Поиск по сайту
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?

Электрохимическое производство в химической промышленности

Fall 2014

Химическая промышленность создает продукты путем преобразования органических и неорганических сырья с использованием химических процессов. Есть более 100 000 химических веществ, которые присутствуют на рынке. [1] Химические вещества можно очень широко разделить на две группы: товарные химических веществ и специальных химических веществ. Товарные химические вещества производители выпускают на крупных заводах в больших количествах, как основные и относительно недорогие соединения (до $ 1 за кг), часто построенных специально, чтобы производить один химикат. Товарные растения часто работают непрерывно, как правило, закрытие всего несколько недель в году для обслуживания. Specialty-циклическими или химические показатели производители производят меньшее количество более дорогих химических веществ (от $ 1 до $ 1000 за килограмм) «по мере необходимости» в растениях, которые используются реже. Часто существует только один или ограниченное число поставщиков, производящих данный продукт. В отличие от производства товарных химикатов, серийное производство требует, чтобы сырье, процессы, условия эксплуатации, а также смена оборудования на регулярной основе для удовлетворения потребностей клиентов (современные энергосберегающие технологии https://www.interiv.ru/stroiteli/home-repairs/).

Несмотря на большое количество химических веществ, доступных на рынке, электрохимический синтез химических веществ было ограничено узким спектром. Причины этого были ранее отнесены к отставанию в образовании химиков и инженеров в области электрохимии и электрохимической техники, отсутствие подходящих ресурсов для строительства клеток, а самое главное запретительные расходы, связанные с (во многих случаях) в электрохимического синтеза. [2] Тем не менее, за последние 40 лет произошли значительные изменения в электрохимического синтеза и методов [3] из-за достижений в области материаловедения и нанотехнологий, [4] разработка методов спектроскопии в месте, [5-7] и прогресс в многомасштабном моделирования. [8-10] В результате, настало время пересмотреть некоторые промышленные электрохимические процессы и ввести примеры новых экономических возможностей для электрохимического производства химических веществ.

Хлорщелочные процессы

Хлорщелочная промышленность является одним из крупнейших химических процессов во всем мире. Его два основных компонента - хлор и каустическая сода - являются необходимыми товарами, которые используются для широкого спектра применений. Почти 55 процентов всех специальных химических продуктов изготавливается требует один из хлорщелочных продуктов в качестве предшественника, с примерами в том числе: клея, пластмассы, пестицида, краски, дезинфицирующих средств, водных добавок, каучуков, косметики, моющих средств, смазочных материалов, винила и ПВХ, мыла, стекла, цемента, медицинские перевязочные материалы, текстиль, автомобиль, лодка и самолет вагонка, книги, смазки и присадки к топливу. [18]

Хлорщелочной процесс насчитывает более 100 лет, происходящий из электролиза рассола с использованием ртути (Hg) в качестве электрода. Основываясь на этих основах, процесс хлорщелочное была улучшена за счет развития мембранных и ионообменных мембран клеток. Последние достижения в области дизайна мембраны клеток, наряду с введением кислородсодержащих деполяризованы катодов, привели к заметному улучшению эффективности клеток, что снижает общие требования к мощности процесса почти на 30%. В таблице 1 приведены текущие внедренный рабочие условия процесса хлорощелочного. [12] Потребление энергии сократилось с около 4000 кВт · ч / т каустической соды, в 1950-х до около 2500 кВт-ч в CA. 1998 с появлением стабильных по размерам анодов и оптимальной конструкции ячейки / работы.

Несмотря на улучшение производительности, достигнутый за последние 50 лет, есть место и необходимость оптимизации процесса дальнейшего снижения потребления энергии. Термодинамический напряжение для разложения рассола составляет 2,2 В, тем не менее, фактическое общее напряжение ячейки применяется для поддержания электролизу в большинстве промышленных процессов превышает 3,0 В, в связи с накоплением практических сопротивлений, возникающих и отсутствие равномерного распределения тока. Общее напряжение действующего электролитической ячейки может, с целью простого анализа, быть представлен следующей простой модели: [13]

При анализе типичных рабочих параметров в процессе промышленной эксплуатации, iRhardware средние значения 0,25 В и 0,37 В для мембранных и мембранных разновидностей производственных хлорщелочных ячеек  соответственно, где рабочая нагрузка составляет 2,32 кА м-2 и 3,5 кА м- 2, соответственно. [13] Это составляет 7% и 12% от общего напряжения, приложенного через каждую клетку, и полностью обусловлено неэффективностью, которые существуют в материале электрода, контактов, электродов и межсоединений отводами. Дополнительные улучшения, такие как включение применимых достижений в области дизайна клеток и стека, сделанные в топливных элементах и электролизерах воды, а также развитие электрокатализатора может еще больше снизить потребление энергии и, следовательно, стоимость производства хлора и каустической соды. Хлорщелочной процесс остается весьма актуальной и по-прежнему предлагает проблемы и возможности для совершенствования в контексте электрохимического производства.

...

Химической и смежных отраслей промышленности (ChEAllieds) противостоять технологических проблем - например, надежность энергоснабжения, отсутствие энергоэффективных / трансформационных технологий производства, сокращения отходов и охраны водных ресурсов - которые препятствуют и поставить под угрозу их рост и влияют на их конкурентоспособность по всему миру. [54] методы производства Текущий химической промышленности приблизились к их практические пределы производительности, поэтому, новый подрывной, и необходимы вспомогательные технологии, которые будут предоставлять решения для ChEAllieds помимо постепенных усовершенствований производства. Электрохимическое производство может обеспечить возможности для ChEAllieds и, учитывая преимущества и перспективы, рассмотренные выше, это область, эмерджентное для научных исследований и разработок. Электрохимический Тропинка для устойчивого Производство (EPSuM) Консорциум [56] финансируется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в рамках Программы передовых технологий производства консорциумов (AMTECH) является примером привлекательной модели сотрудничества за проведение поступательные успехи в этом секторе , Главной целью этого консорциума является разработка технологии дорожной карты для поддержки, поддержания и повышения производственных мощностей в США в страны химической промышленности и смежных отраслей с помощью инновационных процессов, которые используют электрохимический науки и техники для решения основных технических барьеров. Партнеры по фазе I программы являются Центр Электрохимический инженерных изысканий в Университете Огайо, [57] Национальный научный фонд отраслевой университет Cooperative Research: Центр электрохимических процессов и технологий (CEProTECH), [58] PolymerOhio Inc., [59 ] Электрохимический общества, [60] и несколько компаний. Подобные правительством с университетским партнерства промышленности способствовала бы дальнейшему развитию электрохимическую производственного сектора и следует активно продолжать.

Использованные источники

1.     G. Agam, Industrial Chemicals: Their Characteristics and Development, Elsevier, The Netherlands (1994).

2.     H. Pütter, Industrial Electroorganic Chemistry, in Organic Electrochemistry, 4th ed., H. Lund and O. Hammerich, Editors,  p.  1259-1308, Marcel Dekker, New York (2001).

3.     G. G. Botte, D. A. Daramola, and M. Muthuvel, Preparative Electrochemistry for Organic Synthesis, in Comprehensive Organic Synthesis II, Vol. 9, P. Knochel and G. A. Molander, Editors, p. 351-389, Elsevier, The Netherlands (2014).

4.     W. J. Lorenz and W. Plieth, Electrochemical Nanotechnology: In-Situ Local Probe Techniques at Electrochemical Interfaces, Wiley-VCH, Weinheim (1998).

5.     M. Fleischmann, A. Oliver, and J. Robinson, In situ X-Ray Diffraction Studies of Electrode Solution Interfaces, Electrochim. Acta, 31, 899, (1986).

6.     A. Ikai, STM and AFM of Bio/Organic Molecules and Structures, Surf. Sci. Rep., 26, 263 (1996).

7.     W. Weaver, Raman and Infrared Spectroscopies as In Situ Probes of Catalytic Adsorbate Chemistry at Electrochemical and Related Metal–Gas Interfaces: Some Perspectives and Prospects, Top. Catal., 8, 65 (1999).

8.     B. Kirchner, P. di Dio, J. Hutter, and J. Vrabec, Real-World Predictions from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations, in Multiscale Molecular Methods in Applied Chemistry, Vol. 307, p.     109-154, B. Kirchner and J. Vrabec, Editors, Springer, Berlin (2012).

9.     F. Keil, Multiscale Modelling in Computational Heterogeneous Catalysis, in Multiscale Molecular Methods in Applied Chemistry, Vol. 307, p. 69-107, B. Kirchner and J. Vrabec, Editors, Springer, Berlin (2012).

10.   S. Wasileski, C. Taylor, and M. Neurock, Modeling Electrocatalytic Reaction Systems from First Principles, in Device and Materials Modeling in PEM Fuel Cells, S. Paddison and K. Promislow, Vol. 113, p. 551-574, Editors, Springer, Berlin (2009).

11.   The European Chlor-Alkali Industry: An Electricity Intensive Sector Exposed to Carbon Leakage  eurochlor.org/ media/9385/3-2-the_european_chlor-alkali_industry_-_an_ electricity_intensive_sector_exposed_to_carbon_leakage.pdf .

12.   The Uhde Membrane Process: Technical data, ThyssenKrupp Industrial Solutions,  thyssenkrupp-industrial- solutions.com/en/products-solutions/chemical-industry/ electrolysis/chlor-alkali-electrolysis/process/technical-data. html.

13.   T. V. Bommaraju, T. F. O’Brien, and F. Hine, F., Handbook of Chlor-Alkali Technology. Springer Science+Business Media, New York (2005).

...

54.  Sustainable U.S. Manufacturing in the Chemical and Allied Industries,  acs.org/content/acs/en/ sustainability/ acsandsustainability/ sustainablemanufacturing/roadmaps.html.

55.     G. G. Botte and M. Muthuvel, Electrochemical Energy Storage: Applications, Processes, and Trends, in Kent and Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology, Vol. 2, J. Kent, Editor, p. 1497-1539, Springer, New York (2012).

56.      Electrochemical Pathway for Sustainable Manufacturing (EPSuM) Consortium,  nist.gov/amo/70nanb14h052. cfm

57.      Center for Electrochemical Engineering Research, Ohio University, ohio.edu/ceer/

58.      CEProTECH. NSF I/UCRC, ceprotech.com

59.      PolymerOhio Inc.  polymerohio.org The Electrochemical Society,  electrochem.org

60.      The Electrochemical Society, electrochem.org

Electrochemical Manufacturing in the Chemical Industry. Gerardine G. Botte. The Electrochemical Society Interface.  Fall 2014