3.1 Улучшение натриевой эффективности процесса

На этой основе можно визуализировать выход натрия в процессе в зависимости от места, в котором дозируется дополнительно аммонизированный рассол (рисунок 3.1). Для этого необходимо определить термин выход соды в процессе.

Рисунок 3.1 - Выход карбонизации и место дозирования ААB (№ бочки)

Как видно из реакции (3.1), количество образующегося в содовом процессе NaHCO₃ эквивалентно количеству образующегося NH₄Cl. Однако часть образующегося NaHCO₃, определяемая произведением растворимости в данных условиях, находится в растворе. Таким образом, количество осажденного NaHCO ₃ в виде осадка будет:

NaHCO_3(т) = NH₄Cl – NaHCO_3(водн) (3.1)

Известно, что:

щелочность = NaHCO_{3 (водн.)} + NH₄HCO₃ (3.2)

и

NH_{3 (общий)} = NH₄Cl + NH₄HCO₃ (3.3)

поэтому:

NaHCO _{3 (s)} = NH _{3 (общий)} – щелочность (3.4)

Для расчета эффективности процесса карбонизации по ионам Na ⁺ необходимо определить отношение ионов Na⁺, связанных в виде NaHCO3, присутствующих в осадке, к общему количеству ионов натрия, введенных в процесс в виде NaCl. Поэтому эффективность процесса карбонизации рассчитывали по формуле:

(3.5)

Как видно из результатов и расчетов, дополнительный поток ААБ следует направлять в ту часть реактора, где концентрация промежуточного продукта – карбамата аммония минимальна или быстро достигает равновесия. Такая ситуация возникает в верхней части колонны карбонизации. Здесь синтез ионов карбамата происходит с высокой скоростью, и, следовательно, движущая сила процесса кристаллизации несколько ниже.  Концентрация карбамата аммония при равновесии увеличивалась в верхней части колонны. Более высокие значения концентрации NH ₂COONH₄ сохраняются до четвертого холодильника. Ниже этого значения концентрация карбамата аммония достигает значений испытаний, проведенных без дозирования дополнительного потока ААB.

При интерпретации результатов испытаний заводского технологического процесса и его модификаций также установлено, что повышение концентрации аммиака необходимо, когда температура на выходе из колонны карбонизации выше, чем в типовом технологическом процессе. Отсюда следует, что снижение эффективности процесса при повышении температуры на выходе из колонны можно предотвратить, если увеличить количество аммиака в контуре. Это второй положительный аспект дозирования дополнительного количества дополнительно аммонизированного рассола. Это также сводит к минимуму потребление энергии, например, для охлаждения колонны во время летней работы [28]. 

На рисунке представлены сводные данные, а на рис. 6 представлены значения параметров процесса для колонны карбонизации, измеренные на выходе из колонны при дозировании ААB и без дозирования ААB. Как показано на рисунке 6, во всех представленных случаях выход содового процесса был выше при дозировании ААB.

Рисунок 3.2 – Отдельные результаты с дозированием ААB и без него в колонне карбонизации

Рисунок 3.3 – W_Na с добавлением и без добавления ААB к В10

Концентрация ионов хлора в процессе карбонизации увеличивается по ходу колонны карбонизации, что связано с десорбцией воды из системы и последующим концентрированием раствора карбонизации. При дозировании дополнительного потока дополнительно аммонизированного рассола объем раствора увеличивают за счет увеличения концентрации аммиака. Следствием этого является уменьшение растворимости NaCl, и для сохранения этого значения необходимо увеличивать степень поглощения СО₂. В условиях эксплуатации установки насыщение раствора хлоридом натрия невозможно. Следовательно эффективность процесса увеличивается.

Следует отметить, что повышение эффективности происходит за счет увеличения концентрации общего аммиака и снижения концентрации ионов хлора в процессе [29]. 

Повышенное общее содержание аммиака имеет еще одно важное последствие. При увеличении концентрации аммиака и желании сохранить параметры процесса, особенно без изменения растворимости хлорида натрия, необходимо увеличить концентрацию диоксида углерода в растворе. При дозировании ААB в колонну карбонизации растворимость СО₂ в растворе увеличивается, что в первую очередь проявляется в повышении степени карбонизации раствора. Поглощая большее количество СО₂ из газа, подаваемого в реактор, мы уменьшаем количество потерь СО₂ в содовом процессе, что является одним из основных экологических эффектов изменений, внесенных при дозировании дополнительных ААB. 

Для контроля концентрации CO₂ и NH₃ в промышленной установке на выходе газов из колонны был установлен газоанализатор Ultramat 23 фирмы SIEMENS K3-374. Автоматизация отбора проб, сушки и применение ИК-анализа позволили измерить концентрацию СО₂ и NH₃ в отработавших газах. Анализатор калибруется по двум точкам: чистым азотом и смесью 20% СО ₂ в азоте [30].

Положительный экспериментальный результат был также обнаружен при анализе производительности колонны карбонизации. В ходе испытаний без дозирования ААB (нормальная работа реактора) была определена средняя производительность, которая составила 11,91 Мг NaHCO ₃ *ч ^-1, 285,80 Мг*д ^-1, 690,68 Мг*цикл^-1. В ходе испытания с дозированием дополнительно аммонизированного рассола анализируемая производительность составила: 13,27 Мг NaHCO ₃*ч ^-1, 318,40 Мг*д ^-1, 769,47 Мг*цикл ^-1. Несколько факторов влияют на производительность колонны карбонизации.

Рисунок 3.4 – Производительность реактора с дозированием ААБ и без него

Эффективность и скорость процесса карбонизации являются основными факторами, напрямую влияющими на производительность. Эффективность процесса карбонизации повышается за счет увеличения скорости карбонизации, а скорость процесса может быть увеличена за счет лучших параметров охлаждения. То есть колонну карбонизации не нужно охлаждать до такой низкой температуры, чтобы поддерживать адекватный выход соды во время процесса.