عام 1981، كان هناك 17 مصنعًا للكلور والقلويات في جميع أنحاء البلاد تستخدم إجمالي 1,217 خلية تحليل كهربي للأنود المعدني، لتكوين أنود معدني غشائي بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 670,000 طن من الصودا الكاوية، وهو ما يمثل 30% من قدرة إنتاج الصودا الكاوية في البلاد، و95,000 طن من قدرة التحليل الكهربائي للزئبق باستخدام DSA. اعتبارًا من عام 1996، كان هناك 99 مصنعًا للكلور والقلويات في البلاد بإجمالي 8409 خلية تحليل كهربائي ذات غشاء الأنود المعدني، بإنتاج سنوي يبلغ 4.2 مليون طن من الصودا الكاوية، وهو ما يمثل 70٪ من الطاقة الإنتاجية للصودا الكاوية في البلاد. باستثناء عدد قليل من المصانع الكيميائية الكبيرة مثل تيانيوان، وتيانهوا، وداغوهوا، فإن معظم يتم تصنيع وتوريد خلايا التحليل الكهربائي للأنود المعدني بواسطة مصانع محترفة مثل مصنع بكين للآلات الكيميائية ومصنع شنغهاي 4805.

التغيير الثالث هو استخدام خلايا التحليل الكهربائي ذات الغشاء الأيوني. في منتصف القرن العشرين، تم الترويج لاستخدام طريقة الغشاء الأيوني الموفرة للطاقة وعالية الكفاءة لإنتاج الصودا الكاوية. قدمت بلادنا تكنولوجيا ومعدات الصودا الكاوية ذات الغشاء الأيوني من اليابان ودول أخرى، مما شكل سلسلة من 10,000 إلى 50,000 طنًا من المعدات. المعدات الرئيسية هي خلية التحليل الكهربائي ذات الغشاء الأيوني ، خزان تدوير سائل أنود التيتانيوم ، خزان الماء الملحي الطازج ، برج إزالة الكلور الفراغي ، المبادل الحراري ، صمام الأنبوب والمضخة ، وما إلى ذلك ، معدات التيتانيوم وأنابيب التيتانيوم تستخدم بشكل رئيسي في نظام تداول سائل الأنود ، محلول ملحي طازج النظام، نظام إزالة الكلور، نظام توصيل غاز الكلور الرطب ونظام تدوير مياه الكلور. تستخدم مضخات التيتانيوم بشكل أساسي لنقل المياه المالحة المكررة، سائل تدوير الأنود، محلول ملحي للمياه العذبة ومياه الكلور. كمية التيتانيوم المستخدمة في 10،000- يبلغ وزن الجهاز حوالي 8 طن. في يونيو 1986، قدم مصنع Yannanxia الكيميائي تقنية Asahi Glass اليابانية لأول مرة، بإنتاج سنوي يبلغ 10,000 طن من مصنع الصودا الكاوية. بالإضافة إلى خلية التحليل الكهربائي ثلاثية الأبعاد ومضخة التيتانيوم السائل الأنودية التي توفرها اليابان، فإن المعدات الستة المتبقية المصنوعة من التيتانيوم كلها مدعومة ومزودة محليًا من قبل مصنع جينشي للآلات الكيميائية. وبحلول عام 1990، اعتمد 11 مصنعًا للكلور والقلويات غشاء أيون كاويًا. مصانع الصودا بطاقة إنتاجية 295,000 طن. في عام 1995، اعتمد إجمالي 27 مصنعًا للكلور القلوي في جميع أنحاء البلاد مصانع الصودا الكاوية ذات الغشاء الأيوني بقدرة إنتاجية تبلغ 827,000 طن. وفي عام 2000، بلغت الطاقة الإنتاجية السنوية لصناعة الكلور والقلويات في الصين 7.5 مليون طن من الصودا الكاوية، 14.71 مليون طن عام 2005، و23.99 مليون طن عام 2010.

في خلية التحليل الكهربائي ذات الغشاء الأيوني، تبلغ درجة حرارة غرف الكاثود والأنود حوالي 90 درجة، وتحتوي غرفة الأنود على غاز الكلور ومحلول الملح، وتحتوي غرفة الكاثود على تركيز 30% ~ 35% من محلول الصودا الكاوية. تبلغ كثافة تيار التشغيل العامة للخلية الإلكتروليتية ذات الغشاء الأيوني 30 ~ 40A / dm. في ظل هذه الظروف القاسية، يجب مراعاة استخدام المواد والبنية المضادة للتآكل للخلية الإلكتروليتية بشكل كامل عند تصميم الخلية الإلكتروليتية. جزء الأنود من الفيلم الأيوني خلية التحليل الكهربائي (تشير إلى الأنود والجزء الملامس لسائل الأنود)، اختارت الدول حول العالم دون استثناء معدن التيتانيوم (أو سبائك التيتانيوم المقاومة للتآكل) الذي يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل في سائل الأنود.

الرسم التخطيطي لغشاء التبادل الأيوني للصودا الكاوية، كما هو موضح في الشكل، يتم عزل القطبين الكهربائيين بغشاء التبادل الأيوني. يضاف الماء المالح من جهة ويضاف الماء النقي من جهة أخرى. وبعد مروره بالتيار، يتولد غاز الكلور من جهة الأنود ويتولد غاز الهيدروجين من جهة الكاثود. والغشاء الأيوني يسمح فقط بمرور أيونات الصوديوم. فينتج هيدروكسيد الصوديوم من جانب الكاثود.

بالإضافة إلى الخلية الإلكتروليتية للمعدات الرئيسية لجهاز الصودا الكاوية ذات الغشاء الأيوني، فإن الأجزاء الرئيسية المستخدمة في معدات التيتانيوم هي: جهاز قياس مستوى السائل في نظام المحلول الملحي؛ نظام سائل الأنود - خزان سائل الأنود وجهاز غسل الكلور؛ برج إزالة الكلور لنظام المحلول الملحي الطازج، وموزع المحلول الملحي الطازج، ومبرد الأدوات؛ تبريد نظام هيبوكلوريت الصوديوم، برج الامتصاص، الموزع؛ نظام غاز الكلور - مبرد غاز الكلور الرطب؛ نظام إزالة المخاطر - مبادل حراري، مروحة إزالة المخاطر.

(2) مبرد الكلور الرطب

في حين أن التحليل الكهربائي لملح الطعام ينتج الصودا الكاوية، فإنه يتم توليد كمية كبيرة من غاز الكلور الساخن الرطب، والذي يمكن استخدامه بعد التبريد والتجفيف. هناك طريقتان لتبريد غاز الكلور الساخن والرطب: رش الماء المباشر والتبريد غير المباشر بواسطة المبردات الأنبوبية التبريد المباشر لن ينتج فقط كمية كبيرة من مياه الكلور المحتوية على الكلور، والتي سوف تلوث البيئة بشكل خطير، ولكن أيضًا يتم فقدان كمية كبيرة من غاز الكلور، واستهلاك حمض الكبريتيك، وتكون ظروف العمل في الورشة سيئة. كانت مادة المبردات غير المباشرة عبارة عن مبردات من الجرافيت، ومبردات أنبوبية زجاجية، ومبردات سيراميك، ومبردات بلاستيكية، وما إلى ذلك، ولكن هناك العديد من المشكلات مثل ضعف مقاومة التآكل، وسهولة الكسر، وسهولة التقادم. لا يمكن استخدام المبردات غير المباشرة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ إلا لمدة 8 إلى 10 يومًا ويجب إيقافها للإصلاح. وتظهر نتائج الاختبار أن التيتانيوم مقاوم للغاية للتآكل في بيئة ذات درجة حرارة عالية وغاز الكلور الرطب، مع معدل تآكل سنوي يبلغ 0.0025 مم. إن استخدام مبردات التيتانيوم في إنتاج صناعة الكلور القلوي يمكن أن يؤدي إلى تقصير عملية التبريد والتجفيف، وتقليل فقدان غاز الكلور، وتقليل التلوث البيئي، وتهيئة الظروف للتشغيل المستقر للغازات المضغوطة وتحقيق درجة عالية من التجفيف.

في عام 1963، بدأت روسيا في استخدام مبردات غاز كلور التيتانيوم، بمساحة نقل حرارة تبلغ 140 مترًا مربعًا. كما تم استخدام أنابيب التيتانيوم لنقل غاز الكلور الرطب، بقطر يتراوح بين 300 إلى 600 ملم وطول يزيد عن 500 متر. تقريبًا جميع مبردات غاز الكلور الرطب المستخدمة في صناعة الكلور والقلويات في روسيا مصنوعة من التيتانيوم. تستخدم الولايات المتحدة التيتانيوم بدلاً من الجرافيت لصنع المبردات في صناعة الكلور والقلويات. تم استخدام أنبوب الجرافيت الأصلي لمدة تتراوح بين 2 إلى 3 سنوات، وأكمل مبرد التيتانيوم بطول 78 مترًا قدرة التبريد، بينما احتاج مبرد الجرافيت إلى 140 مترًا.

تم تصنيع أول مبرد تيتانيوم في الصين في عام 1965 من قبل مصنع Jinxi Chemical Machinery Factory. مساحة نقل الحرارة صغيرة، 16.8 م فقط. منذ عام 1973، استخدمت مصانع الكلور القلوي في شنغهاي وتيانجين وبكين ولياونينغ وقوانغدونغ وغيرها من المقاطعات والمدن على التوالي مبردات أنبوبية من التيتانيوم مع نتائج جيدة. هناك المئات من المبردات الأنبوبية المصنوعة من التيتانيوم في بلدنا.

(3) المضخات والصمامات

في إنتاج غاز الكلور عن طريق التحليل الكهربائي الغشائي والتحليل الكهربائي للزئبق، تعتبر مضخات التيتانيوم المستخدمة في هيبوكلوريت البوتاسيوم وهيبوكلوريت الصوديوم هي الأكثر اقتصادا. وتستخدم شركة Georgia-Peefick في الولايات المتحدة مضخة تيتانيوم لضخ محلول ملحي عند 85 درجة. يحتوي المحلول الملحي على 270~320 جم/لتر من كلوريد الصوديوم وبلورات NaCl وأكثر من 0.5 جم/لتر من الكلور الحر. عمر الخدمة لمضخة التيتانيوم يصل إلى 10 سنوات.

يستخدم مصنع بكين الكيميائي الثاني مضخة تيتانيوم مصبوبة 6BA-12، وصمام كروي Dg100Dg وHTB-701l مضخة فراغية من السيراميك ومضخة تفريغ من التيتانيوم في عملية إزالة الكلور بالفراغ الجديدة. تتمتع مضخات ودفاعات التيتانيوم هذه بعمر طويل خدمة الحياة.