3 Производство кальцинированной соды

Углекислая сода (карбонат натрия) была известна еще в глубокой древности. Издавна соду получали из золы морских и солончаковых растений и извлекали из рапы природных содовых озер. Ее использовали в стеклоделии и в качестве моющего средства. К концу XVIII в. эти источники уже не могли удовлетворить возрастающую потребность в соде. В 1775 г. французский фармацевт Н. Леблан предложил получать соду прокалива­нием смеси сульфата натрия, измельченного мела или известняка и угля согласно реак­ции:

Na₂SO₄ + СаСO₃ + 2С → Nа₂CO₃ + СаS + 2СO₂.

Из полученного плава соду выщелачивали водой, а раствор упаривали, выделяя карбонат натрия в твердом виде. В шламе оставался сульфид кальция, являющийся отходом производства.

Так как в природе натрий встречается чаще в виде хлорида натрия, необходимый для произ­водства соды сульфат натрия было предложено получать взаимодействием хлорида натрия и серной кислоты.

Способ Н. Леблана сыграл большую роль в развитии химической промышленности и разработке сырьевых баз. Вокруг содовых заводов концентрировались производства и других продуктов. Разработка способа получения сульфата натрия повлекла за собой развитие производства серной кислоты, а за ней и азотной, поскольку серную кислоту получали лишь нитрозным способом с помощью азотной кислоты. Отход содового производства – хлороводород - перерабатывали на хлор и хлорные продукты: белильную из­весть и бертолетовую соль. Из отхода – сульфида кальция - получали элементарную серу. Огарок после обжига медистого серного колчедана, служившего сырьем для получения серной ки­слоты, использовали для производства медного купороса и других солей меди. Сама сода использовалась как исходный продукт для получения многих натриевых соединений, например NаНСО₃, NаОН, Nа₂SO₃, NаНSO₃ и др.

Содовые заводы стали центрами зарождавшейся химической промышленности. В немалой степени содовые заводы содействовали также развитию сырьевых баз по до­быче таких видов сырья, как серный колчедан, мел, известняк, поваренная соль, суль­фат натрия, чилийская селитра, из которой в те годы готовили азотную кислоту.

В 1861 г. бельгийским инженером Э. Сольве был разработан и осуществлен в промыш­ленном масштабе аммиачный способ получения соды, отличавшийся следующими пре­имуществами: более высоким качеством получаемого продукта, непрерывностью про­цесса, лучшими условиями труда и меньшим расходом рабочей силы, снижением рас­хода тепла, а следовательно, и топлива, возможностью применения растворов хлорида натрия, бо­лее дешевых, чем твердая поваренная соль, необходимая при способе Н. Леблана. В целом «аммиачная сода» получалась более дешевой и лучшего качества.

3.1 Принципиальная схема производства соды аммиачным

способом

Взаимная связь отдельных основных операций содового завода, работающего по методу Э. Сольве, показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Принципиальная технологическая схема производства кальцинированной соды аммиачным способом

В аммиачном способе кальцинированную соду получают через гидрокарбонат ам­мония:

NH₄HСО₃ + NaCl → NaHСО₃ + NH₄Cl.

На содовых заводах гидрокарбонат аммония получают из аммиака и диоксида углерода непосредст­венно в водных растворах хлорида натрия, т. е. с химической точки зрения процесс получения гидрокарбоната натрия можно объединить в виде одной реакции:

NaCl + NН₃ + СO₂ + Н₂O → NaHСО₃ + NH₄Cl.

Так как диоксид углерода плохо растворяется в воде в отсутствие аммиака, то практически сначала раствор хлорида натрия (рассол) насыщают аммиаком, а затем полученный ам­монизированный рассол обрабатывают диоксидом углерода, т. е. процесс проводят в две ступени. Первая ступень (поглощение аммиака) протекает в отделении аммонизации-абсорбции, а вторая (поглощение диоксида углерода) - в отделении карбонизации.

Выпавший в процессе карбонизации осадок гидрокарбоната натрия NаНСО₃ отфильтровывают, и далее он разлагается с получением соды:

2NaHСО₃ → Nа₂СO₃ + СO₂ + Н₂O.

В зависимости от конструкции печи температура разложения бикарбоната натрия NaНСО₃ находится в пределах 160-180 °С. Процесс разложения бикарбоната натрия протекает в отделении кальцинации. Выделяющийся диоксид углерода повторно используют в процессе карбонизации.

Кроме основных процессов на содовых заводах осуществляется ряд побочных, не имеющих непосредственного отношения к получению кальцинированной соды. Образующийся по реак­ции хлорид аммония завод может выпускать как дополнительный готовый продукт. Однако обычно на содовых заводах аммиак регенерируют из хлорида аммония и воз­вращают обратно в производство. С этой целью гидрокарбонатный маточник, содер­жащий хлорид аммония NH₄Cl, обрабатывают известковым молоком:

2 NH₄Cl + Са(OН)₂ → 2NН₃ + 2Н₂O + СаСl₂.

Образующийся аммиак отгоняют из раствора и направляют в отделение абсорбции. Раствор хлорида кальция является отходом производства. Эта операция регенерации аммиака протекает в отделении дистилляции. На некоторых заводах раствор хлорида кальция используется для получения продукционного хлорида кальция СаС1₂.

Для получения известкового молока необходим оксид кальция СаО, который на со­довых заводах получают путем обжига карбонатного сырья (мела или известняка) в известково-обжигательных печах при температуре 1100-1200 °С. Образующийся по реакции диоксид углерода:

СаСО₃ → СаО + СO₂

используют в процессе карбонизации, а оксид кальция (негашеная известь СаО) гасят избытком воды с получени­ем известкового молока:

СаО + Н₂O → Са(ОН)₂.

И, наконец, на всех содовых заводах производится предварительная очистка водного раствора хлорида натрия (сырого рассола) от примесей - солей кальция и магния с по­мощью карбоната натрия и известкового молока. В процессе очистки образуются плохо растворимые гидроксид магния и карбонат кальция, выпадающие в осадок:

MgС1₂ + Са(ОН)₂ → Мg(ОН)₂ + СаСl₂

СаС1₂ + Nа₂СO₃ → СаСО₃ + 2NaСl.