Способы производства кальцинированной соды. Аммиачный способ производства кальцинированной соды. Основные стадии производства

Лекция №14

Способы производства кальцинированной соды. Аммиачный способ производства кальцинированной соды. Основные стадии производства.

Карбонат натрия гигроскопичен, t_пл =858⁰С.

Гидрокарбонат натрия – NaНCO₃ –питьевая или пищевая сода.

Трона (сесквикарбонат, полуторная сода)  Na₂CO₃∙NaНCO₃∙2Н₂O.

Карбонат натрия получают путем кристаллизации из смеси горячих растворов карбоната и гидрокарбоната или пропускание CO₂ в раствор Na₂CO_3.

Трона устойчива, негигроскопична, хорошо растворима в воде.

Сода (Na₂CO₃ ) применяется в процессе получения мыла и других моющих средств, NaOН и  соединений натрия, в процессе варки целлюлозы, для обработки бокситов в производстве алюминия, для нейтрализации кислых компонентов при очистки нефтепродуктов, для получения пигментов, является компонентом шихты в производстве стекла.

В мире производства кальцинированной соды (Na₂CO₃)  базируется на четырех способах:

Рекомендуемые материалы

1.Аммиачный (из NaCℓ методом Сольве)

2.Из природных залежей троны

3. Из нефелинов

4. Карбонизацией гидроксида натрия

Получение карбоната натрия аммиачно–хлоридным способом.

СаСО₃ →СаО +СО₂                                                 (1)

СаО +Н₂О →Са(ОН)₂                                                                        (2)

NaCℓ + NН₃ + СО₂ + Н₂О↔NH₄Cℓ +NaHCO₃           (3)

Ca(OH)₂ +2NH₄Cℓ →2NН₃ + СаСl₂ +H₂O              (4)

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + СО₂                         (5)

        

Основные стадии процесса:

1. Очистка растворов NаCℓ

2. Обжиг известняка

3. Приготовление известкового молока

4. Аммонизация  рассола

5. Карбонизация аммонизированного рассола

6. Фильтрация NaHCO₃

7. Регенерация   NH₃

     8.  Кальцинация NaHCO₃  с получением Na₂CO₃

1. Очистка раствора NаCℓ.

Раствор NаCℓ добывают выщелачиванием каменной соли в подземных скважинах методом гидровруба. Применяют раствор с концентрацией 305- 310 г/л содержащий Са, Мg, K.

Исходный рассол очищают от ионов Са и Мg²⁺ обработкой его содой

Na₂CO₃ и Са(ОН)₂

СаСℓ₂+Na₂CO₃ =CaCO₃+2NaCℓ

МgCℓ₂+Са(ОН)₂ = Мg(ОН)₂+СаСℓ₂

Очищенный раствор содержит не более:

 0,02г/л Са

 0,07г/л Мg

 0,2- 0,3г/л Na₂CO₃

 0,05- 0,09г/л NaOH

2. Обжиг известняка проводят в известково-обжигательных печах шахтного типа

CaCO₃ =СаО +СО₂ –Q

Т_пр=1100 – 1200⁰С

В процессе обжига известняка  содержание МgСО₃ (0,5- 3%)

МgСО₃ →  МgО+ СО₂ – Q

Т_пр=700⁰С

Побочные реакции

СаО +SiO₂→CaSiO₃

3CaO +2SiO₂= 3CaO∙2SiO₂

CaO+Fe₂O₃= CaFe₂O₄

3CaO+Aℓ₂O₃ =3CaO∙Aℓ₂O₃

                                                  

3. Получение суспензии Са(ОН)₂

Суспензию оксида – гидроксида кальция (известковое молоко) получают смешением СаО с избытком воды.

СаО +nH₂O→ CaO+Ca(OH)₂+(n-1)H₂O

Кинетика процесса гидратации, физико-химические свойства получения суспензии, выход готового продукта зависят от следующих факторов:

вид, структура и химический состав исходного карбоната кальция, температура и продолжительность термообработки исходного сырья, наличие примесей в исходном сырье и топливе, гранулометрический состав применяемого оксида кальция, продолжительность, и условия его хранения, температура воды, водо - известковое отношение (Н₂О: СаО), способ и интенсивность перемешивания в процессе гидратации, применяемые добавки и тд..

4. Аммонизация рассола.

Исходное сырье – рассол до насыщения диоксидом углерода в карбонизационных колонах в отделении абсорбции насыщают аммиаком и частично СО₂ из паро-газовой смеси отделения дистилляции, карбонизации и газо–воздушной смеси в вакуум-фильтрах.

Для насыщения рассола применяют паро–газовую смесь поступающую из отделения дистилляции содержащую аммиак и пары воды.

5. Карбонизация аммонизированного рассола (протекает по реакции 3)

NaCℓ +NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃+NHCℓ

1. стадия  

   2NH₃ +CO₂=  NH₂СООNH₄

(карбамат аммония).

        NH₂СООNH₄ + H₂O→NaHCO₃+NH₃

          2.  стадия

        NH₄ НСО₃ + NаCℓ↔ NaHCO₃ + NH₄Cℓ

Основными аппаратами при карбонизации являются карбонизационные колоны.

При практических расчетах материальных потоков на содовых заводах концентрацию растворов выражают в «н. д.» (нормальных делениях).

1 н.д. отвечает концентрации 1/20 г-экв. Вещества в 1 дм³.

Для пересчета н.д. в г/дм³ нужно число н.д. умножить на г-экв. Данного вещества и разделить на 20.

Например: 10 н.д. аммиака в растворе отвечают 10*17/20=8,5 г/дм³.

6. Фильтрация суспензии гидрокарбоната натрия

      В производстве карбоната натрия процесс фильтрации используется для отделения кристаллов гидрокарбоната натрия от маточного раствора. Получаемые при этом кристаллы направляют в отделение кальцинации, а маточный раствор с промывной водой  - в отделение дистилляции для регенерации аммиака. В отделении фильтрации используют вакуум-фильтры.

В процессе фильтрации имеются потери гидрокарбоната натрия в результате его частичного растворения в промывной воде и прохода в виде мелких кристаллов через фильтрующую перегородку, а также в результате частичного протекания обратной реакции:

      

 NaНСО₃ + NH₄Cℓ↔ NaCℓ+NH₄HCO₃

Потери в процессе фильтрации увеличиваются при повышении температуры промывной воды выше 45°С и ее количество, а так же при нарушении целостности фильтрующей перегородки.

7.Регенерация аммиака и диоксида углерода.

В отделении дистилляции производится полное отделение аммиака и диоксида углерода из маточного раствора и возвращение их в отделение абсорбции  NH₃ – 51-53% (масс)

               CO₂ – 26-28% (масс)    Т=58-60°С.

В процессе дистилляции протекают реакции разложения карбонатных солей аммония за счет нагревания растворов и реакции разложения связанного аммония при взаимодействии его с суспензией Ca(OH)_2. Образующийся аммиак и углекислый газ выделяют отгонкой из раствора при повышении его температуры.

Процесс десорбции из фильтровой жидкости осуществляют в дистилляционной колонне состоящей из дистиллера (ДС), теплообменника дистилляции (ТДС) и конденсатора-холодильника газа дистилляции (КХДС). Обычно нагрев ведется паром, при температуре 35-40°С начинается разложение гидрокарбоната аммония

NH₄HCO₃= NH₃+CO₂+H₂O

При повышении температуры до 65-76°С фильтрового раствора начинает диссоциировать карбонат аммония:

(NH₄)₂CO₃= 2NH₃+CO₂+H₂O

Фильтровой раствор из ТДС направляют в реактор-смеситель, куда одновременно вводят водную суспензию Ca(OH)₂ между которыми происходит реакция регенерации аммиака из хлорида аммония.

2NH₄Cℓ+Ca(OH)₂ = CaCl₂+2NH₃+2H₂O

а так же протекает реакция

(NH₄)₂CO₃+ Ca(OH)₂ =СaCO₃+2NH₃+2H₂O

В процессе повышения температуры гидрокарбонат натрия диссоциирует с выделением диоксида углерода

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + СО₂

Na₂CO₃ + 2NH₄Cℓ↔ 2NaCℓ+2NH₃ +CO₂+ H₂O

1. Отделение кальцинации гидрокарбоната натрия

 

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + СО₂

Влажный технический гидрокарбонат натрия поступающий на процесс кальцинации имеет состав (в %масс.): NaHCO₃ – 76-84; Na₂CO₃  - 2-3; NaCl – 0,2-0,4; NH₄HCO₃ – 1-2; (NH₄)₂CO₃ – 1; H₂O – 14-20.

Влага представляющая собой насыщенный раствор гидрокарбоната натрия в процессе кальцинации, а именно при контакте с горячей поверхностью интенсивно испаряется. В результате выделения твердая фаза кристаллизуясь образует плотно прилипающую к поверхности корку, называемую в производстве «козел». С целью исключения этого явления в производстве исходный влажный гидрокарбонат натрия перед подачей в кальцинатор смешивают с содой, при этом образуется новая твердая фаза – трона. Трона при температуре 111°С теряет кристаллизационную воду:

3(NaHCO₃∙Na₂CO₃∙2H₂O) =  Na₂CO₃∙3NaHCO₃+2Na₂CO₃ +6H₂O

При температуре 127°С происходит разложение двойной соли:

2(Na₂CO₃∙3NaHCO₃) = 5Na₂CO₃+3СО₂+3H₂O

 

Побочные реакции: карбонат аммония разлагается в процессе нагревания, а так же хлорид аммония взаимодействует с гидрокарбонатом натрия.

Бесплатная лекция: "1 Термодинамика электродных процессов" также доступна.

(NH₄)₂CO₃= 2NH₃+CO₂+H₂O

NaНСО₃ + NH₄Cℓ↔ NaCℓ+NH₃ + H₂O+СО₂

Контрольные вопросы:

1. Свойства, применение кальцинированной соды.
2. Способы получения кальцинированной соды.
3. Аммиачный способ производства кальцинированной соды.
4. Основные стадии производства кальцинированной соды.