Химия и химические технологии/5.Фундаментальные

проблемы создания новых материалов и технологий

Кузенко Ю.Н., Михайлова Е.Н., д.т.н. Панасенко В.А.

Харьковский научно-исследовательский институт основной химии «НИОХИМ», Украина

Особенности расчета составов реальных циклических процессов в схеме совместного производства гидрокарбоната натрия и хлорида аммония.

В классическом способе производства соды (способ Сольве) образуется большое количество отбросной дистиллерной жидкости, потери NaCl достигают 30%. Хотя за последнее время сделаны многие усовершенствования этого способа в различных странах, но его основные недостатки остались.

Разработана технологическая схема совместного производства гидрокарбоната натрия и хлорида аммония в замкнутом цикле, отличающаяся высокими коэффициентами использования сырья и значительным снижением затрат энергии. Элементы процесса можно разделить на основные, определяющие его общую структуру и дополнительные, уточняющие состав и величины материальных потоков с учетом характеристик работы отдельных стадий. Для циклического процесса производства соды и нашатыря основными элементами являются технологический цикл получения гидрокарбоната натрия и хлорида аммония. Дополнительными элементами процесса являются: выделение влажного осадка хлорида аммония, выделение и промывка влажного осадка гидрокарбоната натрия, кристаллизация хлорида аммония, карбонизация нашатырного маточного раствора (ввод воды со сжатыми газами, вывод воды и аммиака с выходящим газом). Все эти элементы, включая кристаллизацию, если она осуществляется в результате охлаждения через поверхность или испарительного охлаждения под вакуумом с удалением аммиака из конденсата путем обмена с бикарбонатным маточным раствором, не оказывают определяющего влияния на показатели и структуру процесса в целом.

Математическое описание технологического процесса упрощается, если учитывать ряд практических условий осуществления процесса. Так, ввиду технической трудности дозировки твердой поваренной соли и возможного при этом загрязнения раствора, желательно ограничиться одним вводом NaCl в цикл – в аммонизированный или дополнительно карбонизированный бикарбонатный маточник. Учитывая также, что дополнительный ввод аммиака в нашатырный маточник не приводит, как правило, к повышению выхода продукта, целесообразным может быть лишь двукратный в оба полуцикла ввод диоксида углерода. Кроме того, содержание СО₂ в газовой фазе приблизительно постоянно и, несмотря на неравновесность процесса, раствор можно принять равновесным с содержанием СО₂ в газовой фазе, составляющем некоторую долю от фактического.

C целью разработки теоретических основ технологической схемы были проведены физико-химические исследования процесса совместного производства гидрокарбоната натрия и хлорида аммония. Разработана методика расчета состава и величины материальных потоков. Рассчитаны характеристики различных вариантов технологических циклов. Для сравнительной оценки и определения особенностей различных вариантов процесса нами был проведен анализ его идеальной формы: процесса с вводом и выводом чистых компонентов. Результаты исследований показали близость расчетных и фактических характеристик.

Ввиду неизбежных колебаний показателей режима процесса (температуры, содержания /NH₃/ и /Сl^-/ в растворе) нельзя рассчитывать цикл, исходя из условия точного соответствия состава бикарбонатного маточного раствора точке насыщения солями NH₄HCO₃, NH₄Cl и NaHCO₃ или линиям насыщения NaHCО₃, NH₄HCO₃ и NaHCО₃, NH₄Cl, из-за возможного загрязнения сырого гидрокарбоната натрия примесями NH₄Cl или NH₄HCO₃. Поэтому в качестве линий, которые ограничивают рабочую область состава растворов, насыщенных NaHCО₃, принимаем линии, для которых массовая доля /Сl^-/ на 6% меньше, чем на линии насыщения NaHCО₃, NH₄Cl при /NН₃/_общ = const, и массовая доля /NН₃/_общ на 6 % меньше, чем на линии насыщения NaHCО₃, NH₄HCO₃ при /Сl^-/ = const. Пересечение этих линий образует точку, удаленную от точки насыщения солями NH₄HCO₃, NH₄Cl, NaHCО₃. Это создает достаточную гарантию от загрязнения продукта как вследствие колебаний количества вводимых компонентов NaCl и NНз (±2 %), так и вследствие колебаний температуры (±2,5 °С). При изменении температуры на 5ºС – от 303 до 308 К увеличение массовой доли /Сl^-/ составляет 3%; /NН₃/_общ – 8,4%.

При расчете материальных балансов реальных циклических процессов следует также учесть потоки, не отраженные в схеме идеального цикла. К таким потокам на стадии карбонизации относятся: количество воды, поступающей и выводимой с газами, и количество выдуваемого из колонны аммиака. Первые потоки рассчитываются по величинам фактических удельных объемов сухих газов и их влагосодержанию при условии насыщения парами воды с учетом температуры входящего и выходящего газа. Количество выдуваемого аммиака вычисляется по значениям упругости аммиака над поступающей жидкостью при температуре выходящего газа и удельного объема выходящего газа.

Таким образом, в аммиачно-содовом процессе может быть осуществлен непрерывный циклический процесс с достаточно высоким выходом NaHCО₃ и NH₄Cl при условии тщательного выбора составов конечных растворов и солей, которые добавляются в каждую из двух стадий процесса в соответствии с равновесными состояниями, имеющими место при установленных температурах.

Выполненные физико-химические исследования послужили основой для разработки методики расчета материальных балансов реальных циклических процессов в схеме совместного производства гидрокарбоната натрия и хлорида аммония.