Ứng dụng titan trong công nghiệp hóa chất-chlor-kiềm

Ứng dụng titan trong công nghiệp hóa chất-chlor-kiềm

Ngành công nghiệp clo-kiềm là ngành công nghiệp hóa chất điều chế khí clo và xút bằng cách điện phân dung dịch muối. Nó có lịch sử hơn một trăm năm. Ngành công nghiệp clo-kiềm cũng là ngành sử dụng titan sớm nhất trong ngành hóa chất. Các thiết bị titan chính được sử dụng trong sản xuất clo-kiềm là: tế bào điện phân cực dương kim loại, tế bào điện phân màng ion, máy làm mát clo ướt dạng ống, bộ sấy sơ bộ nước muối tinh chế, khử clo tháp, máy lọc làm mát bằng clo-kiềm, bơm khử clo chân không và thiết bị van titan.

(1) Cực dương kim loại

Quá trình sản xuất clo-kiềm bao gồm điện phân thủy ngân, điện phân màng và điện phân màng ion. Trước đây, cực dương than chì đã được sử dụng cho cực dương clo-kiềm. Năm 1956, người Hà Lan Henry.Bill (H. Beer) Lần đầu tiên đề xuất rằng điện phân tế bào sử dụng cực dương kim loại, còn được gọi là cực dương ổn định kích thước DSA (Anode ổn định kích thước) và được cấp bằng sáng chế vào năm 1965. Cực dương ổn định kích thước là một điện cực được phủ các oxit kim loại quý nhóm bạch kim trên nền titan. Năm 1968, DeNore, một công ty của Ý, sản xuất cực dương titan công nghiệp hóa đầu tiên trong ngành công nghiệp clo-kiềm. Khoảng năm 1970, Hoa Kỳ, Ý, Nhật Bản, Đức, Pháp và các nước khác nhanh chóng chuyển sang sử dụng cực dương kim loại thay vì cực dương than chì. Tại Nhật Bản, hàng nghìn tấn titan đã được sử dụng làm vật liệu cơ bản cho cực dương kim loại. Để sản xuất 10,000 tấn xút, cần khoảng 5 vật liệu titan.

Với sự phát triển của ngành công nghiệp clo-kiềm của Trung Quốc, thiết bị chính (tế bào điện phân) để sản xuất xút đã trải qua ba thay đổi lớn. Thay đổi đầu tiên là bể thẳng đứng thay thế bể ngang. Vào đầu những năm 1960, (tế bào điện phân màng hấp phụ thẳng đứng) được sử dụng thay cho các bể nằm ngang truyền thống, làm tăng đáng kể sản lượng xút của Trung Quốc, từ 193,000 tấn năm 1957 lên 693,000 tấn năm 1966 , tăng 3,6 lần.

Thay đổi thứ hai là các tế bào điện phân anode kim loại thay thế các tế bào điện phân anode than chì. Vào những năm 1970, cực dương kim loại (DSA) được sử dụng thay cho cực dương than chì. Từ năm 1972, nước ta đã tiến hành thử nghiệm cực dương titan tại Nhà máy hóa chất Tianyuan Thượng Hải và Nhà máy hóa chất Thiên Tân. Năm 1973, cuộc thử nghiệm tế bào điện phân màng anode kim loại 20m được bắt đầu và tế bào điện phân anode kim loại 30m dần dần được sử dụng từ năm 1974. Năm 1978, nhà nước thực hiện nhiệm vụ nâng cấp công nghệ anode kim loại 400,000 tấn xút có màng. Tính đến năm 1981, có 17 nhà máy clo-kiềm trên khắp cả nước đã sử dụng tổng cộng 1.217 tế bào điện phân cực dương kim loại, tạo thành cực dương màng kim loại với công suất sản xuất hàng năm là 670,{15}} tấn xút, chiếm 30% công suất sản xuất xút của cả nước và 95,000 tấn công suất điện phân thủy ngân sử dụng DSA. Tính đến năm 1996, cả nước có 99 nhà máy clo-kiềm với tổng công suất 8.409 tế bào điện phân màng anode kim loại, với sản lượng hàng năm là 4,2 triệu tấn xút, chiếm 70% công suất sản xuất xút của cả nước. Ngoại trừ một số nhà máy hóa chất lớn như Tianyuan, Tianhua và Daguhua, hầu hết Pin điện phân anode kim loại được sản xuất và cung cấp bởi các nhà máy chuyên nghiệp như Nhà máy Máy hóa chất Bắc Kinh và Nhà máy Shanghai 4805.

Thay đổi thứ ba là việc sử dụng tế bào điện phân màng ion. Vào giữa những năm-1980, việc sử dụng phương pháp màng ion tiết kiệm năng lượng và hiệu quả cao đã được khuyến khích để sản xuất xút. Nước ta đã giới thiệu công nghệ và thiết bị xút màng ion từ Nhật Bản và các nước khác, tạo thành một chuỗi thiết bị từ 10,000 đến 50,{6}} tấn thiết bị. Thiết bị chính là tế bào điện phân màng ion, bể tuần hoàn chất lỏng cực dương titan, bể nước muối tươi, tháp khử clo chân không, bộ trao đổi nhiệt, ống và van bơm, v.v., Thiết bị Titan và ống titan chủ yếu được sử dụng trong hệ thống tuần hoàn chất lỏng cực dương, nước muối tươi hệ thống, hệ thống khử clo, hệ thống phân phối khí clo ướt và hệ thống tuần hoàn nước clo. Máy bơm titan chủ yếu được sử dụng để vận chuyển nước muối tinh chế, chất lỏng tuần hoàn cực dương, nước muối ngọt và nước clo. Lượng titan được sử dụng trong 10,000- tấn thiết bị khoảng 8 tấn. Vào tháng 6 năm 1986, Nhà máy hóa chất Yannanxia lần đầu tiên giới thiệu công nghệ Asahi Glass của Nhật Bản, với sản lượng hàng năm là 10,{12}} tấn nhà máy xút. Ngoài pin điện phân ba chiều và bơm titan lỏng cực dương do Nhật Bản cung cấp, sáu thiết bị sản xuất titan còn lại đều do Nhà máy Máy hóa chất Jinxi hỗ trợ và cung cấp trong nước. Đến năm 1990, 11 nhà máy clo-kiềm đã sử dụng chất ăn da màng ion nhà máy nước ngọt có công suất 295.{19}} tấn. Năm 1995, tổng cộng 27 nhà máy clo-kiềm trên toàn quốc đã áp dụng nhà máy xút màng ion với công suất sản xuất là 827.{24}} tấn. Năm 2000, công suất sản xuất hàng năm của ngành công nghiệp clo-kiềm của Trung Quốc là 7,5 triệu tấn xút, 14,71 triệu tấn năm 2005 và 23,99 triệu tấn năm 2010.

Trong tế bào điện phân màng ion, nhiệt độ của phòng cực âm và cực dương là khoảng 90 độ, buồng cực dương có khí clo và dung dịch muối, và buồng cực âm có nồng độ dung dịch xút 30% ~ 35%. Mật độ dòng hoạt động chung của tế bào điện phân màng ion là 30 ~ 40A/dm. Trong điều kiện khắc nghiệt như vậy, việc sử dụng vật liệu và cấu trúc chống ăn mòn của tế bào điện phân phải được xem xét đầy đủ khi thiết kế tế bào điện phân. Phần cực dương của màng ion tế bào điện phân (đề cập đến cực dương và bộ phận tiếp xúc với chất lỏng cực dương), các nước trên thế giới không có ngoại lệ đã chọn kim loại titan (hoặc hợp kim titan chống ăn mòn) có khả năng chống ăn mòn tốt trong chất lỏng cực dương.

Sơ đồ của màng trao đổi ion xút màng ion, như trong hình, hai điện cực được cách ly bằng một màng trao đổi ion. Nước muối được thêm vào từ một bên và nước tinh khiết được thêm vào từ bên kia. Sau khi đi qua dòng điện, khí clo được tạo ra từ phía cực dương và khí hydro được tạo ra từ phía cực âm. Màng ion chỉ cho phép các ion natri đi qua , do đó natri hydroxit được tạo ra từ phía cực âm.

Ngoài tế bào điện phân của thiết bị chính của thiết bị xút màng ion, các bộ phận chính được sử dụng trong thiết bị titan là: máy đo mức chất lỏng hệ thống nước muối; hệ thống chất lỏng anode-bể chứa chất lỏng anode và máy lọc clo; hệ thống nước muối tươi-tháp khử clo, nhà phân phối nước muối tươi, bộ làm mát dụng cụ; hệ thống làm mát, hấp thụ, phân phối natri hypoclorit; hệ thống khí clo-làm mát khí clo ướt; hệ thống loại bỏ mối nguy hiểm-bộ trao đổi nhiệt, quạt loại bỏ mối nguy hiểm.

(2) Máy làm mát clo ướt

Trong khi điện phân muối ăn tạo ra xút, một lượng lớn khí clo nóng ẩm được tạo ra, sau khi làm nguội và sấy khô có thể sử dụng được. Có hai cách làm mát khí clo nóng ẩm: phun nước trực tiếp và làm mát gián tiếp bằng thiết bị làm mát dạng ống .Làm mát trực tiếp không chỉ tạo ra một lượng lớn nước clo có chứa clo, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường mà còn thất thoát một lượng lớn khí clo, tiêu hao axit sulfuric, điều kiện làm việc trong xưởng kém. Chất liệu của bộ làm mát gián tiếp trước đây là bộ làm mát than chì, bộ làm mát ống thủy tinh, bộ làm mát bằng gốm, bộ làm mát bằng nhựa, v.v., nhưng có nhiều vấn đề như khả năng chống ăn mòn kém, dễ vỡ và dễ lão hóa. Bộ làm mát gián tiếp bằng thép không gỉ chỉ có thể sử dụng từ 8 đến 10 ngày và cần phải dừng lại để sửa chữa. Kết quả thử nghiệm cho thấy titan có khả năng chống ăn mòn cực cao trong môi trường nhiệt độ cao và khí clo ướt, với tốc độ ăn mòn hàng năm là 0,0025mm. Việc sử dụng bộ làm mát titan trong sản xuất công nghiệp clo-kiềm có thể rút ngắn quá trình làm mát và sấy khô, giảm thất thoát khí clo, giảm ô nhiễm môi trường và tạo điều kiện cho khí nén hoạt động ổn định và đạt được hiệu suất độ khô cao.

Năm 1963, Nga bắt đầu sử dụng máy làm mát khí clo titan, diện tích truyền nhiệt là 140m. Các ống titan để vận chuyển khí clo ướt cũng được sử dụng, có đường kính 300~600mm và chiều dài lớn hơn 500m. Hầu hết tất cả các thiết bị làm mát khí clo ướt được sử dụng trong ngành công nghiệp clo-kiềm ở Nga đều được làm bằng titan. Công ty hóa chất liên minh ở Nga Hoa Kỳ sử dụng titan thay vì than chì để làm chất làm mát trong ngành công nghiệp clo-kiềm. Ống than chì ban đầu được sử dụng từ 2 đến 3 năm và bộ làm mát bằng titan dài 78m đã hoàn thành công suất làm mát, trong khi bộ làm mát bằng than chì cần 140m.

Máy làm mát titan đầu tiên của Trung Quốc được sản xuất vào năm 1965 bởi Nhà máy Máy móc Hóa chất Jinxi. Diện tích truyền nhiệt nhỏ, chỉ 16,8m. Từ năm 1973, các nhà máy clo-kiềm ở Thượng Hải, Thiên Tân, Bắc Kinh, Liêu Ninh, Quảng Đông và các tỉnh, thành phố khác đã liên tục sử dụng máy làm mát hình ống titan với kết quả tốt. Có hàng trăm máy làm mát hình ống titan ở nước ta.

(3) Máy bơm và van

Trong quá trình sản xuất khí clo bằng điện phân màng và điện phân thủy ngân, bơm titan dùng trong kali hypoclorit và natri hypoclorit là tiết kiệm nhất. Công ty Georgia-Peefick ở Hoa Kỳ sử dụng bơm titan để bơm dung dịch muối ở nhiệt độ 85 độ. Dung dịch muối chứa 270~320g/L NaCl, tinh thể NaCl và hơn 0,5g/L clo tự do. Tuổi thọ của máy bơm titan lên tới 10 năm.

Nhà máy hóa chất Bắc Kinh thứ hai sử dụng máy bơm titan 6BA-12 đúc, van cầu Dg100Dg và máy bơm chân không bằng gốm vòng nước HTB-701l, cánh quạt bằng titan trong quy trình khử clo chân không mới. Những máy bơm và cánh quạt bằng titan này có tuổi thọ lâu dài cuộc sống phục vụ.