Хімічна, функціональна і технологічна схеми виробництва кальцинованої соди аміачним способом

 

Суть аміачного способу виробництва соди полягає в тому, що розчин утворюється під час перебігу реакції кальцинації.

За аміачним методом одержання соди утворюється побічний продукт -амонію хлорид (розсіл), насичений аміаком, обробляють вуглекислим газом. При цьому утворюється і випадає в тверду фазу натрію гідрокарбонат, а сама стадія процесу називається карбонізацією.

Після відокремлення від розчину і прожарювання осаду NаНСО₃ він розкладається з утворенням Na₂СО₃. Ця стадія процесу, що супроводиться виділенням парів води і вуглекислого газу, називається кальцинацією.

Вуглекислий газ, потрібний для стадії карбонізації, одержують з вапняку випалюванням у печах за температури 1000 °С. Випалювальний газ містить до 40 об.% СO₂ і перед карбонізацією ретельно відмивається водою від домішок Для карбонізації використовується також і той вуглекислий газ, що СІ. Проте його розкладають, вивільняючи з нього аміак, який знову використовується у виробництві. Розклад NH₄Сl відбувається під дією вапняного молока Са(ОН)₂, яке виготовляють гасінням вапна, одержаного внаслідок випалювання вапняку. Аміак, що виділився, повертається в процес — на стадію амонізації розсолу.

Отже, аміак циркулює у виробництві, виконуючи роль відбирача хлорид-іонів від натрію хлориду і забезпечуючи тим самим утворення натрію гідрокарбонату. Відходом виробництва в аміачному методі одержання соди є розчин кальцію хлориду.

Очищення розсолу полягає у видаленні з нього домішок розчинених солей кальцію і магнію, бо інакше ці солі будуть випадати в осад на стадіях амонізації і карбонізації розсолу, утворюючи нерозчинні СаСОз, Mg(ОН)₂ і MgCO₃ і забиватимуть апарати. Осадження домішок здійснюється за допомогою кальцинованої соди і вапняного молока за реакціями:

Mg^2+ + Са(ОН)2 =Mg(ОН)2 + Ca^2+	(2.1)
Ca^2+ +Na2CO3 = CaCO3 +Na^2+	(2.2)

Осади СаСОз і Мg(ОН)₂ відділяють від очищеного розсолу у відстійниках.

Розсіл одержують підземним вилуговуванням шарів кам'яної солі водою. У бурову свердловину завглибшки до 700 м вводяться дві концентрично вставлені одна в одну труби: внутрішньою - подається вода під тиском, а зовнішньою витискується утворений внаслідок розчинення шару солі розсіл Останній донасичується кам'яною сіллю до концентрації 305...310 г/л NaС1.

1.1. Амонізація розсолу необхідна для того, щоб потім зв'язати вуглекислий газ, який з розчином NаСl безпосередньо не взаємодіє. Амонізація полягає в насиченні розсолу аміаком (до 85 г/л NНз) і частково вуглецю (IV) оксидом (до 40 г/л). При цьому відбуваються такі реакції:

NH3 + H2O ↔ NH4OH + Q	(2.3)
2NH3 + CO2 +H2O ↔ (NH4)2CO3 + Q	(2.4)

Реакції амонізації, що відбуваються в системі Г-Р, екзотермічні. Для збільшення ступеня абсорбції NН₃ потрібно охолоджувати розсіл. Для
збільшення швидкості процесу слід збільшити поверхню контакту

 

Розсіл Са(ОН)₂, Na₂СO₃

 

Рис. 2.1 — Функціональна схема виробництва кальцинованої соди аміачним способом

Карбонізація - поглинання амонізованим розсолом вуглецю (IV)оксиду за такими реакціями:

2NH4OH+ СO2 ↔ (NН4)2СO3 + Н2O + Q	(2.5)
(NH4)2СОз + СO2 + Н2O ↔ 2NH4HCO3 + Q	(2.6)

Утворений амонію гідрокарбонат за обмінною реакцією взаємодіє з NaCl, при цьому утворюється натрію гідрокарбонат

NаСl + NH4HCO3 ↔ NаНСО3 + NH4Cl + Q

Реакції карбонізації оборотні та екзотермічні. Рівноважний ступінь перетворення натрію хлориду в натрію гідрокарбонат залежить від температури і концентрації реагуючих речовин. Чим нижча температура, тим вищий ступінь перетворення. У содовій промисловості ступінь перетворення називають коефіцієнтом утилізації. Розрізняють коефіцієнт утилізації натрію і

коефіцієнт утилізації амонію , які розраховують за рівняннями:

	(2.7)
	(2.8)

де — нормальні концентрації відповідних іонів у розчині

Взаємна розчинність солей у системі NаСl-NН₄HСО₃-NаНСО₃-NH₄Сl вивчена П.П. Федотьєвим. Він довів, що максимальні значення коефіцієнтів утилі­зації натрію і амонію за температури 30 °С однакові і становлять 84 %. На практиці ступінь перетворення N80 в NаНСО₃ значно менший і дорівнює 75...76 %.

На стадії фільтрування осад натрію гідрокарбонату відділяється на вакуум-фільтрах від маточного розчину, що містить розчинені солі NH₄Cl і нейрореаговані NаСl, NН₄HСО₃, NаНСО₃.

Твердий відфільтрований осад NаНСО₃ подається на кальцинацію, яка здійснюється в горизонтальних обертових печах непрямого нагрівання. Топкові гази або пара, що обігрівають барабан ззовні через стінку, не забруднюють одержану в барабані соду.

Гази, що виходять з барабана, містять до 90 об.% СO₂ і після очищення від содового пилу подаються на карбонізацію.

Маточний розчин після фільтрації подається на регенерацію NH₃. При цьому відбуваються реакції розкладу амонієвмісних солей за реакціями

(NН4)2СО3= 2NH3 + 2СO2+ 2Н2O,	(2.9)
NН4HСО3 = NH3 + СO2+ Н2O,	(2.10)
2 NH4 Cl + Са(ОН)2 = СаСl2 + 2NH3 + Н2O.	(2.11)

Рідина, яка містить непрореагований NaCl і утворений СаС1₂, скидається вшламові басейни як відхід, а гази, що містять NH₃ і СO₂подаються на амонізацію.

Рідина Газ

 

1 — тарілка; 2 — горловина; 3 — зубчастий ковпак; 4 - зовнішній перелив.

Рис. 2.2 — Схема роботи одноковпачкової барботажної тарілки дистилера

На стадіях амонізації, карбонізації, дистиляції реакції відбуваються в системі Г—Р. Достатня швидкість досягається створенням великої поверхні контакту фаз, яку забезпечує конструкція головної апаратури цих стадій - барботажних долон, що складаються з чавунних секцій - царг. Як приклад розглянемо роботу барботажної тарілки головного апарата стадії дистиляції - дистиляційної колони (дистилера) (рис. 2.2). Ця тарілка працює так. Парогазова суміш з великою швидкістю проходить через горловину 2 під ковпак 3 і через його зубчасті вінця спрямовується в газовий простір над тарілкою 1. Унаслідок зіткнення з рідиною, що знаходиться на тарілці, газ захоплює її з собою, утворюючи шар піни з дуже розвинутою поверхнею контакту фаз. Зовнішні переливи для рідини 4 полегшують чищення апарата і самих переливів

Випалювання вапняку - допоміжна стадія, метою якої є одержання вапна і вуглекислого газу. Ця стадія здійснюється в шахтних паливних печах прямого нагрівання за температури 1100...1200 °С, що і забезпечує термічний розклад вапняку. Необхідну для розкладу теплоту одержують спалюванням коксу, який служить паливом і входить до складу шихти. Пічний (або випалювальний) газ містить 35-40 об.% СO₂ і після очищення від захопленого пилу подається на карбонізацію.

Гасіння вапна здійснюється в горизонтальних обертових барабанах підігрітою водою за температури 90...95 °С. При цьому одержують вапняне молоко, яке містить 280 г/л Са(ОН)₂.

Очищений розсіл, у якому міститься 305...310 г/л NaCl, з напірного баку 4 проходить абсорбер 6, де він амонізується, тобто насичується газоподібним NH₃. Розчин і гази рухаються в абсорбері протитечією. Абсорбер є апаратом барботажного типу, всередині якого вмонтовані багатоковпачкові чавунні тарілки. У нижню частину абсорбера надходить газ, одержаний на стадії регенерації аміаку. Реакції амонізації оборотні та екзотермічні, тому їх слід здійснювати за температури не вище ніж 28 °С. Однак внаслідок виділення реакційної теплоти розчин нагрівається, тому його після абсорбера охолоджують у винесених водяних холодильниках зрошувального типу (на схемі не показано). Амонізований розсіл після охолодження надходить у верхню частину карбонізаційної колони 8, яка теж являє собою апарат барботажного типу. У нижню частину колони 8 компресором 9 під тиском 2,5-10⁵ Па подається суміш газів, одержаних після кальцинації та випалювання вапняку. Ця суміш містить до 60 об.% СO₂. Трохи вище в карбонізаційну колону компресором 5 подається лише той газ, який одержується внаслідок випалювання вапняку. Під час карбонізації, як уже згадувалось, утворюється натрію гідрокарбонат і амонію хлорид. Утворений натрію гідрокарбонат насичує розчин і випадає з нього в тверду фазу. Як зазначалося вище, максимальний вихід NaHCО₃ досягається за температури 30 °С, тому передбачається охолодження реакційної маси в нижній частині колони, у так званих холодильних царгах, куди подається охолоджувальна вода. Одержані кристали NаНСО₃ відокремлюються від розчину на барабанному вакуум-фільтрі 10. Відфільтрований осад гідрокарбонату натрію з вологістю до 18 % далі подається на кальцинацію в содову піч 12 - горизонтальний барабан, що обертається і робить до 5 об/хв. У ньому натрію гідрокарбонат прожарюється за температури 260 °С за рахунок теплоти топкових газів або водяної пари, що подаються в обігрівальну оболонку ("сорочку") печі. При цьому утворюється кінцевий продукт виробництва - кальцинована сода, і виділяється вуглекислий газ концентрацією до 90 об.% СО₂ Останній після відмивання від содового пилу в промивачі 7 використовується для карбонізації розчину в колоні 8. Готова кальцинована сода повинна містити не менше як 95 % Nа₂СО₃ і не більше як 1% NаСІ.

 

 

 

 

1 — шахтна піч для випалювання вапняку; 2, 7—промивачі газу; 3 - барабан для гасіння вапна; 4 - напірний бак; 5,9 — компресори; 6 - колона амонізації; 8- колона карбонізації; 10 - барабанний вакуум-фільтр; 11 - колона регенерації; 12 — барабанна піч для кальцинації; 13, 14 — відцентрові насоси; 15 - транспортер готової соди.

Рис. 4.3— Технологічна схема виробництва кальцинованої соди.

 

Розчин амонію хлориду, відокремлений на вакуум-фільтрі 10, насосом 13 спрямовується для регенерації аміаку в дистиляційну колону 11. Туди ж насосом 14 подається вапняне молоко. При підігріванні парою, яка подається знизу колони, всі солі амонію, що містяться в розчині, розкладаються з виділенням аміаку. Регенерований аміак з домішками вуглекислого газу повертається на амонізацію розсолу в колону 6. З дистиляційної колони 11 витікає розчин кальцію хлориду, який є відходом виробництва.

Випалювання вапняку здійснюється в шахтній печі 1, яка за допомогою спеціального завантажувального пристрою заповнюється шихтою - сумішшю вапняку і коксу. Знизу під ґратку, на якій розташовується шихта, в піч вдувається повітря для спалювання коксу, внаслідок чого в печі досягається необхідна температура випалювання - 1100...1200 °С. Гази, які виходять з печі, містять 35...40 об.% СO₂ і після очищення від пилу в промивачі 2 подаються в карбонізаційну колону 8. Негашене вапно подається на гасіння в обертовий барабан 3. Одержане вапняне молоко використовується для регенерації аміаку в колоні дистиляції 11.