Производство на калцинирана сода

[Mozo]

Производство на калцинирана сода
Калцинираната сода – Na2CO3 – представлява бял, кристален прах с плътност 2533 кг/м3 и температура на топене 852 оС. Насипната плътност на калцинираната сода е 500÷700 кг/м3. Калцинираната сода е хигроскопична, добре се разтваря във вода с отделяне на топлина. При нагряване на разтвора над 32,5 оС разтворимостта и се намалява.
Калцинираната сода се използува широко в много отрасли на химическата промишленост, а също така и за битови нужди. Около 25% от калцинираната сода се използува в химическата промишленост за получаване на NaHCO3, NaOH, други натриеви соли, стъкла, както и при производството на бои и лакове. Основни потребители на Na2CO3 са също черната и цветна металургия, хранителната, целулозно-хартиената, текстилната, нефтопреработвателната и други отрасли на промишлеността.
Калцинираната сода се получава главно но т.нар. амонячен метод, но може да се получи от природна сода или чрез преработка на нефелин (алуминиево-силикатен минерал с обща формула KNa3(AlSiO4)4). При коплексната преработка на нефелина се получава разтвор съдържащ Na2CO3 и K2CO3, използувани за производство на сода и поташ. Последният метод намира все по-голямо приложение.
Практическите основи на амонячния метод са били разработени в края на 19 век от белгийският инженер Солвей. За суровина при производството на калцинирана сода служат варовик или креда (карбонатна суровина), готварска сол във вид на наситен разтвор и амоняк. В различните стадии на производството протичат редица реакции, които се обобщават със сумарното уравнение:

За получаването въглероден диоксид и негасена вар – CaO се използуват варовик или креда. От качеството им зависи в значителна степен нормалната работа на содовия завод. Използуването на варовик се предпочита пред това на кредата, тъй като при увеличаване на влажността на кредата нараства разхода на гориво за изпичането му, а също така и разхода на въздух за изгаряне на горивото. С увеличаване на разхода на въздух се намалява концентрацията на СО2 в газа. Освен това здравината на варовика е по-голяма от тази на кредата.
Готварската сол е широко разпространена в природата както в твърдо състояние, така и като разтвори. При производството на калцинирана сода се използва нe твърда сол, а разтвор (разсол), чиято себестойност е многократно по-ниска. Разтворът трябва да бъде наситен или близко да насищането. На практика се използува разтвор, съдържащ 305-310 г/л NaCl (максималната разтворимост на NaCl е 317 г/л при 15 оС). Увеличението на концентрацията на сол влияе благоприятно на степента на използуването, което води до намаляване на разхода на разсол, амоняк, варовик, както и на намаляване на разхода на вода, пара и електроенергия.
Амонякът при производството на калцинирана сода се намира в затворен цикъл – след регенерация в отделението за дестилация, той се връща обратно в производството. За възстановяване на загубите в цикъла се въвежда амонячна вода (до 25% амоняк). Амонячната вода от коксохимичните заводи съдържа амониев сулфид, който предпазва апаратурата и тръбопроводите от корозия. При използуване на синтетична амонячна вода се добавя Na2S.

Обща схема на производството
Сложният процес на производство на калцинирана сода може да се раздели на няколко етапа (така наречените станции или отделения):
1. Предварително очистване на разсола от соли на калция и магнезия;
2. Абсорбция – насищане на разсола с амоняк и частично с въглероден диоксид и получаването на амонизиран разсол;
3. Карбонизация – насищане на амонизирания разсол с CO2 и получаването на натриев бикарбонат;
4. Филтруване – отделяне на суспензията от бикарбонат от течността;
5. Дестилация – регенерация на амоняка и въглеродния диоксид от филтруваната течност.
6. Калциниране – разлагане на натриевия бикарбонат на натриев карбонат (калцинирана сода), вода и въглероден диоксид
Освен основните процеси, при производството на сода протичат и редица странични процеси, които нямат непосредствено отношение към производството на Na2CO3.
Амонякът се регенерира от амониевия хлорид чрез обработка с варно мляко (Ca(OH)2)

Образуваният аманяк се отдестилира с водна пара и се подава в отделението за абсорбция, а разтвора на калциев двухлорид е страничен продукт на производството.
За получаването на варното мляко е необходима негасена вар (CaO), която в содовите заводи се получава чрез печене на варовик или креда в пещи при температури 1100-1200 оС.
СаСО3 → СаО + СО2
Образуващият се в процеса СО2 се използува в процеса на карбонизация, а СаО се гаси с излишък от вода за получаването на варно мляко.
СаО +Н2О → Са(ОН)2
По този на начин получаването на калцинирана сода по амонячния метод може да се изобрази със следната схема показваща взаимовръзката между отделните стадии на процеса.

Получаване на негасена вар и въглероден диоксид
Както вече отбелязахме СаО и СО2 се получават при печенето на варовика или кредата. При високи температури калциевият карбонат, съдържащ се в карбонатната суровина се разлага по реакцията:

Тази реакция е обратима и ендотермична, следователно за изместване на равновесието надясно е необходимо повишаване на температурата и понижаване на парциалното налягане на СО2. По практически данни максималното парциално налягане при печенето на варовика е 40 кПа. При такова налягане на СО2 разлагането на варовика може да стане само при температура 840 оС. При тези условия обаче вътрешността на частиците остава неразложена. За пълно разлагане температурата трябва да се повиши до 900 оС и това е долната граница на температурния интервал при процеса на печене.
В промишлени условия голямо значение има и скоростта на разлагане на калциевия карбонат, която влияе на продължителността на печене, а оттам и на производителността на пещта. Скоростта на разлагане зависи главно от температурата и силно нараства при повишението и.
За интензификация на процеса и достигане на висока степен на дисоциация на СаСО3 в пещите за изпичане на варовик се поддържа температура 1100-1200 оС. Надвишаването на тази температура е нежелателно, понеже си влошава качеството на варта. Продължителността на процеса на печене зависи също и от размерите на частиците на материала – дребните частици се разлагат по-бързо отколкото едрите. На продължителността на процеса влияе и скоростта на подаване на топлина към материала, условията на разбъркване на продуктите на горене и контактната повърхност. Увеличаването на скоростта на движение и количеството на газовия поток в пещта ускорява процеса на печене, тъй като при това се подобрява разбъркването на продуктите на горене и се подобрява топлообмена.
За получаване на негасена вар с добро качество и газ с високо съдържание на СО2 е необходим правилен подбор на съотношението суровина и гориво. В практиката на содовото производство на печене се подлага суровина с размер на частиците 40÷150 мм, а твърдото гориво има размери - 40÷80 мм (кокс) или 20÷60 мм (антрацит).
Обикновено изпичането на варовика се провежда в шахтови пещи с непрекъснато действие, отличаващи се с висока ефективност. В тях е осъществен противоток между суровинния материал и отходните газове и между готовата продукция и въздухът, подаван за изгаряне на горивото.
При нормална работа на пещта концентрацията на СО2 в газа е 37-40%. За да се избегне непълното изгаряне на горивото се подава известен излишък от въздух, но за получаването на газ с максимално съдържание на СО2 този излишък не трябва да надвишава 5%.
Охлаждането и очистването на газа от едра прах става в оросяван с вода газопровод, а след това в промивател – скрубер. Като промиватели се използуват и пенни апарати с тарелки и апарати от типа тръба на Вентури. Охладеният до 30-35 оС газ се подава за фино очистване от прах в електрофилтър.

Приготвяне на варно мляко
За регенерация на амоняка при производството на калцинирана сода се използува варно мляко. То представлява вискозна суспензия на калциев хидроксид, получена в резултат на гасенето (хидратацията) на варта с излишък на вода по уравнението:

Ако се добави само стехиометрично необходимото за превръщането на СаО в Са(ОН)2 количество вода, образуващата се гасена вар се разпада на фин прах.
Калциевият хидроксид се разтваря слабо във вода (2 г/л), като с увеличаване на температурата разтворимостта намалява. При разтварянето на хидроксида се отделя топлина, чието количество зависи от концентрацията на получения разтвор.
Оптималния режим на приготвяне на варното мляко зависи от много фактори, в това число от температурата и продължителността на печене на варовика в пещта, от структурана на суровината, от съдържащите се примеси, температурата на водата, с която се гаси и др.
При повишаване на температурата на печене се получава вар с по-голяма плътност и понижена активност, което води до увеличаване на продължителността на гасенето и.
Температурата на водата, подавана за гасене, оказва голямо влияние на скоростта и пълнотата на хидратация на СаО. Колкото е по-висока температурата на водата, толкова по-дисперсно е полученото варно мляко и е с по-високо съдържание на Са(ОН)2. В содовите заводи температурата на подаваната вода е 60-80оС.
Най-голямо влияние на продължителността на гасене оказват примесите от гипс (калциев сулфат). За осигуряване на висока интензивност на процеса на приготвяне на варно мляко съдържанието на гипс не трябва да надхвърля 2%.
Времето на гасене на варта обикновено е 20-25 мин.

Целият материал: