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.

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

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