Химическая технология получения едкого натра

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт ИПР

Направление подготовки (специальность) Химическая технология

Кафедра ТОВПМ

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине Общая химическая технология

 

 

на тему Химическая технология получения едкого натра.

 

 

 

Выполнил студент гр.       2Д11  _________  Пихновский И.Н.

(Номер группы)     (Подпись)   (Ф.И.О.)

 

Дата сдачи реферата преподавателю _____ _____________ 20__г.

 

 

 

 

Проверил          к.т.н., доцент   Швалев Ю.Б.

(Степень, звание, должность)             (Ф.И.О.)

 

Дата проверки _____ __________ 20__г.

 

Оценка ___________

 

Подпись ___________

 

 

 

 

 

Томск 2013 г.

 

 

Введение.

В начале XIX века развитие производства каустической соды (NaOH) было тесно связано с развитием производства кальцинированной соды. Эта взаимосвязь была обусловлена тем, что сырьем для химического способа получения NaOH служила кальцинированная сода, которая в виде содового раствора каустифицировалась известковым молоком. А сырьем для получения кальцинированной соды могут быть природные вещества содержащие Na и CO , Кроме того, для получения соды применяют ряд вспомогательных материалов – аммиак, топливо, воду и пар. Природные источники кальцинированной соды незначительны (минералы натрон, термонатрит, трона). Na CO получают главным образом насыщением NH и СО раствора NaCl и дальнейшим нагреванием до 140-160 °С, а также из нефелина. Содовые озера и содовые отложения расположены главным образом в Западной Сибири и Кулундинской степи (Петуховская и Михайловская группа озер). А крупнейшие залежи нефелина находятся в Хибинах на Кольском полуострове в виде апатитово - нефелиновой породы. Имеются также залежи нефелиновых руд на Урале, в Средней Азии, Казахстане, Кемеровской области, на Украине, в Армении.

Одновременно в конце XIX в. стали быстро развиваться электрохимические  методы получения NаОН электролизом водных растворов NaCl. Хлорид натрия (поваренная соль) широко распространена в природе как в твердом виде (пласты каменной соли, самосадочная соль соляных озер), так и в виде растворов (морская вода, соляные озера, соляные источники).Известные месторождения поваренной соли: Артемовско-Славянское, Верхнекамское и Яр-Бишкадакское месорождение в Башкирии.Верхнекамское месторождение характеризуется также громадными залежами сильвинита.Сильвинит является  минералом, содержащим смесь NaCl (70- 75%) и KCl.Отход производства хлорида калия, содержащий в сухом виде до 97% NaCl, 1% KCl и примеси солей кальция и магния, используют для производства соды.

Применение

Сода каустическая (едкий  натр) представляет собой белые кристаллы  плотностью 2,13 г/см3. Температура плавления  соединения составляет 322°C, температура  кипения - 1390°C. По своим химическим свойствам, каустическая сода является сильным основанием, относящимся к щелочам. Сода каустическая применяется в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, медицинской, пищевой промышленности, цветной металлургии, текстильной промышленности, в производстве вискозного шелка и отбеливании тканей, в анилинокрасочной промышленности, в мыловарении, в производстве алюминия и металлического натрия, растворимого стекла, щелочных аккумуляторов, в процессах водоподготовки и других областях народного хозяйства.

В химической промышленности сода каустическая используется для производства органических красителей, синтетического фенола, глицерина, инсектицидов, различных химикатов и полупродуктов, лекарственных средств, пластмасс и др., для очистки нефти, нефтепродуктов и минеральных масел.  В черной металлургии применяется для удаления серы из стали, в целлюлозно-бумажной – для обработки целлюлозы, бумажной массы.

Успешно сода каустическая применяется  в металлургии при производстве алюминия. В автомобильной промышленности ее используют в производстве щелочных аккумуляторов, в химической в технологических процессах изготовления трилона Б и, конечно, большое значение имеет сода каустическая при производстве самых разнообразных моющих средств: от обычного мыла до стиральных порошков различных видов. Растворы каустической соды используются для дезинфекции во многих отраслях. Нашел применение этот ценный продукт химического производства и в пищевой промышленности, с помощью соды каустической осуществляется рафинирование растительного масла и некоторых других продуктов.

Физико – химические основы процесса

Известковый способ получения каустической соды.

 

Каустификация. Известковый способ получения едкого натра основан на каустификации карбоната натрия известью   или известковым молоком:

 

Nа СО (р)+Са(ОН) (тв.) NаОН(р) + СaCO (тв) + 0,84 кДж.                     (1)

 

Подача на каустификацию  вместо известкового молока извести позволяет использовать теплоту гашения СаО. Кроме того, образуется более концентрированный раствор едкого натра за счет вывода из процесса воды, поступающей с известковым молоком.

В начале процесса направление  реакции (1) сдвинуто вправо, так как растворимость СaCO меньше растворимости Са(ОН) .

В начале процесса каустификации  в растворе присутствует большое  количество ионов CO , снижающих и без того малую растворимость СaCO . По мере каустификации в растворе накапливаются ионы ОН и уменьшается количество ионов CO , поэтому растворимость СаСОз увеличивается, а растворимость Са(ОН) уменьшается. При достижении одинаковой растворимости солей наступает равновесие. Константа равновесия реакции (1) выражается соотношением:

                                                                                          (2)

Растворимости СaCO и Са(ОН) в разной степени зависят от температуры, поэтому, строго говоря, константа равновесия зависит от температуры. Однако практически эта зависимость не учитывается. Важной характеристикой процесса каустификации является равновесная степень каустификации , выраженная отношением:

                                                                                           (3)

 

 

Выражая концентрацию ионов [ОН ] через константу равновесия К и концентрацию ионов [CO ], получают:

                                                                                             (4)

Из выражения (4) следует, что равновесная степень каустификации (степень перехода соды в едкий натр) при прочих равных условиях снижается при увеличении содержания соды в исходном растворе При содержании соды в растворе более 23,2% (масс.) в данной фазе появляется пирсонит , способствующий возрастанию потерь соды. Наоборот, при понижении концентрации соды в исходном растворе степень каустификации повышается.

 

Однако вместе с этим возрастает также удельное содержание воды (на 1 кг твердого NaОН) в каустифицированном содовом растворе (рис.4).Повышение удельного содержания воды приводит к увеличению расхода греющего пара на выпарку слабых щелоков, т. е. к росту стоимости продукционной каустической соды.

 

Весьма малый тепловой эффект реакции (1) показывает, что температура  мало влияет на равновесную степень каустификации. Скорость достижения равновесия зависит от температуры. Поэтому хотя температура и не влияет на равновесный выход NaОН, процесс каустификации ведут   при     температуре    98— 100° С, что обеспечивает достаточно высокую скорость протекания процесса. Кроме  того, увеличение температуры способствует   образованию     крупнокристаллического     осадка СaCO , что улучшает отделение шлама от щелочных растворов при дальнейшей ее декантации и повышает скорость осаждения СaCO за счет

снижения вязкости расвора.

 

Диаграмма равновесного состояния  системы Na СО — NаОН— СаСОз— Са(ОH) — Н О при 100 º С приведена на рисунке.1. По оси абсцисс отложена концентрация соды, но оси ординат — концентрация NаОН [в моль/л и % (масс.)] в пределах, принятых в производственных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок - 1. Диаграмма равновесного состояния системы

Na СО — NаОН— СаСОз— Са(ОH) — Н О при 100 º С

 

Отделение и  промывка шлама. Слабый щелок необходимо отделить от шлама и осветлить. Скорость и полнота отделения шлама от слабого щелока зависят от качества обжигаемого известняка, условий его обжига, избытка извести и других факторов. При повышении температуры обжига и увеличении времени пребывания материала в зоне обжига скорость осветления щелока возрастает. Условия гашения извести также заметно сказываются на скорости осветления щелока.

     Крупные  кристаллы СаСО3 не только быстрее  осаждаются, но и лучше

отмываются от NаОН и остатков соды меньшим количеством промывной воды. Последнее чрезвычайно важно, поскольку промывная вода, содержащая NаОН и Nа2СО3, не выводится из цикла, а смешивается с исходным концентрированным содовым раствором. Поэтому, чем меньше расход промывной воды, тем концентрированнее содовый раствор, подаваемый на каустификацию, и концентрированнее каустифицированный раствор, и, тем, следовательно, меньше расход тепла на дальнейшее концентрирование этого раствора для получения товарного NаОН. Снижение пресыщения каустифицируемого раствора по СаСО3 приводит к образованию более крупных кристаллов СаСО3 и тем самым улучшает процесс осветления слабого щелока. Снижению пересыщения, кроме повышения температуры каустификации, способствует также добавление к исходному содовому раствору так называемых «крепких» промывок, содержащих кроме соды, едкий натр, повышающий растворимость СаСО3. «Крепкие» промывки получают при растворении соды, выпадающей из слабого щелока при его концентрировании. В результате добавления к исходному содовому раствору «слабых» и «крепких» промывок получают «нормальный» содовый раствор.

В производстве каустической соды необходимо достичь по возможности

высокой степени декарбонизации содового раствора, так как присутствующий в содовом растворе гидрокарбонат  натрия взаимодействует в промывных  водах с едким натром по реакции:

     NаНСО3 + NаОН↔ Nа2СО3 + Н2О    

     NаНСО3 + Са(ОН)2↔ СаСО3 + NаОН + Н2О

В результате этой реакции  расходный коэффициент извести  на 1 т NаОН возрастает.

В технологических схемах производства NаОН часто предусматривается

повторная каустификация  шлама свежим содовым раствором, что приводит к

увеличению концентрации слабого щелока и повышению коэффициента

использования СаО. При  проведении двух процессов каустификации  с последующей промывкой шлама  скорость осаждения твердых частиц при прочих равных условиях выше скорости осаждения частиц, полученных при однократной каустификации. Это можно объяснить увеличением степени использования СаО в шламе и возрастании времени формирования шлама при двукратной каустификации. В производстве едкого натра расход промывной воды на 1 т NаОН при 70-800С составляет 4.5-5.0м3. Высокая температура промывной воды способствует растворению в ней примесей и повышает скорость осаждения твердых частиц.

Концентрирование слабых щелоков. Отделение выпарки .В отделение  выпарки из отделения каустификации  поступают слабые щелока, содержащие около 130г/л NаОН, 30г/л Nа2СО3 и 11.3 г/л Nа2SО4. При концентрировании слабых щелоков в твердую фазу выделяется Nа2СО3 и Nа2SО4,растворимость которых в растворах едкого натра весьма близки. При больших концентрациях NаОН в растворе наблюдается высокое пересыщение по Nа2СО3 иNа2SО4, которое очень медленно снижается в результате старения раствора. Однако даже через 48 часов раствор не достигает равновесного состояния.

В процессе выпаривания  важно не только максимально выделить примеси в твердую фазу, но и получить крупные быстро осаждающиеся кристаллы Nа2СО3 и Nа2SО4. Полнота выделения солей обеспечивается высокой концентрацией едкого натра и длительностью выдерживания раствора NаОН, обеспечивающей снятие пересыщения по Nа2СО3 и   Nа2SО4. Размер осаждающихся кристаллов в значительной степени определяется содержанием Nа2SО4 в растворе. Так как часть сульфата натрия остается в готовом продукте и не возвращается обратно в цикл, необходимо восполнять его потери.

Плавка едкого натра. Максимальная концентрация едкого натра, достигаемая в выпарных установках, составляет 70%. Более концентрированные растворы едкого натра обладают большой вязкостью и имеют высокую температурную депрессию, что делает неэкономичным дальнейшее обезвоживание NаОН в выпарных установках.

Для этого в промышленности применяют плавильные котлы(горшки),

изготовленные из щелочестойкого серого чугуна.

Температура кипения NаОН  при атмосферном давлении составляет 1388 С, поэтому полное обезвоживание NаОН возможно лишь при этой температуре. Достижение такой высокой температуры связано с техническими трудностями. Вместе с тем присутствие в едком натре даже малого количества воды резко снижает температуру кипения плава. Для нагревания плава до таких температур используют дымовые газы, образующиеся при сжигании угля или природного газа.

Обезвоживание едкого натра  может протекать в одном плавильном горшке (периодический процесс) или  в батарее из 6-9 плавильных горшков  последовательно. В этом случае плавка едкого натра ведется непрерывно, так как обезвоживание продукта осуществляется по мере движения его через плавильные горшки.

При охлаждении плава  в последнем плавильном горшке образуется три слоя: верхний слой – белая  каустическая сода в количестве 95% массы  всего плава – представляет собой готовый продукт; средний слой – серая каустическая сода (3%) возвращается обычно в соседний плавильный котел и нижний слой – красного цвета продукт (2%) является отходом производства.