1.2 Процесс карбонизации

Карбонизацию аммиачного рассола проводят в башенном аппарате, называемом колонной карбонизации. Именно там аммиачный раствор насыщается в противотоке углекислым газом, подаваемым снизу колонны. Химические превращения, происходящие в колонне карбонизации, можно обобщить в виде уравнения (1.7), в котором равновесие значительно смещено влево:

NaCl + СО₃ ⇄ NaHCO₃+ 4NaCl+ СО₃^-­ ⇄ NaHCO₃ (1.7)

Этот процесс может показаться достаточно простым, но при рассмотрении его отдельных аспектов и сложности можно прийти к выводу, что это очень сложный процесс, требующий знания вопросов, связанных с абсорбцией, растворимостью и кристаллизацией. Все обсуждаемые превращения в реакторе происходят в трех агрегатных состояниях.

Рассматривая кинетику процесса абсорбции, следует обратить внимание на образование карбамат-ионов, учитывая равновесие в системе NH ₃-CO ₂-H ₂O. Анализ такой системы приводит к выводу, что при повышенной температуре (323–333 К) в исследуемой системе преобладают ионы карбамата, особенно когда концентрация NH ₃ в растворе выше концентрации СО ₂ [1, 2]. Реакции образования ионов карбамата можно представить следующим образом:

CO₂ + 2NH₃ ⇄ NH₂COO^- + H⁺ (1.8)

Следовательно, роль ионов карбамата можно представить следующим образом:

NH₂COONH₄ ⇄ 2NH₃ +CO₂ (1.9)

NH₃ + H⁺ ⇄ NH₄⁺ (1.10)

CO₂ + OH⁻ ⇄ HCO₃⁻ (1.11)

В результате можно сделать вывод, что ионы карбамата выступают в роли переносчика СО₂ из газовой фазы в раствор и, таким образом, обуславливают образование ионов НСО₃^-. В момент осаждения NaHCO₃ также можно предположить, что переносчик СО ₂ в раствор встречается с комплексом NH₃CO₂, который затем разлагается, давая карбамат-ион или бикарбонат натрия.

Следующим шагом в процессе является получение соответствующего пересыщения и кристаллизация NaHCO₃. Степень пересыщения играет решающую роль в процессе кристаллизации и зависит от нескольких факторов.

Для модификации проведения процесса карбонизации за счет увеличения количества аммиака в реакционном растворе необходимо было проанализировать степень пересыщения в начале процесса кристаллизации. Поток ААB должен быть доведен до точки в колонне карбонизации, где отношение NH₃ к CO₂ является неблагоприятным. Необходимо было проанализировать многие параметры работы колонны и провести ряд равновесных и неравновесных аналитических исследований процесса карбонизации; это требовало большого количества расчетов. Это определение позволит умело дозировать дополнительный аммиак в колонну карбонизации, когда в процессе карбонизации возникает дефицит аммиака по сравнению с диоксидом углерода. 

Для выбора места дозирования реактора и количества дополнительно дозируемого аммиака необходимо определить неравновесные и равновесные условия в разных частях колонны карбонизации и определить изменение концентрации ионов вдоль колонны карбонизации. Для корректного выполнения расчетов неравновесного состояния, необходимо использовать определенный математический аппарат и методику математического расчета параметров процесса, все это представлено в разделе математических зависимостей. Описание испытаний представлено в разделе, посвященном эксплуатационным испытаниям колонны карбонизации.