البحث وتطبيق التحكم في درجة الحرارة لكل إلكتروليزر بشكل منفصل

1The Influence of جيمell Temperaتure on تhe Operation of Electrolyzers (باللغة الإنجليزية)

1-1 تأثير درجة حرارة خلية الإلكتروليزر على فولطية الخلية

تأثير درجة حرارة خلية إلكتروليزر على جهد الخلية ينعكس أساسا في الجوانب الثلاثة التالية: مقاومة موصل المعادن، مقاومة الإلكتروليت، ومقاومة غشاء الأيونات. بالنسبة للموصلات المعدنية، كلما زادت درجة الحرارة اشتد اهتزاز الكاتيونات المعدنية داخل الموصل، مما يعيق حركة الإلكترونات ويؤدي إلى زيادة في المقاومة ؛ بالنسبة للإلكتروليتات، فمع زيادة درجة الحرارة، تتسارع سرعة حركة الأيونات المتحركة بحرية في المحلول، مما يؤدي إلى انخفاض في المقاومة الكهربائية ؛ بالنسبة لأغشية التبادل الأيوني، كلما زادت درجة الحرارة، يتمدد الغشاء، وتزيد المسام، وتقل مقاومة الغشاء. بناء على التحليل أعلاه، تأثير زيادة درجة حرارة الشق على انخفاض الجهد الأوميمي في الموصلات المعدنية والكهرل والغشاء الأيوني ليس نفس النمط. ولكن وفقًا لتجربة التشغيل الفعلية، كلما زادت درجة حرارة الخزان، انخفض جهد الخزان.

عندما تكون كثافة التيار، ودرجة الحرارة، والتركيز القلوي للخلايا الكهرلية المختلفة مختلفة، فإنه من المستحيل مقارنة الجهد التشغيلي للخلايا. ولذلك، فإن صيغة تصحيح جهد الخلية مشتقة على النحو التالي

و V_{قيمة التعديل} في الصيغة هو متوسط فولطية الخلية المصححة، V ؛ ك_tهو معامل تصحيح درجة الحرارة 0.013/℃؛ ك_Cهل معامل تصحيح التركيز هو 0.017/%;λ؟₁هل كثافة تيار التشغيل المصححة, كيلو أمبير/متر؟²؛ (ج)₂هل كثافة تيار التشغيل الفعلية, كيلو أمبير/متر؟².

الـ K_tفي المعادلة هو معامل تصحيح درجة الحرارة. إن إجراء تحليل إضافي لهذا المعامل يكشف عن العلاقة بين درجة الحرارة واستهلاك طاقة المعالجة، حيث أن استهلاك طاقة المعالجة بالتيار المستمر يقل بحوالي 13 كيلو واط ساعة لكل درجة مئوية تزيد في درجة الحرارة.

1-2 تأثير درجة حرارة المحلل الكهربائي على كفاءة التيار

عندما تكون درجة حرارة المحلل الكهربائي أقل من 90℃، كلما زادت درجة حرارة المحلل الكهربائي، يزداد حجم مسام الغشاء الأيوني، وتزيد هجرة أيونات الصوديوم في الغشاء، مما يؤدي إلى زيادة في كفاءة التيار. ومع ذلك، وبسبب الزيادة في المسام، فإنه سيؤدي أيضا إلى زيادة محتوى الملح في القلويات وإنتاج الكلورات إلى حد ما.

1-3 تأثير درجة حرارة الإلكتروليتزر على التشغيل الآمن لخلايا الإلكتروليتزر

بالنسبة لتشغيل خلايا الإلكترولزر، فإن درجة حرارة الخلية ليست فقط مؤشرًا على التشغيل الاقتصادي، ولكن أيضًا مؤشرًا على التشغيل الآمن. في خلية إلكتروليزر الأصلية ذات كثافة التيار العالية، يكون نطاق التحكم في درجة الحرارة للخلية أقل من 90℃، على هذا الأساس، كلما كانت درجة حرارة الخلية أعلى، كلما كان جهد خلية الإلكتروليزر أقل. بعد اكتمال تحويل المسافة صفر القطب لخلية الإلكتروليتزر، يتم ربط الغشاء الأيوني بإحكام بالكاثود من الخلية الإلكتروليتيكية، والتحكم في المؤشرات المختلفة لخلية الإلكتروليتر أكثر صرامة. درجة حرارة الخلية مطلوبة عموما أن يتم التحكم فيها تحت 8℃. إذا كانت درجة حرارة الفتحة عالية للغاية، فقد يؤدي ذلك إلى تقادم حشية إطار الفتحة، وفي الحالات الشديدة، هناك خطر تسرب ؛ من ناحية أخرى، عندما تتجاوز درجة حرارة الخزان 90℃، فإن نسبة الماء إلى البخار داخل خزان الوحدة تزيد، مما يؤدي إلى التحليل الكهربائي للماء وتشكيل فقاعات الماء على الغشاء الأيوني.

2 مبدأ التحكم وتدفق عملية درجة حرارة خلية الإلكتروليتزر

تفاعل المحلول الملحي المشبع بالتحليل الكهربائي هو تفاعل مقاوم للحرارة، ويتم إزالة حرارة التفاعل عن طريق تبريد سائل الكاثود للحفاظ على استقرار درجة الحرارة لنظام التحليل الكهربائي بأكمله. بأخذ مصنع الكلور القلوي الداخلي كمثال، يكون تدفق العملية المحدد على النحو التالي: يتم جمع الكاثوليت من 8 خلايا إلكتروليتية ويدخل خزان الكاثوليت D-270. ثم يتم ضخه عن طريق مضخة تدوير الكاثوليت P-274 إلى خزان الكاثوليت عالي المستوى D-273. يتم إرسال بعض المحلول القلوي في الشكل إلى المبادل الحراري للمحلول القلوي الدائر E-273، ويتم التحكم في درجة حرارة المحلول القلوي الدائر عن طريق تبادل حرارة الماء الدائر. 32% من الأيونات القلوية في الخزان عالي المستوى D-273 من سائل الكاثود تتدفق إلى الخلية الإلكتروليتيكية، والماء النقي (عملية مكثفة) يضاف على طول الطريق لضبط تركيز المحلول القلوي. يمكن ملاحظة من تدفق عملية سائل الكاثود في الخلية الإلكتروليتية أن درجة حرارة 8 خلايا إلكتروليتية يتم التحكم فيها ككل من خلال المحلول القلوي الدائر المبادل الحراري E-273. يظهر مخطط تدفق عملية نظام سائل الكاثود في الخلية الإلكتروليتية في الشكل 1.

الشكل 1 عملية تدفق نظام كاثوليت الخلية الإلكتروليتية

3 التحكم في درجة حرارة خلية الإلكتروليتزر

تبلغ دورة التحديث الحالية للغشاء الأيوني في مصنع الكلور القلوي الداخلي ألف حوالي عامين. بسبب الاختلافات في وقت استخدام الغشاء الأيوني وحالة الخزانات، هناك بعض الانحرافات في درجة الحرارة والجهد للإلكترولزر 8. وترد بيانات التشغيل المحددة في الجدول 1.

البيانات التشغيلية لخلايا الإلكتروليتر قبل تنفيذ المشروع

من الإحصائيات السابقة، يمكن ملاحظة أنه تحت نفس تيار التشغيل، بسبب الاختلافات في حالة الخلايا ودورة تشغيل الغشاء الأيوني، هناك انحراف معين في درجة حرارة خلايا الإلكتروليتزر الثمانية. بلغت درجة حرارة الخلايا G و H بشكل اساسي او تجاوزت الحد الاقصى للتحكم، في حين ان درجة حرارة الخلايا A و B و C و D و E و F منخفضة نسبيا، ولا يزال هناك مجال للتعديل. في الوقت الحاضر، أدنى وأعلى درجات الحرارة من 8 خلايا إلكتروليزر هي 83.7.℃و 86.91℃، مع انحراف من 3.21.℃. ويرجع ذلك أساسا إلى الترسيب التدريجي للشوائب في المياه المالحة على السطح أو داخل الغشاء حيث يستخدم غشاء التبادل الأيوني لفترة أطول من الزمن، مما يؤدي إلى انخفاض في الجهد الغشائي، وزيادة في توليد الحرارة، وفي نهاية المطاف زيادة في درجة حرارة الخزان. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يرتبط أيضا بحالة الخلية الإلكتروليتية.

يعتمد التحكم في درجة حرارة خلية الإلكتروليزر التحكم المركزي في المحلول القلوي الدائر للكاثوليت، والذي لا يمكنه تحقيق ضبط منفصل لدرجة حرارة خلية الإلكتروليزر. من أجل ضمان الإنتاج الآمن والمستقر، يمكن استخدام أعلى درجة حرارة للخلية من بين 8 خلايا إلكتروليتية فقط كمعيار للمراقبة. إذا كان يمكن التحكم في درجة حرارة المحلول القلوي المدخل لكل خلية إلكتروليتية بشكل منفصل، فإنه يمكن تحسين درجة حرارة التشغيل لخلايا الإلكتروليتر الفردية مع درجات حرارة خلية منخفضة وتقليل استهلاك الكهرباء للعملية.

4 عملية تصميم مشروع التحكم في درجة الحرارة لتقسيم الخلايا الإلكتروليزرية

وفقا لتشغيل خلايا إلكترولزر للكلور القلوي الداخلي A، فإن درجة حرارة الخلية القصوى للخلايا C و E و G و H قد وصلت أساسا إلى الحد الأقصى. إذا أمكن زيادة درجة حرارة المحلول القلوي الدائر عند مخرج E-273، فإن درجة الحرارة الكلية للخلية لخلايا الإلكترولزر الثمانية سترتفع بشكل كبير، وستتجاوز درجة حرارة الخلية لخلايا C و E و G و H 8℃، والتي لا يمكنها تلبية متطلبات التحكم في السلامة. لذلك، يعتبر إضافة المبادلات الحرارية الصفيحة (E-230، المبرد القلوي) في مدخل المحاليل الكهربائية C و E و G و H، وذلك باستخدام مياه التبريد لتبريد وخفض درجة حرارة المحلول القلوي الداخل إلى الخزان، وبالتالي خفض درجة حرارة المحلول القلوي الخارج من الخزان. وهذا يمكن أن يزيد من درجة الحرارة الكلية للإلكترولزر الأخرى وتحقيق هدف التحكم في درجة حرارة الإلكترولزر على حدة. ويبين الشكل 2 المخطط الانسيابي لتصميم عملية مشروع التحكم في درجة الحرارة لتقسيم خلايا الإلكتروليزر.

دورة استبدال الأغشية الأيونية في الخلايا الإلكتروليتية في مصنع الكلور القلوي الداخلي A هي سنتين، مع استبدال أربعة أغشية أيونية لخلايا الإلكتروليزر سنوياً. ولذلك، فإن خطة التنفيذ الأولية تعتبر على النحو التالي: أولاً، تركيب أربعة مبادلات حرارية مقسمة من ألواح التحكم في درجة الحرارة، والخلايا الكهربائية الأربعة الأخرى ستكمل في وقت واحد تركيب أنابيب المياه الجارية، وخطوط الأنابيب السائلة القلوية، ونقل درجة الحرارة عن بعد. وسيتم وضع الأساس المدني للمبادلات الحرارية بالألواح ووضع الكابلات المتصلة بها. في المرحلة اللاحقة، على أساس درجة حرارة كل خلية إلكتروليتية دون استخدام مبادلات حرارية مجزأة ذات صفيحة متحكم فيها في درجة الحرارة، يمكن تركيب المبادلات الحرارية المجزأة ذات الصفيحة المتحكم فيها في درجة الحرارة، وأجزاء المدخل والمخرج القصيرة، وصمامات التحكم التلقائي في المياه الجارية كوحدة كاملة (وحدة التحكم المجزأة في درجة الحرارة) في أي خلية إلكتروليتية وفقاً لدرجة حرارة كل خلية إلكتروليتية.

تأثير التنفيذ المتوقع: أخذ الداخلمصنع الكلور القلوي ألفعلى سبيل المثال، C و E و G و H.محاليل كهربائيةلديها أعلى درجة حرارة. يتم تركيب مبادلات حرارية في الصفيحة المتحكم في درجة الحرارة في مدخل المحلول القلوي لهذه الإلكتروليترات الأربعة للتحكم في درجة حرارة الخزان أقل من 87 درجة مئوية. باستثناء خلايا الإلكتروليزر الأربعة المذكورة أعلاه، فإن الخلية A لديها أعلى درجة حرارة. إذا زادت درجة حرارة المحلول القلوي عند مخرج E-273 لضبط درجة الحرارة الكلية لخلية الإلكترولزر، بافتراض أن ارتفاع درجة حرارة كل خلية هو نفسه، فإن درجة حرارة الخلية أ هي الأعلى. إذا زادت درجة حرارة المحلول القلوي عند مخرج E-273 لضبط درجة الحرارة الكلية لخلية الإلكترولزر، بافتراض أن ارتفاع درجة حرارة كل خلية هو نفسه، تكون نقطة نهاية التعديل عندما تصل درجة حرارة الخلية A إلى 8℃. في هذه المرحلة، درجة الحرارة تبلغمحلل بالكهرباءإس سي، إي، إف، جي، إتش، ودي كلها حوالي 87℃ودرجات الحرارةمحلل بالكهرباءويزداد العدد ألف وباء ودال بنسبة 1.9.℃.

(5) تنفيذ تحليل أثر وفوائد مشروع ضبط درجات الحرارة لتقسيم الخلايا الإلكتروليترية

بعد الصيانة في أغسطس 2022، أكمل مصنع الكلور القلوي الداخلي جميع أعمال التنفيذ لمشروع ضبط درجة الحرارة للإلكتروليترات بشكل منفصل. بعد تشغيل النظام، أظهرت الملاحظة أن C و E و G و H.محلل بالكهرباءوكانت أجهزة الإلكترولزر الأربعة ذات درجة الحرارة الأعلى، لذلك لم تكن هناك حاجة لتغيير وضع تركيب وحدة التحكم في درجة حرارة أجهزة الإلكترولزر. درجة حرارةمحلل بالكهرباءA هو الأعلى بين 4 محاليل كهربائية أخرى، والإجماليمحاليل كهربائيةيتم ضبط درجة حرارة النظام على أساسمحلل بالكهرباء أ) بعد التعديل وفقا لإجراءات التشغيل المحددة سلفا، زادت درجة حرارة المحلل الكهربائي بمقدار 0.38-2.2 ℃، وانخفض جهد الخلية بمقدار 0.23-2.32V، مع انخفاض كبير في جهد الخلية.

وبعد تنفيذ التحكم في درجة حرارة المحلل الكهربائي، انخفض الاستهلاك الكلي للكهرباء المعالجة بمقدار 5032.23 كيلو واط/يوم. واستنادا إلى 350 يوما من التشغيل في السنة، كانت الوفورات السنوية في استهلاك الكهرباء المعالجة 1761280.5 كيلو واط/يوم. يتم حساب رسوم الكهرباء عند 0.4 يوان/(كيلوواط/ساعة) والاستثمار في المعدات والمواد هو 541،900 يوان. إذا انخفضت القيمة على مدى 5 سنوات، فإن الفوائد الاقتصادية هي 601،551.20/RMB/A.

6 خلاصة

بسبب الاختلافات في وقت استبدال الغشاء وظروف الخلية، هناك مشاكل موضوعية مع الانحرافات في درجة حرارة الخلية بين خلايا الإلكتروليزر الثمانية. ومع ذلك، وبسبب القيود المفروضة على تصميم عملية التحكم في درجة حرارة الخلية ومتطلبات مؤشرات درجة حرارة الخلية، فإنه من المستحيل تحقيق التحكم الأمثل في درجات حرارة الخلايا الثماني جميعها من خلال العمليات الحالية. في الوقت الحاضر، يأخذ مصنع الكلور القلوي الداخلي (أ) زمام المبادرة في تحقيق التحكم المستقل في درجة حرارة خلية الإلكتروليتر داخل صناعة الكلور -الكالي. ومن خلال تنفيذ مشروع التعديل هذا، أدى المشروع إلى خفض الانحراف في درجات الحرارة بين 8 أجهزة للإلكتروليترات وزيادة درجة حرارة التشغيل الإجمالية لنظام الكاثوليتات، مما أدى إلى زيادة خفض استهلاك الطاقة في عملية الصودا الكاوية مع ما يترتب على ذلك من آثار هامة في توفير الطاقة. وهو يحمل أهمية ترويجية واسعة داخل الصناعة. كشركة هندسية ذات خبرة في مجال الكلور القلوي،ويلتزم المركز بتوفير خدمات الارتقاء بمستلزمات إنتاج الكلور القلوي في جميع أنحاء العالم.