مقدمه
فرآیند کلر آلکالی (Chlor-alkali) یکی از فرآیندهای صنعتی بسیار مهم است که از آن برای الکترولیز محلول نمک (سدیم کلرید یا NaCl) به منظور تولید مواد شیمیایی اساسی همچون سدیم هیدروکسید، کلر و هیدروژن استفاده می‌شود. این فرآیند به دلیل تولید گسترده و کاربرد فراوان این مواد، از اهمیت زیادی در صنایع شیمیایی برخوردار است. سدیم هیدروکسید یکی از پرکاربردترین مواد شیمیایی است که در صنایع مختلف مانند تولید کاغذ، صابون، و مواد شوینده به کار می‌رود.
فرآیند کلرآلکالی اولین بار در سال 1892 در مقیاس صنعتی توسعه یافت و به سرعت جایگاه خود را به عنوان یکی از روش‌های اصلی تولید کلر و سدیم هیدروکسید تثبیت کرد. در سال 1987، حدود 35 میلیون تن کلر از طریق این فرآیند تولید شد، که نشان‌دهنده اهمیت و گستردگی استفاده از این روش در مقیاس جهانی است.
این فرآیند به طور عمده از محلول آبی سدیم کلرید به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند. در نتیجه این فرآیند، محصولات نهایی شامل کلر به صورت گازی، سود مایع (سدیم هیدروکسید) و هیدروژن به دست می‌آیند. علاوه بر سدیم کلرید، اگر از محلول‌های دیگری مانند کلسیم کلرید یا پتاسیم کلرید به عنوان خوراک استفاده شود، محصولات به ترتیب حاوی کلسیم یا پتاسیم خواهند بود. همچنین، فرآیندهای مشابهی وجود دارند که هیدروژن کلرید مایع را به هیدروژن و کلر و یا سدیم کلرید ذوب‌شده را به کلر و سدیم فلزی تبدیل می‌کنند.
شرح فرآیند
فرآیند تولید سدیم هیدروکسید به روش کلرآلکالی شامل الکترولیز محلول سدیم کلرید در آب است. این فرآیند به صورت زیر انجام می‌شود:
- خوراک: محلول سدیم کلرید (NaCl) به عنوان خوراک به سیستم وارد می‌شود. این محلول معمولاً دارای غلظت 30% تا 35% وزنی است.
- الکترولیز: محلول وارد الکترولایزر می‌شود. الکترولایزر به سه نوع عمده تقسیم می‌شود:
- سل دیافراگمی: در این نوع، یک دیافراگم بین آند و کاتد قرار دارد که از اختلاط محصولات جلوگیری می‌کند، اما اجازه می‌دهد یون‌های +Na عبور کنند.
-
- سل جیوه‌ای: در این نوع، جیوه به عنوان کاتد استفاده می‌شود و با سدیم فلزی واکنش داده و آمالگام سدیم را تشکیل می‌دهد. این روش بسیار انرژی‌بر و زیان‌بار است و امروزه کمتر استفاده می‌شود.
-
- سل غشایی: در این روش، از غشایی استفاده می‌شود که به یون‌های +Na اجازه عبور می‌دهد، اما از عبور یون‌های -Cl جلوگیری می‌کند. این روش معمولاً بهینه‌ترین و کم‌خطرترین روش است.
- واکنش‌ها: در الکترولایزر، یون‌های +Na به سمت کاتد و یون‌های -Cl به سمت آند حرکت می‌کنند. در کاتد، آب تجزیه می‌شود و هیدروژن و هیدروکسید سدیم (NaOH) تولید می‌شوند. در آند، یون‌های -Cl به گاز کلر تبدیل می‌شوند.
- محصولات:
- گاز هیدروژن در کاتد تولید می‌شود.
- سدیم هیدروکسید نیز در کاتد تولید شده و به عنوان محصول اصلی مورد نظر است.
- گاز کلر در آند تولید می‌شود که می‌تواند به عنوان محصول جانبی استفاده شود.
- تغلیظ و جداسازی: محلول سدیم هیدروکسید خروجی از الکترولایزر به بخش‌های تغلیظ و جداسازی ارسال می‌شود. در این بخش‌ها، آب اضافی تبخیر شده و سدیم هیدروکسید با غلظت بالاتر به دست می‌آید. همچنین، گازهای هیدروژن و کلر جداسازی و فشرده می‌شوند.
شرح شبیه‌سازی
برای شبیه‌سازی فرآیند کلرآلکالی، از نرم‌افزار ASPEN PLUS استفاده شده است. مراحل انجام شبیه‌سازی به شرح زیر است:
- تعریف مواد اولیه: ابتدا مواد اولیه مانند سدیم کلرید، آب، هیدروژن، کلر و سدیم هیدروکسید در نرم‌افزار تعریف می‌شوند. این مواد به عنوان خوراک و محصولات فرآیند در نظر گرفته می‌شوند.
- انتخاب مدل ترمودینامیکی: با توجه به حضور الکترولیت‌ها و واکنش‌های یونی در سیستم، مدل ترمودینامیکی ELECNRTL انتخاب شده است. این مدل به خوبی می‌تواند تعادل فازها و رفتار یونی سیستم را پیش‌بینی کند.
- مدلسازی الکترولایزر: الکترولایزر به عنوان قلب فرآیند شبیه‌سازی می‌شود. در این شبیه‌سازی، از یک راکتور CSTR برای مدلسازی الکترولایزر استفاده شده است که در آن واکنش‌های الکترولیزی با درصد تبدیل‌های مناسب تعریف شده‌اند.
- تجهیزات جانبی: پس از الکترولایزر، تجهیزات جانبی شامل جداکننده‌های دو فازی برای جداسازی گازها و مایع، تبخیرکننده برای تغلیظ محلول سدیم هیدروکسید و واحد‌های فشرده‌سازی برای گازهای هیدروژن و کلر قرار دارند. این تجهیزات برای تصفیه و آماده‌سازی محصولات نهایی ضروری هستند.
- آنالیز و بهینه‌سازی: پس از اجرای شبیه‌سازی، نتایج به دست آمده مورد بررسی قرار می‌گیرند. پارامترهایی مانند دبی محصولات، خلوص، و مصرف انرژی بررسی شده و در صورت نیاز تغییراتی در شرایط عملیاتی و طراحی تجهیزات اعمال می‌شود تا بهترین عملکرد به دست آید.
نتیجه‌گیری
شبیه‌سازی انجام‌شده در این پروژه دید جامعی از فرآیند تولید سدیم هیدروکسید را فراهم کرده و به تعیین شرایط عملیاتی بهینه برای فرآوری محصولات کمک کرده است. این شبیه‌سازی با فرض خوراک محلول سدیم کلرید با دبی 1300 کیلوگرم در ساعت و غلظت 315 گرم در لیتر انجام شده و محصولات تولیدی شامل 496 کیلوگرم سدیم هیدروکسید، 97.16 کیلوگرم گاز کلر و 5.4 کیلوگرم گاز هیدروژن در ساعت با خلوص بالا می‌باشند. نتایج این شبیه‌سازی می‌تواند به بهینه‌سازی فرآیند و کاهش مصرف انرژی کمک کند.
طراحی مفهومی و شبیه سازی فرآیند کلر آلکالی در اسپن پلاس
در این پروژه یک واحد فرضی کلر آلکالی با هدف تولید کاستیک سودا و محصول جانبی گاز کلر با استفاده از دانش فرآیندی موجود در هند بوک ها و مقالات به صورت مفهومی طراحی گردیده است. این طراحی شامل انتخاب تجهیزات اصلی فرایندی در قسمت واحد و جداسازی محصولات است. پس از طراحی مفهومی این واحد با استفاده از نرم افزار Aspen plus V10 شبیه سازی شده است. پروژه شامل شبیه سازی و گزارش کامل برای درک بهتر فرآیند و تحلیل نتایج است. جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.