12.3. Принципова схема виробництва кальцинованої соди

Функціональна схема виробництва Na₂CO₃ має такі стадії:

Технологічну схему виробництва кальцинованої соди наведено на рис. 12.1. Водний розчин, в якому міститься 305‑310 г/л NaCl, очищений від солей Са і Mg, надходить із збірника у промивник 7, де поглинає СО₂ з газів, що надходять з карбонізаційної колони 6, і NH₃ з газів, що надходять з вакуум-фільтра 10. Не поглинуті розчином гази (в основному азот) викидаються в атмосферу. З промивника газів 7 розчин подається в абсорбер 8, де поглинає регенеровані NH₃ і СО₂, які надходять з дистиляційної колони 14. Амонізований і частково карбонізований розчин, охолоджений у холодильнику 9, безперервно надходить у верхню частину карбонізаційної колони 6, де насичується далі СО₂ (37‑40 % СО₂), який подається після очищення в апараті 2 з вапняково-випалювальної печі 1, і змішаним газом (60‑80 % СО₂), що утворюється після добавляння газу з содової печі 12 (85‑90 %-ий СО₂). Гази подаються у колону 6 під тиском 0,3‑0,4 МПа, який створюється компресорами 3 і 5 для подолання гідравлічного опору колон. Утворений NaHCO₃ випадає в осад, а у розчині залишаються в основному NaCl і NH₄C1. Суспензія з колони 6 для відокремлення NaHCO₃ подається на вакуум-фільтр 10. Фільтрат надходить у дистиляційну колону 14, де регенерується NH₃. Карбонати амонію розкладаються у колоні 14 при нагріванні до 70‑80 °С, a NH₄C1 розкладається у колоні 13 під дією вапнякового молока, що утворюється гашен­ням вапна в апараті 4. Амоніак і СО₂, що утворюються при розкладанні солей амонію, відганяються водяною парою, що подається у нижню частину апарата 13, і надходять в абсорбер 8 для поглинання їх соляним розчином.

Рис. 12.1. Принципова схема виробництва соди амоніачним способом: 1 – піч для випа­лювання вапняку; 2 – очисний апарат; 3,5 – компресори; 4 – апарат для гасіння вапна; 6 – карбонізаційна колона; 7 – промивна колона; 8 – абсорбер; 9 – холодильник; 10 – вакуум-фільтр; 11 – промивний апарат; 12-содова піч; 13 – колона розкладу NH₄Cl; 14 – дистиляційна колона

Сирий NaHCO₃ з фільтра 10 подається в обертову содову піч 12 для кальцинування. Кальцинована сода після печі 12 іде на пакування або на склад.

Внаслідок розкладання NaHCO₃ у содових печах утворюється газова суміш з вмістом 85‑90 % СО₂, яка після охолодження і промивання в апараті 11 змішується з газом вапнякововипалювальної печі 1 і компресором 5 подається у нижню частину карбонізаційної колони 6.

Складний процес виробництва кальцинованої соди здійснюється послідовно у таких цехах содового заводу, які прийнято називати станціями: попереднього очищення амоніачно-сольового розчину від солей Са і Mg, абсорбції, карбонізації, фільтрації, дистиляції, кальцинації.

Важливими відділами содових заводів є також вапняково-випалювальний, гашення вапна, склад готової продукції та ін.

Основні процеси й апаратура у виробництві кальцинованої соди. У виробництві соди амоніачним способом використовується водний розчин кухонної солі (розсіл), який добувають із природних джерел або виготовляють, розчиняючи у воді тверду кам'яну сіль. Сирий розсіл з різними домішками і розчиненими солями Са і Mg очищають розчинами Na₂CO₃, NaOH або вапнякового молока, які осаджують йони Са²⁺ і Mg²⁺:

Са²⁺ + Na₂CO₃ = СаСО₃ + 2Na⁺;

Mg²⁺ + 2NaOH = Mg(OH)₂ + 2Na⁺.

Утворений осад видаляють у спеціальних відстійниках і фільтруванням. На виробництво 1 т Na₂СОз витрачається близько 5 м³ сирого розсолу, тому содові заводи будують переважно у місцевостях, де є природні поклади кухонної солі. Після очищення розсіл спрямовують на станцію абсорбції.

Призначення станції абсорбції – виготовляти потрібний для карбонізації амоніачно-сольовий розчин відповідної концентрації. Спочатку у промивному апараті розсіл частково насичується газами, які надходять із станцій карбонізації, абсорбції і фільтрації, а потім остаточно в абсорбері – NH₃, що надходить із станції дистиляції. Аміак і СО₂ утворюють амонію карбонат і карбамід:

2NH₃ + СО₂ + Н₂О = (NН₄)₂СО₃;

2NH₃ + СО₂ = NH₂COONH₄.

При цьому виділяється велика кількість теплоти, що нагріває розсіл до 80‑90 °С і знижує ефект абсорбції, тому абсорбцію здійснюють з проміжним охолодженням рідини у холодильниках.

Для абсорбції використовують апарати барботажного типу. У сучасних удосконалених барботажних колонах для інтенсифікації поглинання збільшують поверхню дотику газів з рідиною, розміщуючи замість одного великого ковпака 14 маленьких.

Вся апаратура абсорбції на содових заводах, як правило, змонтована у двох колонах – великій і малій. Велика колона близько 41 м заввишки і діаметром 2,8 м складається з абсорбера і промивників газів, що надходять з карбонізаційної колони, а також газів, що надходять з вакуум-фільтрів. Промивник газу і відстійник змонтовані у малій колоні.

На станції абсорбції систематично контролюється вміст NH₃ у рідині та у газі, що виходять після абсорберів і промивників газів.

Станція карбонізації є найважливішою станцією на содовому заводі. Тут амоніачно-сольовий розчин насичується СО₂ з утворенням суспензії NaHCO₃. Карбонізація послідовно здійснюється у трьох подібних між собою колонах: попередньої карбонізації, промивній і осаджувальній. Колона попередньої карбонізації призначена для розчинення NaHCO₃, який викристалізувався на стінках колони:

2NaHCO₃ + 2NH₄OH = Na₂CO₃ + (NН₄)₂СО₃ + 2Н₂О.

Промивна колона зрошується рідиною, що виходить з колони попередньої карбонізації, яка тут же донасичується СО₂. До осаджувальної карбонізаційної колони 6 (див. рис. 12.1) у верхню холодильну частину надходить газ із вмістом СО₂ 37‑40 % і у нижню холодильну бочку – змішаний газ, в якому СО₂ 60‑80 %.

Реакція карбонізації відбувається з виділенням великої кількості теплоти, внаслідок чого температура рідини у середній частині колони підвищується до 60‑65 °С, тому нижня частина колони (десять холодильних бочок) охолоджується водою. Карбонізація здійснюється у безперервно діючих апаратах, які працюють за принципом протитечії. Швидкість реакції утворення NaHCO₃ залежить від вмісту NH₃, і NaСl у розчині, вмісту СО₂ у газі, що надходить на карбонізацію, і від температури, при якій відбувається процес карбонізації.

Здебільшого карбонізаційна колона – це циліндричний апарат барботажної дії діаметром 2,7 м з загальною висотою близько 26 м. Колона складається з 7‑10 холодильних бочок, 25‑29 барботажних бочок з тарілками і 2 газових бочок без тарілок. Рідина проходить через карбонізаційну колону за 2‑2,5 год.

Процес карбонізації закінчується у нижній бочці. Температура, з якою виходить рідина з колони, не повинна перевищувати 26‑28 °С, що забезпечує утворення крупних кристалів NaHCO₃, які добре відфільтровуються у вакуум-фільт­рах. При утворенні 1 т соди поглинається близько 650 кг СО₂. Середня продуктивність такої колони 190 т Na₂CО₃ на добу.

На станції фільтрації NаНСОз відокремлюють від маточного розчину і промивають його на вакуум-фільтрах. Продуктивність одного вакуум-фільтра – 160‑200 т соди на добу. На станції дистиляції NH₃ регенерують з розчинів, які надходять із вакуум-фільтрів. У них NH₃ міститься у зв'язаному (NH₄C1) і у напівзв'язаному ((NН₄)₂СОз і NН₄НСОз) станах. Амоніак, який перебуває у напівзв'язаному стані, виділяється при нагріванні розчину до 80 °С:

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ + СО₂ + Н₂О;

NH₄HCO₃ = NH₃ + CO₂ + H₂O.

Для виділення зв'язаного NH₃ розчин обробляють вапняним молоком:

2NН₄Сl + Са(ОН)₂ = 2NH₃ + СаС1₂ + 2Н₂О.

Для виділення NH₃ розчин продувають водяною парою. Утворений розчин NaCl і СаCl₂ використовують як флотаційний реагент. Основним апаратом станції дистиляції є дистиляційна колона барботажного типу.

Станція кальцинації призначена для розкладання (при 140‑170 °С) сирого NаНСОз з утворенням Na₂CO₃:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂О – Q;

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ + СО₂ + Н₂О.

Амоніак і СО₂ повертаються знову у голову процесу, а сирий NаНСО₃ подається на кальцинацію у піч. Щоб запобігти прилипанню до стінок печі сирого NаНСО₃, до нього іноді примішують сухий Na₂CO₃. Парогазова суміш, що утворюється при розкладанні NаНСО₃, очищається від содового пилу у циклоні, охолоджується водою у холодильнику, промивається водою у колоні і з температурою близько 30 °С і вмістом СО₂ 90 % надходить під тиском до 0,3 МПа у карбонізаційну колону. При добуванні 1 т соди у содовій печі утворюється близько 400 кг СО₂, 500 кг Н₂О і 15 кг NH₃.

Содова піч обігрівається зовні горючими газами та обертається зі швидкістю близько 5 об/хв.

Для добування 1 т кальцинованої соди витрачається приблизно така кількість матеріалів і енергії:

• очищений розсіл (310 г/л NaCl), м³ 4,85-5,15

• амоніачна вода (26,5 % NH₃), кг 12-14

• вапно (85 % CaO), т 0,7-0,71

• електроенергія, кВт·год 36‑102

• водяна пара, млн. кДж 5,36‑5,52

• паливо, кг 120‑145

• вода, м³ 82-40

В Україні виробляється кальцинована сода трьох марок: технічна, фотографічна та оптична, які відрізняються між собою ступенем чистоти. Зберігають і перевозять кальциновану соду у багатошарових паперових мішках та у критих вагонах.

Перспективи розвитку амоніачно-содового виробництва. Незважаючи на те, що амоніачним способом соду добувають понад 100 років, принципова схема його і навіть апаратура зазнали порівняно невеликих змін. Тільки останнім часом у зв'язку із зростанням масштабів содового виробництва і збільшенням кількості відходів до технологічної схеми було внесено деякі зміни. Наприклад, у схему було включено попереднє очищення сирого розсолу, вилуговування підземних пластів солі за методом гідроврубу, одноступеневу схему добування амонізованого розсолу, кальцинацію NaHCO₃ без добавляння соди та ін. Одночасно збільшувалась продуктивність окремих агрегатів від 100‑150 до 600 т на добу. Запроваджено автоматичний контроль і автоматизацію управління виробництвом, що сприяло підвищенню продуктивності праці, поліпшенню якості продукції і техніко-економічних показників.

Проводяться науково-дослідні роботи пов'язані з удосконаленням та інтенсифікацією окремих апаратів, а також з пошуками нових видів сировини. Так, А.П. Бєлопольський запропонував замість NaCl використовувати Na₂SO₄. Амоніачно-содовий процес у цьому разі відбуватиметься за таким рівнянням:

Na₂SО₄ + 2NH₃ + 2СО₂ + 3Н₂О = 2NaHCO₃ + (NH₄)₂SO₄.

Утворений (NH₄)₂SO₄ широко використовується як добриво. Але цей процес набагато складніший, ніж з NaCl.

Одним з найважливіших напрямків цих досліджень є виробництво соди при переробці нефеліну.

Виробництво гідрокарбонату натрію. Очищений NaHCO₃ випускають двох марок: технічний і медичний. У них нормуються вміст NaHCO₃, Na₂CO₃, NaCl і волога. У готовому продукті не повинно бути солей амонію, важких металів і миш'яку.

Вихідною речовиною для виробництва очищеного NaHCO₃ є Na₂CO₃ або сирий NaHCO₃ після виробництва кальцинованої соди. У першому випадку Na₂CO₃ розчиняють у воді, у другому NаНСОз добре очищають від NH₄C1 і промивають водою. Розмішаний у воді NaHCO₃ продувають у декарбонізаторах водяною парою, внаслідок чого амонійні солі і гідрокарбонат розкладаються за рівняннями (5) і (6), а NH₃ видаляється разом з СО₂. Після фільтрування содові розчини карбонізують:

Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂О = 2NaHCO₃.

Гідрокарбонат відфільтровують, центрифугують, сушать гарячим повітрям і подрібнюють. Пакують NaHCO₃ залежно від промислового призначення.