塩素アルカリ プロセスに基づく苛性ソーダ プラントは単一の機械ではなく、連続的な電気化学的生産システムです。植物の各セクションでは、特定の形質転換または精製ステップが実行されます。
ブライン調製システム
ブライン調製システムは、固体工業塩 (NaCl) を電解供給に適した飽和ブラインに変換します。ほとんどの膜塩素アルカリ設計では、目標ブライン濃度は約 300 ～ 310 g/L NaCl に制御されます。
このシステムには通常、塩溶解タンク、撹拌機、粗濾過スクリーン、およびブライン循環ループが含まれます。溶解タンクは、塩化ナトリウム結晶の完全な溶解を保証するために、制御された滞留時間を通常 2 ～ 4 時間に維持するように設計されています。
砂、粘土、不溶性塩などの未溶解不純物は、沈降または液体サイクロン分離によって除去されます。次いで、出力されたブラインは精製セクションに移送される。
1 mg/L を超える懸濁物質は膜の汚れを加速し、時間の経過とともにセル電圧を上昇させる可能性があるため、このサブシステムの設計は膜セルの寿命に直接関係します。
ブライン浄化ユニット
塩水精製システムは、膜の性能を妨げるカルシウム (Ca2⁺)、マグネシウム (Mg2⁺)、微量の重金属などの二価陽イオンを除去します。膜塩素-アルカリシステムでは、通常、カルシウムとマグネシウムの濃度を 20 ppb (10 億分の 1) 未満に下げる必要があります。
標準的な精製方法は、炭酸ナトリウム (Na2CO3) と水酸化ナトリウム (NaOH) を使用した化学沈殿です。この反応により、不溶性の炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムが生成されます。
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
これらの沈殿物は、清澄機またはラメラ沈降タンクを使用して除去され、続いて精密ろ過システム (通常は 5 ～ 10 ミクロンのカートリッジ フィルター) が使用されます。
下流には研磨フィルターを設置し、電解槽への安定した供給品質を確保します。ブライン精製システムには、反応効率を維持するための pH 制御ループと ORP モニタリングも含まれています。
電解槽システム（膜セル部）
電解槽は塩素アルカリ プロセスの中核です。{0}現代のプラントでは、通常パーフルオロスルホン酸 (PFSA) 膜をベースとしたイオン交換膜セル-が使用されています。
各電解槽セルは、カチオン選択膜によって分離されたアノード コンパートメントとカソード コンパートメントに分かれています。{0}}塩水は陽極室に供給され、そこで塩化物イオンが塩素ガスに酸化されます。
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
カソード側では、水は水素ガスと水酸化物イオンに還元されます。
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
ナトリウムイオンは膜を通って移動し、水酸化物イオンと結合して水酸化ナトリウム（NaOH）を形成します。
産業用膜セルの一般的な動作パラメータは次のとおりです。
セル温度: 85 ～ 95 度
電流密度: 3.0～6.0 kA/m²
セル電圧: 3.0 ～ 3.3 V
NaOH 濃度: 30 ～ 35 wt% (細胞液出力)
電解槽システムには、セルフレーム、電極 (ルテニウム/イリジウムコーティングを施したチタン陽極)、ニッケル陰極、および油圧シールシステムが含まれています。細胞の配列と圧縮力を制御して漏れを防ぎ、膜の完全性を維持します。
整流器システム
整流器システムは、グリッドからの AC 電力を電気分解に必要な DC 電力に変換します。塩素-アルカリ プラントは通常、プラントの容量に応じて 10 kA ～ 200 kA の範囲の非常に高い DC 電流で動作します。
整流器は次のもので構成されます。
変圧器ユニット（降圧および絶縁）
サイリスタまたは IGBT 整流器モジュール
DCバスバー
冷却システム（空冷または水冷）
出力電圧は通常、スタック構成に応じて 100 V ～ 600 V DC です。安定した電気化学反応状態を維持するため、電流リップルは5%未満に制御されています。
特に NaOH 生産能力が年間 50,000 トンを超える大規模プラントでは、電力網のコンプライアンスを維持するために力率補正システムが組み込まれることがよくあります。{0}}
蒸着装置
蒸発システムは、NaOH 濃度を約 30 ～ 35% (電解槽出力) から 48% または 50% の苛性ソーダ溶液などの商用グレードまで増加させます。
多重効用蒸発（MEE）は、蒸気消費量を削減するために一般的に使用されます。{0}一般的な構成には、減圧下で動作する 2 ～ 4 つの蒸発効果が含まれます。
蒸気入力は通常、プラントの設計に応じて 3 ～ 6 bar の飽和蒸気です。後段の真空度は-0.08～-0.09MPa程度に維持され、熱効率が向上します。
エバポレータの材料は高温での強アルカリ腐食に耐える必要があるため、ニッケル基合金または特殊ステンレス鋼（316L または二相グレードなど）が一般的に使用されます。{0}
塩素処理システム
電解槽で生成される塩素ガスは湿っていて高温で、微量の水素と塩水ミストが含まれています。下流での使用または液化の前に、冷却して精製する必要があります。
塩素処理システムには次のものが含まれます。
ガス冷却塔 (温度を約 35 ～ 40 度に下げる)
ミストエリミネーター（飛沫を除去）
塩素乾燥方式（硫酸または吸着乾燥機を使用）
コンプレッサー（液化またはパイプライン移送用）
乾燥塩素の純度は、工業用途では通常 99.5% 以上に管理されます。下流側の機器の腐食を防ぐために、水分含有量は 30 ppm 未満に低減されています。
塩素サービスの材料は耐食性に基づいて選択されます。一般的には、チタン、PVC{0}}ライニング鋼、FRP 配管などが挙げられます。
水素回収システム
カソードで生成される水素は通常、水蒸気で飽和しており、微量の苛性ミストが含まれています。回収システムは分離、冷却、圧縮を行います。
システムには以下が含まれます。
気-液体分離器
デミスターユニット
冷却熱交換器
水素圧縮機（ダイヤフラム式またはスクリュー式）
オプションの精製ユニット (PSA または触媒研磨)
分離後の水素純度は通常 99% を超えます。露点管理はパイプライン内の結露を防ぐために重要です。
多くの産業設備では、水素は次のいずれかです。
ボイラーまたは蒸気システムの燃料として使用される
またはアンモニアやメタノールの製造などの化学合成プロセスに輸出されます。
自動化システム（PLC/DCS）
制御システムは、すべてのプロセスセクションを単一の調整されたオペレーティングプラットフォームに統合します。最新の塩素-アルカリ プラントのほとんどは、機器-レベルの制御にプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) と組み合わせた分散制御システム (DCS) を使用しています。
主要な制御ループには次のものがあります。
塩水濃度制御 (導電率-に基づく)
電解槽の電流調整
セル温度制御（ブライン循環による）
NaOH濃度モニタリング（密度測定）
塩素圧力制御
水素の圧力と流量の調整
一般的な計測には次のものが含まれます。
導電率センサー (0 ～ 300 mS/cm の範囲)
pH 分析装置 (0 ～ 14 スケール)
膜間の差圧センサー
流量計（電磁式またはコリオリ式）
塩素と水素の純度を測定するガス分析装置
データ収集は通常、システム設計に応じて 1 ～ 5 秒間隔で記録されます。塩素漏れの検出と水素の過圧状態に対してアラーム インターロックが実装されています。
苛性ソーダ プラントは、原料塩が水酸化ナトリウム、塩素、水素の 3 つの製品ストリームに変換される連続ループ システムとして設計されています。プラントの動作安定性は、供給塩水の純度の維持、安定した DC 電流分布、および電気分解セクションと蒸発セクションの両方での制御された熱バランスに依存します。
塩水の不純物レベルの偏差や整流器の不安定性は、膜電圧に直接影響を与え、システム効率を低下させます。したがって、ほとんどの工学設計では、電解装置自体と同じくらい上流の精製と下流のガス処理の信頼性が優先されます。
結論 (エンジニアリングの概要)
プロセス エンジニアリングの観点から見ると、苛性ソーダ プラントは、化学処理、電気分解、電力変換、熱濃縮、ガス処理、自動化の各層で構成される、緊密に統合された電気化学システムです。
各サブシステムには測定可能な動作パラメータがあり、プラントのパフォーマンスは単一の機器ユニットではなく、これらのパラメータの安定性によって決まります。
全体的な設計哲学は、次の 3 つの制約に基づいています。
飼料ブラインのイオン純度
膜電解の電気効率
塩素と水素の安全な分離と取り扱い
これらの制約は、最新の塩素アルカリ設備におけるすべての主要な機器の構成を定義します。{0}
