Производство важнейших неорганических продуктов и охрана окружающей среды. Каустическая сода

Цех известковой каустической соды, выпускающий твердый едкий натр, имеет три отделения: каустификации, выпарки слабых  щелоков и плавки.

Отделение каустификации. На рис.1, приведена технологическая схема отделения двухступенчатой каустификации. Основной особенностью этой схемы является одновременное проведение реакций кипения навести и каустификации содового раствора в одном аппарате — гасителе-каустификаторе, в котором степень каустификации достигает 75—80%. На гашение извести в гаситель подают  не воду, как обычно, а содовый раствор. Для уменьшения потерь извести в технологической схеме предусматривается дополнительная каустификация образовавшегося в гасителе-каустификаторе шлама, содержащего непрореагировавший СаО.

 

 

Отделение выпарки. Концентрирование полученных слабых щелоков проводят обычно в две стадии. Первая стадия выпарки осуществляется в типовой  прямоточной  трехкорпусной вакуум-выпарной установке.

Выпаривание щелоков проводят с помощью водяного пара с различными параметрами. Так, в приводимой ниже схеме подогреватель и первый по ходу раствора выпарной аппарат обогревают насыщенным водяным паром давлением 980 кПа (10 кгс/см ). Концентрация едкого натра в аппарате возрастает от 130 до 200 г/л. Такой раствор переходит во второй корпус, а из второго в третий, работающий под вакуумом около 80 кПа (600 мм. рт. ст.). Обогрев второго и третьего корпусов осуществляется вторичным паром предыдущего корпуса. Концентрация NаОН на выходе из третьего корпуса составляет 610—660 г/л.

Выделяющиеся при концентрировании раствора NaОН карбонат и сульфат натрия отделяют от раствора в отстойнике средних щелоков. Осветленный раствор направляют в сборник средних щелоков, а шлам — на вакуум-фильтры. Фильтрат возвращается в отстойник средних щелоков, а осадок с фильтра поступает в растворитель солей выпарки и далее на каустификацию.

По другой технологической  схеме осадок после вакуум-фильтра  репульпируют, вновь отфильтровывают, но на центрифуге, а затем подают в растворитель солен выпарки.

Осветленный раствор в  сборнике средних щелоков представляет собой товарный продукт. При выпуске твердого NаОН жидкая каустическая сода поступает на вторую стадию выпарки, где ее концентрация возрастает до 1000—1200 г/л NаОН. На второй стадии выпарки имеется один вакуум-выпарной аппарат, обогреваемый обычно вторичным паром первого корпуса первой стадии выпарки.

В этом корпусе поддерживается вакуум около 80 кПа (600 мм рт. ст.). По мере повышения концентрации NаОН из раствора выделяются дополнительные количества соды. Поэтому раствор после четвертого выпарного аппарата поступает в отстойник «крепких» щелоков. Дальнейшее движение «крепких» щелоков и шлама аналогично приведенному выше для средних щелоков.

На некоторых заводах  выпаривание щелока ведут паром  под давлением 200—300 кПа (2—3 кгс/см2) при соответствующем изменении  движения пара и щелока.

Для выпуска твердого плавленого и чешуированного едкого натра «крепкий щелок», содержащий 1000—1200 г/л NаОН, подвергается дальнейшему обезвоживанию (плавке).

Отделение плавки каустической соды. Плавка едкого натра может осуществляться в одиночных котлах (периодический процесс); в настоящее время этот процесс практически не применяется. Значительно более эффективным способом обезвоживания является непрерывная плавка NаОН в батарее плавильных котлов.

На рис.2 приведена технологическая  схема непрерывной плавки едкого натра в батарее плавильных котлов.

                 

Рис.2. Схема непрерывного обезвоживания и плавки каустической соды в батарее плавильных котлов: 1-6 — подогреватели щелока; 7 — топки; 8 — подогреватели вохдуха; I– IX — плавильные котлы.

 

 

Электролизные методы. Когда концентрированный раствор хлорида натрия подвергается электролизу, образуются хлор и гидроксид натрия, но они реагируют друг с другом с образованием гипохлорита натрия – отбеливающего вещества. Этот продукт, в свою очередь, особенно в кислых растворах при повышенных температурах, окисляется в электролизной камере до перхлората натрия. Чтобы избежать этих нежелательных реакций, электролизный хлор должен быть пространственно отделен от гидроксида натрия.

В большинстве промышленных установок, используемых для получения  электролизной каустической соды, это  осуществляется с помощью диафрагмы, помещенной вблизи анода, на котором  образуется хлор. Существуют установки  двух типов: с погруженной или  непогруженной диафрагмой. Камера установки  с погруженной диафрагмой целиком  заполняется электролитом. Соляной  раствор втекает в анодное  отделение, где из него выделяется хлор, а раствор каустической соды заполняет  катодное отделение. В установке  с непогруженной диафрагмой раствор  каустической соды отводится из катодного  отделения по мере образования, так  что камера оказывается пустой. В  некоторых установках с непогруженной  диафрагмой в пустое катодное отделение  напускается водяной пар, чтобы  облегчить удаление каустической соды и поднять температуру.

В диафрагменных установках получается раствор, содержащий как  каустическую соду, так и соль. Большая  часть соли выкристаллизовывается, когда концентрация каустической соды в растворе доводится до стандартного значения 50%. Такой «стандартный»  электролизный раствор содержит 1% хлорида натрия. Продукт электролиза  пригоден для многих применений, например для производства мыла и чистящих препаратов. Однако для производства искусственного волокна и пленки требуется каустическая сода высокой  степени очистки, содержащая менее 1% хлорида натрия (соли). «Стандартный»  жидкий каустик можно надлежащим образом очистить методами кристаллизации и осаждения.

Непрерывное разделение хлора  и каустика можно также осуществить  в установке с ртутным катодом. Металлический натрий образует с  ртутью амальгаму, которая отводится  во вторую камеру, где натрий выделяется и реагирует с водой, образуя  каустик и водород. Хотя концентрация и чистота соляного раствора для  установки с ртутным катодом  более важны, чем для установки  с диафрагмой, в первой получается каустическая сода, пригодная для  производства искусственного волокна. Ее концентрация в растворе составляет 50–70%. Более высокие затраты на установку с ртутным катодом  оправдываются получаемой выгодой.

 

2.3 Материальный баланс

Материальный баланс любого технологического процесса или  части его

составляется на основании закона сохранения веса (массы) вещества:

ΣGисх = ΣGкон

 где ΣGисх – сумма весов (масс) исходных продуктов процесса;

 ΣGкон –сумма  весов (масс) конечных продуктов  процесса в тех же единицах  измерения.

       Таким образом, если в какой-либо  аппарат или технологический  узел

поступает GА кг продукта А, GВ кг продукта В и  т.д., а в результате переработки их получается GС кг продукта С, GД кг продукта Д и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов А (GА кг), В (GВ кг) и т.д., то при этом должно сохраниться равенство

                 GА + GВ +….= GА' + GВ' + GС + GД +….+ΔG,             

  где ΔG –производственные  потери продукта.

     Определение  массы вводимых компонентов и  полученных продуктов

производится отдельно для твердой, жидкой и газообразных фаз согласно

уравнению

Gг + Gж + Gт.= Gг' + Gж' + Gт’

 При составлении полного баланса обычно решают систему уравнений

с несколькими неизвестными. При этом могут быть использованы

соответствующие формулы  для определения равновесного и  фактического

выхода продукта, скорости процесса и т. д.

 Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции и молекулярной массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного  сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери сырья и готового продукта и т. п.

  Из данных  материального баланса можно  найти расход сырья и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, себестоимость продукта, выходы продукта, объем реакционной зоны, число

реакторов, производственные потери.

      На  основе материального баланса  составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных

поверхностей, расход теплоты или хладоагентов.

Результаты этих подсчетов обычно сводят в таблицу  материального баланса.

Типовая таблица материального баланса

                  Приход                                                          Расход

 

Статья прихода       Количество,кг       Cтатья  расхода         Количество,кг

Продукт А                Ga                           Продукт А                  Ga  

Продукт В                Gb                             (остаток)

      Продукт  В                  Gb                            

       (остаток)

      Продукт  С                  Gc

      Продукт  Д             Gd