Лекция 1 Производство кальцинированной соды
Тема 1.1 Общие сведения о содовых продуктах
Под общим названием «сода» промышленность производит ряд продуктов. Сода – это общее название технических натриевых солей угольной кислоты.
К ним относят:
· кальцинированная сода Na2CO3 (карбонат натрия);
· пищевая сода NaHCO3 (очищенный гидрокарбонат натрия);
· кристаллическая сода Na2CO3∙10H2O (декагидрат) и Na2CO3 H2O (моногидрат);
· каустическая сода NaOH (гидроксид натрия, каустик);
· щелок;
· поташ.
Важнейшими из них являются кальцинированная сода, пищевая и каустическая сода.
Формы существования, свойства и применение кальцинированной соды
Карбонат натрия – бесцветный кристаллы с температурой плавления 858°С, гигроскопичен. Растворим в воде, причем с повышением температуры растворимость увеличивается. При растворении соды в воде выделяется тепло. Водные растворы карбоната натрия имеют сильнощелочную среду.
Химические свойства
- с водой образует кристаллогидраты;
- на воздухе поглощает углекислый газ и воду, превращаясь частично в гидрокарбонат;
- гидролизуется, вследствие чего растворы имеют щелочную реакцию;
- взаимодействует с гидроксидом кальция;
- взаимодействует с кислотой.
Нахождение в природе
Карбонат натрия в природе находится в виде следующих соединений:
- трона Na2CO3 NaНCO3∙2Н2О (полуторная сода);
- натрона Na2CO3 10Н2О (декагидрокарбонат натрия);
- термотрона Na2CO3 Н2О (моногидрат).
Углекислая сода (карбонат натрия) была известна в глубокой древности. Ее использовали в стеклоделии и в качестве моющего средства. В настоящее время кальцинированная сода широко применяется во многих отраслях промышленности и для бытовых нужд. Основным потребителем является черная и цветная металлургия, пищевая, нефтяная, текстильная и целлюлозно-бумажная промышленности. Применяется в процессе получения мыла, для обработки бокситов в производстве алюминия, для нейтрализации кислых компонентов при очистке нефтепродуктов и для получения пигментов.
Гидрокарбонат (пищевая сода, натрий двууглекислый, двуугленатриевая соль) – бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяют в качестве источника CO2 в процессе выпечки хлеба и кондитерских изделий, безалкогольных напитков, искусственных минеральных вод, в качестве лекарственных средств. Является компонентом огнетушащих составов.
Трона. Получают путем кристаллизации из смеси горячих растворов карбоната и гидрокарбоната натрия. В процессе охлаждения кристаллизуется в форме тонких блестящих игл. Трона очень устойчива, не гигроскопична и не слеживается. Хорошо растворяется в воде без выделения и без поглощения теплоты.
Деканидрокарбонат натрия входит в состав стиральных порошков, применяемых в прачечных и при чистке шерсти.
Щелок (Na2CO3, NaOH, К2CO3) – это наименование было присвоено продуктам, получаемым путем выщелачивания древесной золы. Она содержит около 70% К2CO3 (поташа), используемого для изготовления мыла и стекла. Путем обработки гашеной известью карбонат натрия превращается в каустическую соду, которая применяется для бытовых и промышленных целей.
Поташ. В промышленности, главным образом, называют карбонат калия, в сельском хозяйстве это название охватывает все воли калия, идущие на изготовление удобрений (в основном, хлорид калия с примесью сульфата калия). Это важный компонент специальных стекол (оптических, лабораторных), используется в производстве солей калия, красителей, чернил.
Сырье для производства кальцинированной соды
Сырьем для получения соды могут быть природные вещества, содержащие натрий и диоксид углерода. Кроме того, применяют ряд вспомогательных материалов – аммиак, топливо, воду и пар.
Хлорид натрия (поваренная соль)
Широко распространена в природе как в твердом виде, так и в виде растворов. Наиболее богатое Верхнекамское месторождение характеризуется залежами сильвинита. Здесь организовано крупное производство KCl, отход этого производства, содержащий в сухом виде до 97% NaCl, 1% KCl и примеси солей кальция и магния, используют для производства соды.
В аммиачном способе производства соды применяют не твердую соль, а рассол, так как добыча рассола путем выщелачивания соли водой значительно дешевле добычи твердой соли шахтным методом. Получаемый рассол должен иметь по возможности высокую концентрацию NaCl. Различают искусственные и естественные рассолы. Первые получают путем подземного выщелачивания соли водой, специально подаваемой в зону расположения соляного пласта через скважины. Вторые – в результате растворения пластов каменной соли подпочвенными водами.
Карбонатное сырье
Для получения извести и диоксида углерода на содовых заводах применяют известняк или мел, называемые карбонатным сырьем. Более предпочтительным является известняк. Добыча ведется методом открытых разработок. Недостатком мела является его пористая порода, он легко впитывает влагу, нарушающая нормальный ход обжига его в известковых печах.
Аммиак
Аммиак в производстве соды аммиачным методом совершает замкнутый цикл. После регенерации в отделении дистилляции он возвращается обратно на начальную стадию. Свойства аммиака и его солей играют важную роль в соловом производстве. При обычных условиях аммиак является бесцветным остро пахнущим газом. Аммиак хорошо растворим в воде и рассоле. При этом плотность раствора понижается, а объем его увеличивается. Растворимость аммиака увеличивается с понижением температуры и повышением давления.
Топливо
Для обжига карбонатного сырья в качестве топлива применяют в основном кокс, вполне достаточно кокс второго сорта.
Вода
На содовых заводах воду расходуют для охлаждения жидкостей и газов. Качество воды характеризуется содержанием растворенных в ней солей и газов. Особое внимание уделяется «солям жесткости», то есть солям кальция и магния, которые содержаться в природных наземных и подземных источниках воды.
Различают временную и постоянную жесткость воды. Первая обусловлена растворенными в воде бикарбонатами кальция и магния, которые при нагревании воды до температуры кипения разлагаются с выделением в осадок углекислых солей. Соли постоянной жесткости при нагревании из воды не удаляются. Они выделяются в осадок при испарении воды, образуя на стенках аппаратов трудно удаляемую плотную накипь. В котельных установках недопустимы ни первый, ни второй тип жесткости. Поэтому водой для них предварительно очищают от солей кальция и магния химическим способом на специальных установках.
Водяной пар
Для получения пара воду нагревают до температуры кипения, которая зависит от давления получаемого пара. При р=760 мм.рт.ст чистая вода кипит при Т=100°С. При увеличении давления температура кипения увеличивается. В присутствии кипящей воды каждому давлению соответствует определенная температура пара – насыщенный пар. Если насыщенный пар нагреть в отсутствии воды, то получится перегретый пар. Если пар соприкасается с жидкостью, такое нагревание называется нагреванием острым паром, а если передача тепла осуществляется через стенку – нагреванием глухим паром. При передаче пара по трубопроводам используют перегретый пар, который при охлаждении не конденсируется в трубопроводах и не теряет тепла конденсации. А где используется теплота конденсации, применяют насыщенный пар.