Физико-химические основы производства Na2CO3

Сода гигроскопична, при хранении на воздухе поглощает диоксид углерода и слеживается.

В настоящее время в мире производство кальцинированной соды базируется на четырех основных способах: аммиачном, из природной соды, комплексной переработкой нефелинов, карбонизацией гидроксида натрия [1, 2].

Карбонизация гидроксида натрия как промышленный способ получения кальцинированной соды получила некоторое распространение в конце 60-х–начале 70-х годов. В настоящее время во всем мире действует лишь несколько небольших установок по получению соды с использованием этого способа, и доля его в мировом производстве кальцинированной соды составляет около 1 % [2].

Процесс переработки нефелинов с получением глинозема, кальцинированной соды, поташа и цемента на основе апатит-нефелиновых месторождений, а также нефелиновых руд – третий по значимости из промышленных способов получения соды [1–3, 5–7].

Вторым по значимости способом, по которому получают соду, является получение соды из природного содосодержащего сырья. Особенно этот способ получил распространение за рубежом, в США, после того, как там были открыты залежи троны (Na2CO3–NaHCO3–2H2O). С 1977 года в США для производства соды используют также рапу озера Сиэрлз (Калифорния).

Недавно в США были открыты новые богатейшие залежи природной соды - нахколита (NaHCO3) и даусонита (NaАl(ОН)2СО3). Источники природной соды, но несравненно меньше чем в США имеют и другие страны: Бельгия, Бразилия, Индия, Китай, Турция, Канада, ЮАР. В 1990–1993 годах долю соды, получаемой из природного содосодержащего сырья в мировой практике можно оценить в 32,1 % [2].

Аммиачный способ получения соды продолжает оставаться основным и на сегодняшний день. По состоянию на 1993 год его доля в производстве карбоната натрия составила около 65 %.

Следует упомянуть о разновидности аммиачного способа, который основан на замене аммиака органическими соединениями – алифатическими аминами. Однако этот способ на сегодняшний день не получил достаточного широкого распространения [7] и на Украине не применяется.

Украина имеет лишь незначительные запасы нефелиновых руд, и не обладает природными запасами, содержащими соду. Поэтому на сегодняшний день единственным способом, по которому производят соду на Украине, является аммиачный способ. Рассмотрим аммиачный способ более подробно.

В общем виде для любых химико-технологических систем химизм основных стадий аммиачно-содового процесса можно представить в виде следующих уравнений [1–3, 5–6]:

(1.1)

CaO + H2O = Ca(OH)2(1.2)

(1.3)

2NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2NH3 +2H2O(1.4)

2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2(1.5)

На содовых заводах гидрокарбонат аммония получают из аммиака и углекислого газа, растворяя их в водных растворах NaCl (уравнение 1.3). Это уравнение характеризует только конечный результат взаимодействия хлорида натрия и гидрокарбоната аммония. В действительности процесс карбонизации протекает гораздо сложнее.

Так как диоксид углерода плохо растворяется в воде в отсутствие аммиака, то на первой стадии сначала раствор хлорида натрия насыщают аммиаком, а потом аммонизированный рассол насыщают диоксидом углерода. Процесс насыщения раствора хлорида натрия аммиаком и диоксидом углерода проводят при сравнительно низких температурах, что обеспечивает протекание реакции слева на право.

На первом стадии карбонизации большая часть диоксида углерода связывается в карбомат аммония:

,

который затем гидролизуется

с образованием пересыщенного по НСО3– раствора. Затем из пересыщенного раствора кристаллизуется гидрокарбонат натрия, образующийся по реакции:

Кристаллизация гидрокарбоната натрия подчиняется общим закономерностям и зависит, прежде всего, от температуры, пересыщения и скорости перемешивания раствора. Необходимо отметить, приведенная схема только условно отображает процесс.

Процесс насыщения аммонизированного рассола диоксидом углерода является экзотермическим. Поэтому выделяющееся тепло необходимо отвести, чтобы обеспечить требуемые степени карбонизации раствора и утилизации натрия.

Наиболее простое кинетическое уравнение процесса карбонизации имеет вид:

где – количество диоксида углерода, поглощенного в единицу времени единицей поверхности раствора, моль/м3;