Klorproduktion
Klorgas kan produceras genom att extrahera från naturliga material, inklusive elektrolys av en natriumkloridlösning ( saltlösning ) och andra sätt.
Gasutvinning
Klor kan tillverkas genom elektrolys av en natriumkloridlösning ( saltlösning ), som är känd som Chloralkali-processen . Produktionen av klor resulterar i biprodukterna kaustiksoda ( natriumhydroxid , NaOH) och vätgas (H 2 ). Dessa två produkter, liksom klor i sig, är mycket reaktiva. Klor kan också framställas genom elektrolys av en lösning av kaliumklorid , i vilket fall biprodukterna är väte och kaustikkali ( kaliumhydroxid ). Det finns tre industriella metoder för extraktion av klor genom elektrolys av kloridlösningar, alla enligt följande ekvationer:
- Katod: 2 H + (aq) + 2 e − → H 2 (g)
- Anod: 2 Cl − (aq) → Cl 2 (g) + 2 e −
Total process: 2 NaCl (eller KCl) + 2 H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2 NaOH (eller KOH)
Kvicksilvercellelektrolys
Kvicksilvercellelektrolys , även känd som Castner-Kellner-processen , var den första metoden som användes i slutet av artonhundratalet för att producera klor i industriell skala. De "gungande" cellerna som används har förbättrats under åren. Idag, i den "primära cellen", placeras titananoder klädda med platina eller ledande metalloxider (tidigare grafitanoder ) i en natrium- (eller kalium)kloridlösning som flyter över en flytande kvicksilverkatod . När en potentialskillnad appliceras och ström flyter frigörs klor vid titananoden och natrium ( eller kalium ) löser sig i kvicksilverkatoden och bildar ett amalgam . Denna strömmar kontinuerligt in i en separat reaktor ("denuder" eller "sekundär cell"), där den vanligtvis omvandlas tillbaka till kvicksilver genom reaktion med vatten , vilket ger väte och natrium (eller kalium) hydroxid i en kommersiellt användbar koncentration (50 viktprocent). ). Kvicksilvret återförs sedan till primärcellen med en pump som är placerad på botten.
Kvicksilverprocessen är den minst energieffektiva av de tre huvudteknikerna (kvicksilver, diafragma och membran ) och det finns också oro för kvicksilverutsläppen .
Det uppskattas att det fortfarande finns cirka 100 kvicksilvercellsanläggningar i drift över hela världen. I Japan fasades den kvicksilverbaserade kloralkaliproduktionen praktiskt taget ut 1987 (förutom de två sista kaliumkloridenheterna som lades ner 2003). I USA kommer det bara att finnas fem kvicksilverfabriker kvar i drift i slutet av 2008. I Europa stod kvicksilverceller för 43 % av kapaciteten 2006 och västeuropeiska producenter har åtagit sig att stänga eller konvertera alla kvarvarande kloralkalikvicksilverfabriker 2020.
Diafragmacellelektrolys (bipolär)
Vid elektrolys av diafragmaceller separerar ett asbest (eller polymerfiber) diafragma en katod och en anod, vilket hindrar klor som bildas vid anoden från att åter blandas med natriumhydroxiden och vätet som bildas vid katoden. Denna teknik utvecklades också i slutet av artonhundratalet. Det finns flera varianter av denna process: Le Sueur-cellen (1893), Hargreaves-Bird-cellen (1901), Gibbs-cellen (1908) och Townsend-cellen (1904). Cellerna varierar i konstruktion och placering av membranet, varvid vissa har membranet i direkt kontakt med katoden.
Saltlösningen matas kontinuerligt till anodavdelningen och strömmar genom membranet till katodavdelningen, där den kaustikala alkalin bildas och saltlösningen är delvis utarmad . Som ett resultat producerar diafragmametoder alkali som är ganska utspädd (ca 12%) och av lägre renhet än kvicksilvercellmetoder.
Diafragmaceller är inte belastade med problemet att förhindra kvicksilverutsläpp i miljön; de arbetar också vid en lägre spänning , vilket resulterar i en energibesparing jämfört med kvicksilvercellmetoden, men stora mängder ånga krävs om kaustiken måste avdunsta till den kommersiella koncentrationen på 50 %.
Membrancellelektrolys
Utvecklingen av denna teknik började på 1970-talet. Elektrolyscellen är uppdelad i två "sektioner" av ett katjonpermeabelt membran som fungerar som en katjonbytare . Mättad natrium (eller kalium) kloridlösning leds genom anodfacket och lämnar vid en lägre koncentration . Natrium (eller kalium) hydroxidlösning cirkuleras genom katodavdelningen och kommer ut med en högre koncentration. En del av den koncentrerade natriumhydroxidlösningen som lämnar cellen avleds som produkt, medan återstoden späds med avjoniserat vatten och passerar genom elektrolysapparaten igen.
Denna metod är effektivare än diafragmacellen och producerar mycket ren natrium (eller kalium) hydroxid vid cirka 32% koncentration, men kräver mycket ren saltlösning.
Andra elektrolytiska processer
Även om en mycket lägre produktionsskala är involverad, används elektrolytiska diafragma- och membranteknologier också industriellt för att återvinna klor från saltsyralösningar, vilket ger väte (men ingen kaustikalkali) som en biprodukt.
Dessutom möjliggör elektrolys av smälta kloridsalter ( Downs-processen ) också att klor kan framställas, i detta fall som en biprodukt vid tillverkning av metalliskt natrium eller magnesium .
Andra metoder
Innan elektrolytiska metoder användes för klorproduktion, utövades den direkta oxidationen av väteklorid med syre (ofta genom exponering för luft) i Deacon-processen :
- 4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O
Denna reaktion åstadkommes med användning av koppar(II)klorid (CuCl2 ) som katalysator och utförs vid hög temperatur (ca 400°C) . Mängden extraherad klor är cirka 80 %. På grund av den extremt frätande reaktionsblandningen är industriell användning av denna metod svår och flera pilotförsök misslyckades tidigare. Ändå är den senaste utvecklingen lovande. Nyligen Sumitomo en katalysator för Deacon-processen med hjälp av rutenium(IV)oxid (RuO 2 ).
En annan tidigare process för att framställa klor var att värma upp saltlake med syra och mangandioxid .
- 2 NaCl + 2H 2 SO 4 + MnO 2 → Na 2 SO 4 + MnSO 4 + 2 H 2 O + Cl 2
Genom att använda denna process var kemisten Carl Wilhelm Scheele den första att isolera klor i ett laboratorium. Manganet kan återvinnas genom Weldon - processen .
Små mängder klorgas kan tillverkas i laboratoriet genom att lägga koncentrerad saltsyra i en kolv med en sidoarm och gummislang. Mangandioxid tillsätts sedan och kolven tillsluts. Reaktionen är inte särskilt exoterm. Eftersom klor är tätare än luft, kan det enkelt samlas upp genom att placera röret i en kolv där det kommer att tränga undan luften. När den är full kan uppsamlingskolven stoppas.
En annan metod för att producera små mängder klorgas i ett labb är att tillsätta koncentrerad saltsyra (vanligtvis ca 5M) till natriumhypoklorit eller natriumkloratlösning .
Kaliumpermanganat kan användas för att generera klorgas när det tillsätts till saltsyra.
Membran industriell produktion
Storskalig produktion av klor innefattar flera steg och många delar av utrustning. Beskrivningen nedan är typisk för en membrananläggning. Anläggningen producerar också samtidigt natriumhydroxid (kaustiksoda) och vätgas. En typisk anläggning består av saltlösningsproduktion/behandling, celldrift, klorkylning & torkning, klorkompression & kondensering, lagring & lastning av flytande klor, hantering av kaustik, indunstning, lagring & lastning och vätehantering.
Saltvatten
Nyckeln till produktionen av klor är driften av systemet för mättnad/behandling av saltlösning. Att upprätthålla en ordentligt mättad lösning med korrekt renhet är avgörande, särskilt för membranceller. Många växter har en salthög som sprutas med återvunnen saltlake. Andra har flytgödseltankar som matas med råsalt och återvunnen saltlake. Den råa saltlösningen behandlas med natriumkarbonat och natriumhydroxid för att fälla ut kalcium och magnesium. Reaktionerna utförs ofta i en serie reaktorer innan den behandlade saltlösningen skickas till en stor klarare där kalciumkarbonatet och magnesiumhydroxiden sedimenteras. Ett flockningsmedel kan tillsättas strax före klarningsmedlet för att förbättra sedimenteringen. Den dekanterade saltlösningen filtreras sedan mekaniskt med sandfilter eller lövfilter innan den går in i en serie jonbytare för att ytterligare avlägsna föroreningar . Vid flera punkter i denna process testas saltlösningen för hårdhet och styrka.
Efter jonbytarna anses saltlösningen vara ren och överförs till lagringstankar för att pumpas in i cellrummet. Den rena köldbäraren värms upp till rätt temperatur för att styra utgående köldbärartemperaturer enligt den elektriska belastningen . Saltlösning som lämnar cellrummet måste behandlas för att avlägsna kvarvarande klor och kontrollera pH- nivåerna innan den återgår till mättnadsstadiet . Detta kan åstadkommas via avkloreringstorn med tillsats av syra och natriumbisulfit . Underlåtenhet att ta bort klor kan leda till skador på jonbytarenheterna. Saltlösning bör övervakas med avseende på ackumulering av både kloratanjoner och sulfatanjoner , och antingen ha ett behandlingssystem på plats, eller rensning av saltlösningsslingan för att upprätthålla säkra nivåer, eftersom kloratanjoner kan diffundera genom membranen och förorena kaustiken, medan sulfatanjoner kan skada anodens ytbeläggning.
Cellrum
Byggnaden som inrymmer de många elektrolyscellerna brukar kallas cellrum eller cellhus, även om vissa anläggningar byggs utomhus. Denna byggnad innehåller stödstrukturer för cellerna, anslutningar för att förse el och rörledningar för vätskorna. Övervakning och styrning av temperaturerna för tillfört kaustik och saltlösning görs för att kontrollera utloppstemperaturerna. Dessutom övervakas spänningarna för varje cell som varierar med den elektriska belastningen på cellrummet som används för att styra produktionshastigheten. Övervakning och kontroll av trycken i klor- och vätgassamlingsrören sker också via tryckregleringsventiler .
Likström tillförs via en likriktad strömkälla. Anläggningsbelastningen styrs genom att variera strömmen till cellerna. När strömmen ökar ökar flödeshastigheterna för saltlösning och kaustikt och avjoniserat vatten , samtidigt som matningstemperaturerna sänks.
Kylning och torkning
Klorgas som lämnar cellinjen måste kylas och torkas eftersom utloppsgasen kan vara över 80°C och innehåller fukt som gör att klorgas är frätande på järnrören . Kylning av gasen tillåter en stor mängd fukt från saltlösningen att kondensera ut ur gasströmmen. Kylning förbättrar också effektiviteten i både kompressions- och kondenseringssteget som följer. Klor som kommer ut är idealiskt mellan 18°C och 25°C. Efter kylning passerar gasströmmen genom en serie torn med motströms svavelsyra . Dessa torn avlägsnar successivt all kvarvarande fukt från klorgasen. Efter att ha lämnat torktornen filtreras klor för att avlägsna eventuell kvarvarande svavelsyra.
Kompression och flytande
Flera metoder för kompression kan användas: vätskering , fram- och återgående eller centrifugal . Klorgasen komprimeras i detta skede och kan kylas ytterligare av mellan- och efterkylare. Efter komprimering flyter det till kondensatorerna, där det kyls tillräckligt för att kondensera. Icke kondenserbara gaser och kvarvarande klorgas ventileras bort som en del av tryckregleringen av kondensationssystemen. Dessa gaser leds till en gasskrubber, som producerar natriumhypoklorit , eller används vid framställning av saltsyra (genom förbränning med väte) eller etylendiklorid (genom reaktion med eten ).
Förvaring och lastning
Flytande klor matas vanligtvis genom gravitation till lagringstankar. Den kan lastas i järnvägs- eller tankbilar via pumpar eller stoppas med komprimerad torr gas.
Kaustikhantering, avdunstning, lagring och lastning
Kaustik som matas till cellrummet strömmar i en slinga som samtidigt avtappas till lagring med en del utspädd med avjoniserat vatten och återförs till cellinjen för förstärkning i cellerna. Det kaustik som lämnar cellinjen måste övervakas med avseende på styrka för att upprätthålla säkra koncentrationer. En för stark eller för svag lösning kan skada membranen. Membranceller producerar typiskt kaustik i intervallet 30 till 33 viktprocent. Det kaustiska matningsflödet värms upp vid låga elektriska belastningar för att kontrollera dess utloppstemperatur. Högre belastningar kräver att kaustiken kyls för att upprätthålla korrekta utgångstemperaturer. Det kaustik som går ut till lager dras från en lagringstank och kan spädas ut för försäljning till kunder som behöver svagt kaustik eller för användning på plats. En annan ström kan pumpas in i en förångare med flera effekter för att producera kommersiell 50% kaustik. Järnvägsvagnar och tankbilar lastas vid laststationer via pumpar.
Vätgashantering
Väte som produceras som en biprodukt kan ventileras obearbetat direkt till atmosfären eller kylas, komprimeras och torkas för användning i andra processer på plats eller säljas till en kund via rörledning, cylindrar eller lastbilar. Några möjliga användningsområden inkluderar tillverkning av saltsyra eller väteperoxid , samt avsvavling av petroleum eller användning som bränsle i pannor eller bränsleceller .
Energiförbrukning
Produktionen av klor är extremt energikrävande. Energiförbrukningen per produktviktsenhet är inte långt under den för järn- och ståltillverkning och större än för tillverkning av glas eller cement.
Eftersom elektricitet är en oumbärlig råvara för produktion av klor kan energiförbrukningen som motsvarar den elektrokemiska reaktionen inte minskas. Energibesparingar uppstår främst genom att tillämpa effektivare teknik och minska tillhörande energianvändning.
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
