книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

Эту реакцию осуществляют в аппаратах высокого давления (автокла­ вах) при давлении 50 am и температуре около 75° С.

§ 31. Хранение и транспортировка азотной кислоты

Слабую азотную кислоту (45-60%-ную) хранят на складе в резер­ вуарах из нержавеющей стали.

Небольшие количества разбавленной азотной кислоты перевозят в стеклянных бутылях, которые упаковывают в корзины или деревян­ ную обрешетку с обкладкой стружкой или соломой, пропитанными огнестойкими веществами. Большие количества разбавленной азот­ ной кислоты перевозят в железнодорожных цистернах из нержавею­ щей стали.

Концентрированную кислоту хранят в резервуарах и перевозят в железнодорожных цистернах из алюминия.

110

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Перечислите основных потребителей азотной кислоты.

2.Напишите реакции, протекающие при окислении аммиака.

3.Начертите схему контактного аппарата.

4. Как влияют температура и давление на реакцию окисления окиси азота

вдвуокись?

5.По рис. 44 опишите схему получения слабой азотной кислоты.

6 . Каковы достоинства и недостатки получения азотной кислоты под дав­ лением?

7. Какие способы получения концентрированной азотной кислоты вам из­ вестны?

ГЛАВА IX

ПРОИЗВОДСТВО КАЛЬЦИНИРОВАННОЙ СОДЫ

§ 32. Значение соды для народного хозяйства

В промышленности и в быту под названием «сода» известно несколь­ ко продуктов: кальцинированная сода — безводный углекислый нат­ рий Na2 C03 (слово «кальцинированный» образовано от латинского и обозначает прокаленный, безводный); двууглекислая сода — бикар­ бонат натрия NaHC03, часто называемая также питьевой содой; кри­ сталлическая сода Na2 CO3 -10H aO и Na2 C 03 -H2 0; каустическая сода, или едкий натр, NaOH.

Большое значение для химической промышленности и других отраслей народного хозяйства имеет кальцинированная сода. Она широко применяется в производстве мыла, стекла, в металлургиче­ ской, нефтяной, лакокрасочной, текстильной, кожевенной, целлю­ лозно-бумажной, пищевой промышленности, для получения многих солей натрия, при очистке воды и т. п. (см. помещенную ниже схему).

Области применения соды

стекло пищ евая промышленность

111

Двууглекислая сода (питьевая) применяется в пищевой, конди­ терской, химико-фармацевтической промышленности, в медицине. Кристаллическая сода находит применение преимущественно в тек­ стильной промышленности.

До конца XVIII в. пользовались только природной содой. В при­ роде сода встречается в твердом виде в небольших залежах, в виде раствора — в воде некоторых содовых озер и щелочных минеральных источников. В Советском Союзе имеются содовые озера в Кулундинской степи, Западной Сибири, около г. Читы.

В конце XVIII в., когда недостаток в соде и ее высокая стоимость начали задерживать развитие ряда отраслей промышленности, в част­ ности стекольной, встал вопрос о разработке методов получения искусственной (синтетической) соды.

В настоящее время в СССР почти во всех отраслях потребляется синтетическая кальцинированная сода. Состав и требования к каль­ цинированной соде определяются ГОСТ 5100—64, в соответствии с которым содержание Na2 C 03 должно быть не менее 99%.

Первый способ получения искусственной соды, осуществленный в промышленности в 1891 г., был предложен французским врачом и химиком Лебланом. По этому способу соду производили из сульфа­ та натрия Na2 S 04, известняка — углекислого кальция СаС03 и угля. Сульфат натрия получали из твердой поваренной соли при действии на нее серной кислотой:

2NaCl + H2 S04 = Na2 S04 + 2НС1 (IX, 1)

Затем сульфат натрия сплавляли с известняком и углем при высокой температуре в печах и получали содовый плав:

Na2 S04 + CaC03 + 2C = Na2 C03 + C aS-f 2СОа (IX, 2)

Полученный плав обрабатывали водой (выщелачивали). В резуль­ тате выщелачивания получали раствор соды. Его выпаривали и выде­ ляли кристаллы соды. После прокаливания их получали готовый продукт.

Хотя способ Леблана был в свое время величайшим достижением техники, он имел недостатки. Кальцинированная сода, полученная этим способом, была дорогой и низкого качества, кроме того, было громоздким аппаратурное оформление процесса. Это обусловило поиски более экономичного способа получения соды.

С середины XIX в. с появлением более совершенного — а м м и ­

аммиачный способ получения соды является основным методом про­ изводства кальцинированной соды.

112

§ 33. Аммиачный способ получения кальцинированной соды

Сырьем для производства кальцинированной соды аммиачным спо­ собом служит поваренная соль NaCl в виде насыщенного водного раст­ вора (рассола) и известняк, или мел, СаС03. В качестве вспомогатель­ ного вещества применяют аммиак (отсюда название способа).

Сразу превратить NaCl в соду Na2 C03 невозможно, так как в хло­ ристом натрии нельзя заместить непосредственно ион сильной соляной кислоты на ион слабой угольной кислоты. Поэтому соду получают через промежуточное соединение.

Поваренная соль перерабатывается на соду путем реакции обмена, происходящей в водном растворе между двумя солями. Как известно, при этом образуются две новые соли. Эта реакция может служить удобным способом получения солей, если одна из образующихся солей мало растворима в воде и может быть выделена из раствора в виде твер­ дого осадка.

Сода Na2 C 03 хорошо растворима в воде. Подобрать продукты так, чтобы вторая образующаяся соль была нерастворима, довольно трудно. Поэтому получение соды ведут не прямым путем, а через бикарбонат натрия NaHC03, который в отличие от углекислого натрия Na2 C 03 относительно мало растворим в воде. Его растворимость еще более понижается в присутствии NaCl.

Углекислый аммоний не изготовляется отдельно, а получается во время самого процесса насыщением соляного раствора сначала аммиа­

Реакция получения бикарбоната натрия (IX, 3) обратима, поэтому она не доходиД до конца. Невозможно всю поваренную соль превратить в бикарбонат. Процент превращения поваренной соли в бикарбонат зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ и составляет в заводских условиях 70—75%.

Полученный бикарбонат натрия имеет малую растворимость и поэтому выделяется из раствора в кристаллическом виде. Кристаллы NaHC03 отделяют от раствора фильтрацией. Полученный бикарбонат натрия превращают прокаливанием при высокой температуре в кар­ бонат:

Этотпроцесс называется к а л ь ц и н а ц и е й .

113

Таким образом, для получения кальцинированной соды необходи­ мо осуществить следующие операции: получить бикарбонат натрия путем насыщения раствора поваренной соли аммиаком и углекислым газом; полученный кристаллический бикарбонат натрия отделить от раствора и перевести нагреванием в карбонат.

Получение бикарбоната и карбоната натрия является основным процессом в содовом производстве. Наряду с ним проводят и ряд вспо­ могательных процессов, к которым относится получение аммиака и углекислого газа, необходимых для превращения раствора пова­ ренной соли в соду.

Углекислый газ получают обжигом известняка или мела:

которая также находит применение в содовом производстве.) Выде­ лившийся углекислый газ направляют на карбонизацию соляного раствора. Для карбонизации применяют, кроме того, углекислый газ, выделившийся при кальцинации.

Аммиак получают обработкой раствора хлористого аммония NH4 C1. Хлористый аммоний образуется при получении бикарбоната натрия по реакции (IX, 3) и остается в растворе после отделения кристал­ лического бикарбоната натрия. Раствор нагревают с известковым молоком (гашеной известью Са(ОН)2, смешанной с водой). Хлористый аммоний разрушается, и из раствора выделяется свободный аммиак:

2NH4 C1 -f- Са (ОН) 2 = 2NH3 + СаС12 + 2Н20 (IX, 7)

Необходимую для этой реакции гашеную известь получают при дейст­ вии на обожженную известь СаО (продукт обжига известняка) водой:

СаО -f Н20 = Са (ОН) 2 (IX, 8 )

При разложении хлористого аммония (IX, 7) выделяется аммиак, который был затрачен при получении бикарбоната натрия и превра­ тился в NH4 C1 по реакции (IX, 3). Как известно, такие процессы, когда использованный реагент выделяют в первоначальном виде, на­ зываются р е г е н е р а ц и е й (восстановлением). Полученный ре­ генерацией аммиак вновь направляется на насыщение соляного раст­ вора (аммонизацию), т. е. аммиак совершает в производстве цикл — он вступает в реакцию с поваренной солью, углекислым газом и водой, давая при этом хлористый аммоний [реакции (IX-3), (IX-4)], а затем выделяется при разрушении хлористого аммония, чтобы снова всту­ пить в реакцию. Поэтому количество аммиака во время всего процес­ са производства должно оставаться постоянным. Однако вследствие несовершенства аппаратуры и других причин незначительная часть аммиака теряется. Эта потеря компенсируется добавлением свежего ам­ миака.

Все описанные выше операции, сведенные вместе, представлены в табл. 14. На рис. 46 показана принципиальная схема производства кальцинированной соды по аммиачному способу.

.114

Сода

115

Раствор

Рис. 46. Схема производства кальцинированной соды:

/ —известково-обжигательная печь, 2 — гаситель, 3 —дистиллядионная колонна, 4 — абсорбционная колонна, 5 — карбонизационная колонна, 6 — вакуум-фильтр, 7 —- барабанная печь

116

ство реактивов — суспензии соды в очищенном рассоле и извест­ кового молока. Этот способ очистки называется с о д о в о - и з в е с т ­ к о в ы м . Выпавшие при этом осадки гидрата окиси магния Mg(OH) 2 и карбоната кальция СаС03 отделяются в отстойнике.

щения рассола аммиаком (абсорбция), поступающим из дистилляци-

Жидкость

\

Жидкость

Ж иВкост ь

Рис. 48. Принцип устройства и работы одно- и многоколпаЧковых тарелок

онной колонны 3. Абсорбционная колонна (абсорбер) представляет собой колонну барботажного типа. Так называют колонны, в которых происходит процесс поглощения газов жидкостью при пробулькивании (барботировании) пузырьков газа через слой жидкости. При этом применяют различные устройства, разбивающие струю на мелкие пузырьки и увеличивающие поверхность соприкосновения газообраз­ ных продуктов с жидкостью. Колонна для абсорбции аммиака состоит из нескольких отдельных чугунных цилиндров (бочек) диаметром 2 , 8 м, снабженных колпачковыми тарелками. Общая высота колонны около

30м.

Принцип устройства и работы одно- и многоколпачковых тарелок

показан на рис. 48. В колонне рассол непрерывно движется сверху вниз, переливаясь из одного цилиндра в другой по переточным труб­ кам, а снизу вверх навстречу стекающему рассолу поднимается, пробулькивая из-под колпачков, газ, содержащий аммиак.

Полученный аммиачно-соляной рассол далее направляется в барботажную карбонизационную колонну 5 (см. рис. 46), где происходит основная реакция (IX, 3) превращения исходного сырья в бикарбо­ нат натрия NaHC03 и NH4 C1. Необходимая для этой цели углекисло­ та подается из шахтной печи для обжига известняка 1 и из печи

117

ка СаС03 на углекислоту С 02 и обожженную известь СаО идет с зат­ ратой тепла (процесс эндотермический). Поэтому сверху в печь одно­ временно с известняком подают уголь или кокс, а снизу — воздух. За счет тепла горения твердого топлива в шахтной печи развивается

углекислоты, после промывки водой направляют в карбонизацион­ ную колонну 5. Полученную в печи 1 обожженную известь гасят водой в гасителе — вращающемся барабане 2. Приготовленное в аппарате с мешалкой известковое молоко концентрации 270—308 г/л после фильтрования крупных частиц взвесей подается для выделения аммиа ка из фильтровой жидкости в дистиллер 3.

Из дистилляционной колонны 3 выводится оставшийся после вы­ деления аммиака раствор хлористого кальция СаС12, содержащий NaCl. Это отход содового производства. Его направляют в шламовые бас­ сейны (белые моря), расположенные за пределами завода. Этот отход до настоящего времени не нашел еще применения, и вопрос о его ис­ пользовании нуждается в разрешении.

§ 34. Получение бикарбоната натрия

и т. д. К ней предъявляют высокие требования в отношении чистоты. Готовится двууглекислая сода главным образом из промежуточного продукта содового производства — сырого бикарбоната натрия, по­ лучаемого в вакуум-фильтрах. Сырой бикарбонат размешивают в воде, при этом получают взвесь — пульпу (бикарбонат трудно растворим в воде). Через пульпу пропускают водяной пар, под действием которого происходит разложение бикарбоната:

2Na НС03 = Na2 C03 + С02 + Н20 (IX, 9)

Полученный таким образом раствор соды подвергают карбониза­

Образующийся чистый бикарбонат натрия отфильтровывают, сушат, упаковывают в тару в сухих помещениях. Он должен содержать не менее 98,5% ЫаНСОз, не более 1,0—1,2% Na2 C 03, 0,05% NaCl и 1,0% Н2 0 , не содержать мышьяка, солей аммония и тяжелых ме­ таллов.

§ 35. Основные направления развития содового производства

Развитие производства и потребления кальцинированной соды в нашей стране будет возрастать с каждым годом, что, несомненно, приведет к изменениям как в технологическом процессе, так и в его аппаратурном оформлении. Несмотря на то, что аммиачный способ

119