Способы производства каустической соды. Известковый и ферритный методы получения каустической соды

Лекция №11

Способы производства каустической соды. Известковый и ферритный методы получения каустической соды.

Известковый способ основан на каустификации карбоната натрия известью или известковым молоком:

Na₂CO_3(P) +Cа(OH)_2(T)→ NaOH_(p)+CаCO_3(T)+ Q

Процесс каустификации ведут при Т =100ºС  τ=3часа. Это обеспечивает высокую скорость протекания процесса, образование крупнокристаллического осадка СаСО₃, что улучшает отделение шлака от щелочных растворов, при дальнейшей его дикантации и повышает скорость его осаждения (СаСО₃) за счет снижения вязкости раствора.

      «Нормальный содовый раствор» - это раствор Na₂CO₃ подаваемый на каустификацию после смешения концентрированного исходного содового раствора с промывными водами, образующимися в процессе фильтрации карбоната кальция и при растворении солей, выпарке слабых щелоков.

SiO₂ +Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ +CO₂

2CаO ∙SiO₂ +2Na₂ CO₃+ H₂O → 2CaCO₃ +Na₂SiO₃ +2NaOH

Рекомендуемые материалы

Цех известковой каустической соды выпускающий твердый едкий натрий состоит из трех от делений:

1. каустификация
2. выпарка слабых щелоков
3. плавка

Слабый щелок необходимо тщательно отделить  от шлака и осветлить, так как при упаривании раствора соотношении концентрата NaOH и Na₂CO₃ остается неизменным.                                                                                                                                                                                       Скорость и полнота отделения шлака от слабого щелока зависит от качества обжигаемого известняка, условия его обжига, избытка извести и других факторов.

Концентрирование слабых щелоков, отделение выпарки.

В отделении выпарки из отдела каустификации поступают слабые щелока

(Na₂OH, Na₂CO₃, Na₂SO₄)

При концентрировании слабых щелоков в твердую фазу выделяется Na₂CO₃ и Na₂SO_4.

В процессе выпаривания важно не только максимально выделить примеси в твердую фазу, но и получить крупные быстро осаждающиеся кристаллы

Na₂CO₃  Na₂SO₄. Полнота выделения солей обеспечивается высокой концентрацией NaOH и длительностью выдерживания раствора NaOH, обеспечивающий снятие пересыщения по Na₂CO₃ и Na₂SO_4.

Из раствора выделяется соль Буркеита

2Na₂SO₄  :Na₂CO₃ ≥ 0,5.

Если в растворе содержится воздух, он ухудшает процесс осаждения твердой фазы, образуя с раствором устойчивую пену, захватывающую значительное количество кристаллов соли в виде мелких кристаллов окруженных пузырьками воздуха, поэтому для получения чистого продукта важно максимально исключить контакт выпариваемого раствора с воздухом.

Плавка едкого натра.

Максимальная  концентрация NaOH в выпарных установках составляет около 70% NaOH. В промышленности применяются плавильные котлы (горшки ) изготовленные из щелочестойкого серого чугуна марки СЧШ- 1 (0,8- 1,0% Ni; 0,6- 0,8%Сr)

Т(кип) (NaOН) =1388ºС   при оптимальном давлении.

Обезвоживание NaOH может протекать в одном плавильном горшке (периодический процесс) или в батареи из 6- 9 горшков соединенных последовательно, тогда процесс происходит непрерывно.

Наиболее важной операцией выделения является очистка расплава.

Расплав NaOH с малым содержанием воды не разрушает чугун. Водные растворы NaOH при высоких температурах очень агрессивны, поэтому первые по ходу NaOH подагреватели и 3 котла будут интенсивно разрушаться. Для защиты стенок аппарата от коррозии к раствору NaOH перед подачей его на плавку добавляют 1,3 – 1,5 кг/т NaNO_3.

Кроме NaNO₃ к частично обезвоженному раствору (в третий котел) добавляют серу. Сера взаимодействует с тяжелыми металлами присутствующими в расплаве, образуются плохо растворимые сульфиды.

Тяжелые металлы (МnS, CиS, которые оседают на дно аппарата), кроме того сера способствует получению NaOH белого цвета, разрушает соединения окрашивающие расплав в зеленый цвет.

NaNO₃:S = (3.1:1)-(1.5:1)

Ферритный способ производства кальцинированной соды

Ферритный способ получения каустической соды основан на сплавлении кальцинированной соды и окиси железа с получением феррита натрия:

                        Na₂CO₃ + Fe₂O₃ = Na₂O * Fe₂O₃  + CO₂

При разложении феррита натрия водой образуется раствор едкого натра:

            Na₂O * Fe₂O₃ +  H₂O = 2NaOH + Fe₂ O₃

Раствор упаривают и получают твердый едкий натр – каустическую соду, а окись железа возвращается в производственный цикл. По стехиометрическому расчету на 1000 кг 92% - ного каустика расходуется 1283 кг 95% - ной кальцинированной соды; однако из – за потерь в производстве расход Na₂CO₃ колеблется в пределах 1350 – 1400 кг.

Производственный процесс состоит из следующих стадий:

· Приготовление шихты – смеси кальцинированной соды и окиси железа;

· Получение феррита прокаливанием смеси;

· Гашение и выщелачивание феррита;

· Упаривание раствора едкого натра и кристаллизация солей;

· Фильтрация упаренного щелока;

· Репульпация и центрифугирование отделенного осадка солей;

· Дальнейшее упаривание щелока;

· Окончательное упаривание и плавка каустической соды;

· Осветление и слив расплавленного едкого натра.

                      Физико-химические основы процесса

                    Первые данные об исследовании свойств и изучении методов получения феррита натрия относятся к 1837 году, когда было установлено, что при сплавлении окиси железа с углекислым натрием выделяется углекислый газ.

                    В 1892 году феррит натрия был получен и выделен в кристаллическом виде при обработке окиси железа расплавленным едким натром.

                    Сравнительно полная характеристика кристаллов феррита натрия приводится в работе, относящейся к 1935 году, в которой указывается, что феррит кристаллизуется в ромбической системе.

                    При исследовании магнитных свойств продуктов, получаемых при сплавлении углекислого натрия с окисью железа, было установлено, что Na₂O * Fe₂O₃ и сплавы, содержащие большие количества щелочного окисла, приобретают магнитные свойства при температуре – 70 ˚С. По данным этих исследователей, процесс получения феррита натрия следует вести при температурах 800 – 1000 ˚С.

                    В результате изучения упругости диссоциации Na₂CO₃ в присутствии Fe₂O₃ полученные данные, приведенные в таблице:

                    Упругость диссоциации  Na₂CO₃ при разных температурах

                    Из таблицы видно, что упругость диссоциации Na₂ СO₃ в присутствии Fe₂O₃ резко возрастает, достигая 760 мм.рт.ст. при температуре плавления соды.

                    По теоретическим расчетам упругость диссоциации Na₂ СO₃ (в отсутствии Fe₂O₃  ) может достигнуть 760 мм.рт.ст. при температуре около 2 000˚С.

                    В результате исследования кинетики процесса образования феррита натрия было установлено, что с повышением температуры процесс значительно ускоряется. Поэтому в промышленных условиях процесс образования феррита ведут при температуре выше 1 000 ˚С.

                    Термографическое исследование процесса обжига смеси с различным содержанием Na₂CO₃ в течении трех часов показало, что при

1 350˚С и молярном соотношении соды и окиси железа Na₂CO₃ / Fe₂O₃ = 1количество выделяющегося СО₂ эквивалентно количеству образовавшегося Na₂O * Fe₂O₃ ; при соотношении Na₂CO₃ / Fe₂O₃ >1 количество выделившегося СО₂ эквивалентно количеству взятой Fe₂O₃, а при соотношении Na₂CO₃ / Fe₂O₃< 1 эквивалентно количеству заданной соды.

                    Полученные результаты подтвердили, что образующийся феррит натрия соответствует формуле Na₂O * Fe₂O₃.

Ещё посмотрите лекцию "10 Организация связи, наблюдения, опознавания" по этой теме.

                    Феррит, образующийся при обжиге смеси, имеет пористую структуру с небольшим числом каверн. В изломе и шлифах под микроскопом можно различить также непрореагирующую окись железа.

                    Процесс образования феррита может быть представлен в следующем виде. Заводская окись железа, содержащая в порах скелета гранул свежеосажденную активную форму Fe₂O₃ * H₂O в смеси с содой ( частично гидратированной), поступая в ферритную печь, в которой у загрузочного отверстия температура топочных газов составляет 450 – 500 ˚С, быстро нагревается. При этом кристаллогидраты соды плавятся и дегидратируются; образующийся расплав может проникать в поры окиси. При 180˚С Fe₂O₃ * H₂O начинает терять воду, а при 360 ˚С переходит в Fe₂O₃ . При 500˚ С Fe₂O₃ реагирует с едким натром , содержащимся в небольших количествах в заводской окиси.

                    Нагрев окиси железа до 500 – 600˚С сопровождается нарушением кристаллической решетки. При этих же температурах начинается процесс спекания частиц Fe₂O₃ и Na₂CO₃, а при 851˚С сода переходит в расплав и впитывается в поры гранул окиси. При большом избытке соды в ферритной печи образуются кольца и оплавленные шары – «грудки». После начала плавления соды реакция образования феррита значительно ускоряется, заканчиваясь практически в течение нескольких минут.

            При расчете процессов, протекающих в ферритных печах, пользуются экспериментально определенными средними данными теплоемкости феррита в определенных интервалах тем

Контрольные вопросы:

1. Известковый способ получения каустической соды.
2. Ферритный способ получения каустической соды.