Chloralkalie-Elektrolyse
Im Zentrum der modernen chemischen Industrie steht die Chlor-Alkali Elektrolyse, ein unentbehrlicher Prozess, durch welchen essentielle Grundstoffe für diverse Anwendungsbereiche gewonnen werden. Bedeutung erlangt diese Verfahrenstechnik nicht zuletzt durch die effiziente Produktion von Natrium Ionen (Na+), Chlorid Ionen (Cl−) und Hydroxid Ionen (OH−), die als kritische Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kunststoffen, Pharmazeutika und in der Textilindustrie unverzichtbar sind.
Durch die Anwendung einer elektrischen Gleichspannung wird in der Chlor-Alkali Elektrolyse eine trennende Umsetzung von Natriumchlorid-Lösung in elementares Chlor und Natriumhydroxid vollzogen; gleichzeitig entsteht Wasserstoff. Auf die Funktionsweise dieser technisch anspruchsvollen Elektrolysezellen — speziell konzipiert, um den Transport der Ionen zu ermöglichen und zugleich unerwünschte Reaktionen zwischen den Produkten zu verhindern — wird in Fachkreisen besonders Wert gelegt; denn die Effizienz und Sicherheit des gesamten Prozesses hängen maßgeblich von präzisen Steuerungsmechanismen und der Stabilität der eingesetzten Membrantechnologien ab.
LiquiSonic® Messsysteme in der Chloralkali elektrolyse
Die LiquiSonic® Messtechnik lässt sich vorteilhaft in die verschiedenen Prozessstufen der Chloralkali Elektrolyse einsetzen. Der Kundennutzen besteht vorrangig in der Reduzierung des Rohstoff- und Energieverbrauchs sowie in der Erhöhung der Ausbeute.
LiquiSonic® System
LiquiSonic® ist in drei Systemvarianten erhältlich:
LiquiSonic® 20, LiquiSonic® 30 und LiquiSonic® 40.
LiquiSonic® 30 ist ein hochleistungsfähiges System, das aus einem Controller mit Anschluss von bis zu vier Sensoren besteht. Die Sensoren können an unterschiedlichen Messstellen eingesetzt werden.
LiquiSonic® 20 ist eine Variante mit reduziertem Funktionsumfang und Anschluss von einem Sensor.
LiquiSonic® 40 ermöglicht die simultane Bestimmung von zwei Konzentrationen in einem Gemisch. Dazu wird eine zweite physikalische Messgröße, mit der Schallgeschwindigkeit kombiniert. In Prozessen der Chlor-Alkali-Elektrolyse enthält das LiquiSonic® 40 System meist einen Leitfähigkeitssensor als zweite physikalische Größe.
Messprinzip
Die LiquiSonic® Messtechnik analysiert Flüssigkeitsparameter wie die Konzentration oder Dichte, detektiert Phasenübergänge und dient der Reaktionsverfolgung.
Das Messprinzip basiert auf der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten. Der Abstand (d) zwischen dem Ultraschallsender und -empfänger ist konstruktionsbedingt konstant, so dass die Schallgeschwindigkeit (v) durch Messung der Laufzeit (t) berechnet werden kann (v = d / t). Da die Schallgeschwindigkeit von der Stoffkonzentration abhängig ist, besteht ein funktionaler Zusammenhang, durch den die Konzentration berechnet werden kann.
Die Schallgeschwindigkeitsmessung ist unabhängig von der Transparenz der Flüssigkeit und überzeugt durch hohe Messgenauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität. Zusätzlich zur Schallgeschwindigkeitsmessung ist im LiquiSonic® Sensor eine hochpräzise und schnelle Temperaturmessung zur Temperaturkompensation integriert. Für viele Applikationen bietet diese große Vorteile gegenüber konventionellen Messverfahren.
Sensor
Der LiquiSonic® Sensor misst kontinuierlich sowohl die Konzentration als auch die Temperatur im vordefinierten Bereich. Die Prozessdaten werden im Sekundentakt aktualisiert.
Die flüssigkeitsberührende Sensorkomponente ist aus Edelstahl oder korrosionsbeständigem Material wie Hastelloy C-2000 gefertigt oder mit Halar oder PFA beschichtet.
Verschiedene im Sensor integrierte Zusatzfunktionen wie der Durchflusswächter (Flow / Stop) oder die Nass-Trocken-Überwachung (volle / leere Rohrleitung) ergänzen die Prozesskontrolle.
Die spezielle LiquiSonic® Hochleistungs-Technologie gewährleistet stabile Messergebnisse selbst bei Gasblasen oder starker Signaldämpfung durch die Prozessflüssigkeit.
Chloralkali Elektrolyse
Wie funktioniert eine Chloralkali Elektrolyse?
Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein wichtiges technisches Verfahren, das zur Produktion von grundlegenden Chemikalien wie Chlor, Wasserstoff und Natronlauge (Natriumhydroxid) eingesetzt wird. Dabei wird eine wässrige Lösung aus Natriumchlorid (Salz) als Elektrolyt verwendet. An den Elektroden, die aus speziellen Materialien bestehen, wird eine elektrische Spannung angelegt. Durch diesen Vorgang werden die Chloridionen an der Anode zu Chlor oxidiert, während an der Kathode Wasser zu Wasserstoff und Hydroxidionen reduziert wird. Diese Hydroxidionen reagieren mit den Natriumionen in der Lösung, um Natronlauge zu bilden. Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein sehr effizientes Verfahren, das in vielen Branchen eingesetzt wird, da es schnell, zuverlässig und kosteneffektiv ist, und liefert essenzielle Chemikalien für diverse industrielle Anwendungen
Mit Hilfe von elektrischem Strom wird das Salz (NaCl) in Chlor (Cl2), Natronlauge (NaOH) und Wasserstoff (H2) zerlegt.
Welche Verfahren gibt es in der Chloralkali Elektrolyse?
Dazu werden hauptsächlich zwei Verfahren angewandt: das Diaphragma- und das Membranverfahren.
Bei beiden Verfahren findet dieselbe elektrochemische Reaktion statt: Das NaCl fließt in den Anodenraum der Zelle, wo sich Cl2 als Chlorgas abscheidet. Anschließend gelangt die Lösung weiter in den Kathodenraum, wo sich H2 und NaOH bilden.
Diaphragma-Verfahren erklärt:
Bei dem Diaphragma-Verfahrenwird ein poröses Diaphragma (Trennwand) zwischen Anode und Kathode eingesetzt. Es ermöglicht den Ionenaustausch, verhindert aber die Vermischung von Chlor und der Natriumhydroxidlösung. Als Elektrolyt wird eine Salzlösung verwendet, und an der Anode wird Chlor freigesetzt, während an der Kathode Wasserstoff und Natriumhydroxid entstehen. Die Qualität des Natriumhydroxids ist bei diesem Verfahren jedoch geringer als bei anderen Methoden.
Membran-Verfahren erklärt:
Dieses Verfahren verwendet eine spezielle ionendurchlässige Membran, die Chlorionen blockiert, aber Natriumionen durchlässt. Das führt zur Bildung von Chlor an der Anode und von Natriumhydroxid und Wasserstoff an der Kathode.
Die Membran und das Diaphragma stellen innerhalb beider Verfahren einen hohen Kostenfaktor dar. Die LiquiSonic® Messtechnik wird zur präzisen Konzentrationsbestimmung des Katholyten eingesetzt, um eventuelle Ineffizienzen des Elektrolyseurs zu identifizieren und diesen entgegen zu wirken. So kann eine optimale Lebensdauer der Membran gewährleistet werden.
Je nach eingesetztem Verfahren handelt es sich beim Katholyten um eine NaOH-Lösung (Membranverfahren) oder um eine NaOH-NaCl-Lösung (Diaphragmaverfahren). Die Konzentrationsmessung des 3-Komponenten-Gemischs wird dabei durch den Einsatz eines LiquiSonic® 40 Messystems realisiert, bei dem der Ultraschall- mit einem Leitfähigkeitssensor kombiniert wird.
Ihr Vorteil:
Maximierung des Wirkungsgrads des Elekrolyseurs durch kontinuierliche Erfassung der Konzentrationen im Prozess
Energieeinsparungen und Verbrauchsoptimierung
Reduzierung aufwändiger Vergleichsanalysen
Erhöhung der Lebensdauer der Membran
Aufbereitung der Endprodukte
Natronlauge-Aufkonzentrierung
Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem Natriumchlorid (Kochsalz) unter Einwirkung elektrischer Energie in Chlor, Wasserstoff und Natronlauge (Natriumhydroxid) umgewandelt wird. Während dieses Prozesses wandern Natriumionen (Na+) zur Kathode, die negativ geladen ist, und Chloridionen (Cl-) zur Anode, die positiv geladen ist. An der Anode findet die Oxidation von Chloridionen statt, wobei Chlor freigesetzt wird. An der Kathode reduziert sich Wasser zu Wasserstoff und Hydroxidionen. Diese Hydroxidionen reagieren mit den Natriumionen, um Natronlauge zu bilden. Es gibt verschiedene Varianten dieses Prozesses, wie das Amalgam-Verfahren, bei dem an der Kathode ein Natriumamalgam entsteht, das dann in einer separaten Stufe zu Natronlauge, Wasserstoff und Quecksilber weiterverarbeitet wird. Unabhängig vom verwendeten Verfahren wird die erhaltene Natronlauge oft durch Verdampfen aufkonzentriert, um eine höhere Konzentration zu erreichen.
Verkaufsfähige Natronlauge (NaOH) hat meist eine Konzentration zwischen 45 m% und 50 m%. Da die aus den Elektrolysezellen abgenommene NaOH nur einen Konzentrationsbereich zwischen 12 m% und 33 m% aufweist, wird sie in Mehrkörperverdampfern aufkonzentriert.
Ist neben NaOH auch NaCl in der Lösung enthalten (Diaphragmaverfahren), fällt das überschüssige Salz in der Lauge beim Eindampfen kristallin im Verdampfer aus. So wird eine NaOH-Konzentration zwischen 45 m% und 50 m% erreicht.
Die LiquiSonic® Messtechnik bestimmt kontinuierlich zu jedem Zeitpunkt die Konzentration der Lauge nach dem Verdampfer. Eine sich anschließende Verdünnung der Natronlauge auf eine kundenspezifische Produktkonzentration, kann ebenso überwacht werden.
Ihr Vorteil:
kontinuierliche Konzentrationsüberwachung der Natronlauge
Reduzierung der Energiekosten bei der Verdampfung
Chlorgas-Trocknung
Die Trocknung von Chlorgas ist ein wesentlicher Schritt in der Herstellung von Chlor. Dieser Prozess beinhaltet die Entfernung von Feuchtigkeit aus dem Chlorgas, um es für industrielle Anwendungen geeignet zu machen. Die Trocknung erfolgt durch physikalische Methoden wie die Abkühlung und Kondensation des Gases oder durch den Einsatz von Trocknungsmitteln wie konzentrierter Schwefelsäure oder Molekularsieben. Diese Techniken gewährleisten, dass das Chlor in einer reinen und trockenen Form vorliegt. Obwohl die Chlorgas-Trocknung ein technisch anspruchsvolles Verfahren ist, spielt sie eine entscheidende Rolle in vielen Industriezweigen, da getrocknetes Chlorgas für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Wasseraufbereitung bis hin zur Herstellung von Kunststoffen und Pharmazeutika, verwendet wird.
Das im Anodenbereich des Elektrolyseurs entstandene Chlorgas muss vor der Weiterverwendung von seinen Wasseranteilen befreit werden, da dessen Korrosivität bei einem Feuchtegehalt über 30 ppm steigt. Für die Trocknung wird das Chlorgas in Absorptionstürme geleitet, in denen der Wasseranteil im Chlorgas durch hochkonzentrierte Schwefelsäure (80-99 m% H2SO4) absorbiert wird.
Die Effektivität dieses Trocknungsprozesses beeinflusst maßgeblich die Produktivität und Qualität des Gases. Daher ist die zuverlässige Messung der H2SO4 -Konzentration wichtig. Das Messsystem LiquiSonic® ermöglicht im Vergleich zur Leitfähigkeits- und Dichtemessung eine kontinuierliche und sichere Überwachung der H2SO4 -Konzentration.
Ihr Vorteil:
Wegfall aufwändiger Probenahmen
kontinuierliche Überwachung der H2SO4 -Konzentration
eindeutiges Signal zur Konzentrationsbestimmung von H2SO4 zwischen 80 m% und 100 m%
Korrosionsvermeidung durch effektive Trocknung
Salzsäure-Produktion
Das an der Anode des Elektrolyseurs entstandene Chlorgas und der zugeführte Wasserstoff bilden die Ausgangstoffe für die Synthese der Salzsäure. Dazu werden beide Gase in einen Brenner geleitet und reagieren dort zu Chlorwasserstoff. Im Anschluss strömt das gebildete HCl-Gas von der Brennkammer in den integrierten isothermen Fallfilmabsorber. Hier wird das Gas mit Hilfe von Wasser oder Schwachsäure absorbiert, wobei sich konzentrierte Salzsäure (37 m% HCl) bildet.
Mit Hilfe der LiquiSonic® Messtechnik erfolgt eine kontinuierliche Überprüfung der Salzsäurekonzentration. Dies ermöglicht, Abweichungen von der Zielkonzentration zu erkennen und entsprechend zu reagieren.
Ihr Vorteil:
kontinuierliche Konzentrationsüberwachung der Salzsäure (20-40 m% HCl)
Gewährleistung einer hochgenauen Zielkonzentration
Lösestation & Solereinigung
Das Ausgangsprodukt Natriumchlorid (NaCl) wird entweder durch Eindampfen von Meerwasser, bergmännischem Abbau oder Aussolen von Salzlagerstätten (Kavernen) gewonnen. Die Roh-sole enthält Verunreinigungen und Kalzium- oder Magnesiumsalze, die während der Elektrolyse die feinen Poren des Diaphragmas bzw. der Membran verstopfen und somit deren Lebensdauer deutlich mindern können. Aus diesem Grund fällt man diese Verunreinigungen in Rührwerksbehältern (Lösegefäße) durch Zugabe von Natronlauge (NaOH) aus. Nach der Fällung werden die Verunreinigungen mit Hilfe eines Druckfilters abgetrennt.
Die Reinheit der Solekonzentration ist für die nachfolgende Elektrolyse von besonderer Bedeutung. Das LiquiSonic® Messsystem gewährleistet zu jedem Zeitpunkt eine hochpräzise Bestimmung der Solekonzentration. Der Einbau erfolgt in der Lösestation bei Verwendung bergmännisch abgebauter Salze oder an der Übergabestelle vom Solelieferanten bei Kavernenförderung.
Ihr Vorteil:
Vermeidung von Qualitätseinbrüchen in der Solereinigung
Erhöhung der Membranlebensdauer
Wareneingangskontrolle (bei Kavernenförderung)
Reduzierung des Wasser- bzw. Dampfverbrauchs (beim Lösen des Salzes)
Reduzierung der elektrischen Energie