5. Основные технологические стадии в производстве кальцинированной соды аммиачным способом (20 б.).

Основные виды сырья: рассол (раствор NaCl), NH₃, CaCO₃ и топливо (уголь).

Технологические стадии:

1. очистка рассола;

2. обжиг известняка;

3. подготовка известкового молока;

4. аммонизация рассола;

5. карбонизация аммонизированного рассола;

6. фильтрация бикарбоната натрия;

7. регенерация NH₃;

8. кальцинация бикарбоната натрия с образованием кальцинированной соды.

Очистка рассола

Основные примеси рассола – соединения Ca и Mg. Очистка идёт известковым способом:

CaCl₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaCl

MgCl₂+Ca(OH)₂=Mg(OH)₂↓+CaCl₂

Обжиг известняка

CO₂ и CaO получают в результате обжига известняка:

CaCO₃↔CaO+CO₂↑ -158,7 кДж

Необходимое тепло выделяется в ходе сгорания топлива (уголь, антрацит) при воздушном дутье. Интервал температур: 950 – 1150°C. Концентрация CO₂ в газе 37 – 39%_об.

Подготовка известкового молока

Изв. молоко – это суспензия окида/гидроксида кальция в воде:

2CaO+nH₂O→CaO+Ca(OH)₂+(n-1)H₂O +Q

Температура процесса: 80 – 90°C.

Аммонизация рассола и карбонизация аммонизированного рассола

Смысл аммонизации: растворимость CO₂ в растворах NaCl очень низка, поэтому для того, чтобы удержать его в системе, нужно связать CO₂ химическим способом.

Для насыщения рассола используют парогазовую смесь: NH₃ – H₂O – CO₂. Температура не менее 58°C, иначе будет кристаллизоваться (NH₄)₂CO₃.

В системе протекают следующие последовательно-параллельные реакции:

NH₃+H₂O+CO₂ → NH₄HCO₃

2NH₃+H₂O+CO₂ → (NH₄)₂CO₃

2NH₃+ CO₂ → NH₂COONH₄

Процесс абсорбции NH₃ и CO₂ протекает совместно на стадии №4, но NaCl при этом не участвует. Образующийся карбамат натрия NH₂COONH₄ гидролизуется:

NH₂COONH₄+H₂O ↔ NH₄HCO₃+NH₃

Взаимодействие NH₄HCO₃ с рассолом протекает по реакции:

NH₄HCO₃+NaCl ↔ NaHCO₃↓+NH₄Cl

Суммарная реакция 4 и 5 стадий имеет вид:

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O ↔ NaHCO₃↓+NH₄Cl

Фильтрация бикарбоната натрия

Для фильтрования NaHCO₃ используются вакуум-фильтры различных конструкций. Температура не выше 45°C, иначе реакция образования NaHCO₃ пойдёт в обратном направлении.

Регенерация NH₃

На этой стадии происходит полное отделение NH₃ – CO₂ – H₂O_пар и возврат этой парогазовой смеси на аммонизацию (t°=95 – 98°C):

2NH₄Cl+Ca(OH)₂ ↔ 2NH₃+CaCl₂↓+H₂O

CaCl₂ является твёрдым отходов с малым применением в хозяйстве.

Кальцинация бикарбоната натрия

Итоговая стадия – термическое разложение гидрокарбоната натрия при t°=140 – 160°C:

2NaHCO₃ ↔ Na₂CO₃+CO₂+H₂O -Q

Т.к. NaHCO₃ после фильтрования влажен, это усложняет процесс кальцинации из-за налипания продукта на стенки кальцинатора (вызывая её локальный перегрев). Для устранения этого явления используют ретур, добавляя сухой Na₂CO₃, при этом образуется новая твёрдая фаза – трона: Na₂CO₃•NaHCO₃•2H₂O.

В итоге влага переходит в кристаллизационную форму, продукт становится сыпучим и разлагается при 127°C:

3(Na₂CO₃•NaHCO₃•2H₂O) → Na₂CO₃•3NaHCO₃+2Na₂CO₃+6H₂O

2(Na₂CO₃•3NaHCO₃) → 5Na₂CO₃+3CO₂↑+3H₂O

Отходящий газ промывается в абсорбере и охлаждается. Затем CO₂ с кальцинации направляют на карбонизацию аммонизированного рассола (стадия №5).