CC BY
132
Я • 7universum.com
UNIVERSUM:
/УУ\ ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СЕСКВИКАРБОНАТА НАТРИЯ ПУТЕМ КАРБОНИЗАЦИИ СОДОВОГО РАСТВОРА УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ
Эркаев Актам Улашевич
д-р техн. наук, профессор Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Каипбергенов Атабек Тулепбергенович
старший преподаватель Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
E-mail: atabek2004@mail.ru
Кучаров Бахром Хайриевич
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
Тоиров Закир Каландарович
канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института
100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32
PROCESS RESEARCH OF SODIUM SESQUICARBONATE PREPARATION VIA CARBONATIZATION OF SODA LIQUOR BY CARBON DIOXIDE
Erkaev Aktam
Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Kaipbergenov Atabek
Senior Lecturer, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Kucharov Bahram
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия путем карбонизации содового раствора углекислым газом // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн.
Эркаев А.У. [и др.]. 2015. № 9-10 (17) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2617
Toirov Zakir
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
АННОТАЦИЯ
Изучена система (Na2CO3-NaHCO3-H2O) и проведен теоретический анализ газожидкостного способа получения сесквикарбоната натрия. Проведены лабораторные исследования и определены последовательности технологических процессов.
Показаны способы получения сесквикарбоната натрия, которое включает стадии приготовления насыщенного раствора карбоната натрия, смешивание кальцинированной соды с пищевым гидрокарбонатом натрия. Показаны недостатки указанных способов, которые состоят из низкого содержания целевого продукта — сесквикарбоната натрия; высокой насыпной массы — 0,7—1 г/см3 и с использованием пищевого (очищенного) гидрокарбоната натрия.
Содовый раствор с концентрацией 115—130 н.д. готовится растворением кальцинированной соды в оборотном маточном растворе при температуре 70—95 °С.
Приготовленный содовый раствор карбонизируют при температуре 95 °С, при этом постепенно образуется гидрокарбонат натрия, который реагирует с карбонатом натрия, образуя сесквикарбонат натрия. В некоторых работах содовый раствор добавляется кристаллический гидрокарбонат натрия, который постепенно растворяется в воде и реагирует с карбонатом натрия, образуя сесквикарбонат натрия. С насыщением жидкой фазы процесс растворения гидрокарбоната натрия замедляется, и в дальнейшем процесс образования сесквикарбоната натрия прекращается. В связи с этим в продукте остается большое количество непрореагировавших гидрокарбоната и карбоната натрия, т. е. не обеспечивается полное молекулярное взаимодействие карбонатов и гидрокарбонатов натрия из-за недостаточной поверхности контакта между их кристаллами.
ABSTRACT
The system (Na2CO3-NaHCO3-H2O) is studied and a theoretical analysis of gas-liquid process for the preparation of sodium sesquicarbonate is carried out. The laboratory research is made and the sequence of technological processes is determined.
Ways to obtain sodium sesquicarbonate are shown which comprises the steps of preparing a saturated solution of sodium carbonate, intermixing of calcined soda with edible sodium bicarbonate. The drawbacks of these methods which consist of: low content of the desired product - sodium sesquicarbonate; high bulk weight — 0.7—1 g/cm3, and the use of edible (eliminate) of sodium hydrogen carbonate.
Soda liquor with a concentration of 115—130 r.l. is prepared by dissolving sodium carbonate in working mother liquor at the temperature of 70—95 °C.
Prepared carbonated soda liquor at the temperature of 95 °C while gradually sodium hydrogen carbonate is formed which reacts with sodium carbonate forming sodium sesquicarbonate. In some works soda liquor is added to crystalline sodium bicarbonate which is gradually dissolved in water and reacted with sodium carbonate to form sodium sesquicarbonate. A saturated liquid phase process slows dissolution of sodium hydrogen carbonate and further sodium sesquicarbonate formation process is terminated. In this regard, a large amount of unreacted hydrogen carbonate and sodium carbonate remains in the product, complete molecular interaction of carbonates and bicarbonates of sodium is not provided because of insufficient surface contact between their crystals.
Ключевые слова: сесквикарбонат натрия, карбонат натрия, кристаллизация, система.
Keywords: sodium sesquicarbonate, sodium carbonate, crystallization, system.
Известен способ получения сесквикарбоната натрия (искусственного аналога природного минерала троны), который включает стадии приготовления насыщенного раствора карбоната натрия, смешивание кальцинированной соды
с пищевым гидрокарбонатом натрия в эквимолярном соотношении и обработку полученной смеси ранее приготовленным насыщенным раствором карбоната натрия [1].
В результате получается негигроскопичный неслеживающийся продукт с содержанием не более 80 % основного компонента с насыпным весом 0,7—1 г/см3.
К недостаткам данного способа следует отнести:
• низкое содержание целевого продукта — сесквикарбоната натрия;
• высокая насыпная масса — 0,7—1 г/см3;
• использование пищевого (очищенного) гидрокарбоната натрия.
Целью настоящей работы является увеличение содержания основного
вещества, стабилизация качества и снижение насыпной массы продукта.
Для теоретического анализа процесса карбонизации содовых растворов использовали внутренний кусок Na2CO3-NaHCO3-H2O. На изотерме системы Na2CO3-NaHCO3-H2O при 35, 80 и 100 °С разграничены области
кристаллизации: Na2CO3; Na2CO3-H2O; Na2CO3-10H2O; Na2CO3-NaHCO3-2H2O; NaHCO3-Na2CO3; NaHCO3.
Из изотермы видно (рисунок), что область образования сесквикарбоната натрия увеличивается с повышением температуры до 80 °С. При 100 °С и выше область образования сесквикарбоната натрия уменьшается за счет образования соли Шеквейдера 3NaHCO3-Na2CO3. В соответствии с этим температура карбонизации выбрана в интервале 80—90 °С, а стадии кристаллизации — не ниже 35 °С ввиду образования кристаллов гидрокарбоната натрия.
Рисунок 1. Материальный расчет получения сесквикарбоната натрия газожидкостным методом на основе системы (NaiCOs-NaHCOs-HiO)
Для обоснования процесса карбонизации содовых растворов с концентрацией 22,5; 25,0; 27,0; 30,0 % от точек диаграммы 1, 2, 3 и 4 проводили луч карбонизации к точке состава CO2.
Процесс карбонизации продолжается до пересечения лучей карбонизации 1(N)-KA с границей сесквикарбоната натрия при 35 °С в точках 1”, 2”, 3” и 4” (рисунок).
При этом степень карбонизации карбоната натрия до образования гидрокарбоната натрия рассчитывали по формуле:
У ст.кар
(C
Na2CO3
100________
/ CNaHCO ) ^ 1
Из таблицы 1 видно, что с повышением концентрации содовых растворов степень карбонизации достигает максимально 43,67% и со снижением Ж:Т при 35 °С от 2,9:1 до 3,67:1, а содержание сесквикарбоната натрия в твердой фазе суспензии достигает до 21,01 г на 100 г суспензии.
После отделения твердой фазы образуется определенная масса влажного сесквикарбоната натрия и маточного раствора с содержанием, масс.%: Na2CO3-17,30; NaHCO3-4,90 и H2O-77,80.
Во втором цикле маточный раствор Е3К5 циркулируется на стадию растворения новой порции карбоната.
Соотношения маточного раствора и кальцинированной соды определяли по правилу рычага. Полученный в соответствии с этим раствор снова карбонизируют до фигуративных точек 1”, 2”, 3” и 4”, и таким образом цикл закрывается.
Для подтверждения теоретических данных анализов были проведены лабораторные эксперименты по определению влияния концентрации содовых растворов, температуры, давления и продолжительности подачи CO2 на выход и товарные свойства образующегося сесквикарбоната натрия (таб. 2 и 3).
Концентрацию содовых растворов варьировали в пределах 20,0—27,5 %, температуру процесса карбонизации — 65—95 °С, продолжительность
процесса карбонизации — 30—120 мин.
Исследования проводили на лабораторной установке, состоящей из термостата и карбонизационного узла. Опыты проводились в следующей последовательности: термостат подогревали до заданной температуры,
карбонизационный сосуд с 200 мл определенной концентрации содового раствора помещали в термостат. Углекислый газ подавали в определенном интервале времени. По окончании процесса карбонизации образующуюся суспензию охлаждали до 35 °С и определяли скорость фильтрации [2].
Влажный кек высушивали при 60—75 °С до постоянного веса, определяли [3] насыпной вес полученного продукта, а также его рН 1—5 %-ного раствора (табл. 3).
Таблица 1.
Получение сесквикарбоната натрия газожидкостным способом
Исходная концентрация содового раствора Состав системы после карбонизации в точках пересечения линий Тр- Е^и КН ■ Е35 Масса троны, г/100 гр суспензии при 35°C
Обозначение точек на диаграмме Содержание, мас.% Соотношение NaiCOs/NaHCOs Степень карбонизации,% 1/Ж Обозначение точек на диаграмме Содержание, мас.% Соотношение NaiCOs/NaHCOs Степень карбонизации 1/Ж Теоретическая по рисунку Экспериментальная
О и ГД се Z О и и се Z О ГД И О и ГД се Z О и и се Z О ГД И
Первый цикл
1 22,5 - 77,5 - - 1:0 1'' 18,38 6,37 75,25 2,276 30,53 20,9:1 4,57 15,89
2 25,0 - 75,0 - - 1:0 2'' 19,15 8,60 72,25 1,775 36,64 8,10:1 10,50 16,52
3 27,5 - 72,5 - - 1:0 3'' 20,72 11,03 68,25 1,489 40,18 5,44:1 15,33 16,67
4 30,0 - 70,0 - - 1:0 4'' 21,23 13,02 65,25 1,290 43,67 3,64:1 21,01 -
Состав эвтектики Е 35
Е35 17,30 4,90 77,80 3,53 22,08 - - -
Второй цикл
1"' 19,47 4,28 72,57 4,76 17,36 1:0 1'' 18,38 6,37 75,25 2,276 30,53 20,9:1 4,57 15,89
2''' 22,54 4,21 70,00 5,50 15,38 1:0 2'' 19,15 8,60 72,25 1,775 36,64 8,52:1 10,50 16,52
3''' 25,01 3,94 67,43 6,29 13,72 1:0 3'' 20,72 11,03 68,25 1,489 40,18 5,44:1 15,33 16,67
4''' 27,06 3,69 64,29 7,60 11,63 1:0 4'' 21,23 13,02 65,25 1,290 43,67 3,76:1 21,01 -
Таблица 2.
Исследование влияния входных технологических параметров на технологические показатели получения
сесквикарбоната натрия газожидкостным методом
Номер образцов Концентрация содовых растворов, масс.% Входные технологические параметры Скорость фильтрации по жидкой фазе, кг/м2^ч Скорость фильтрации по осадку, кг/м2^ч Ж:Т суспензии Влага продукта после фильтрации, % Выход продукта, %
t °C AP т
1. 27,5 95 1,5 0,5 2867,28 878,69 3,26:1 14,03 86,40
2. 65 1,5 0,5 2296,31 380,23 6,04:1 13,95 59,82
3. 22,5 95 1,5 0,5 2680,07 821,27 3,26:1 14,06 82,77
4. 65 1,5 0,5 3911,31 647,35 6,04:1 13,95 57,29
5. 27,5 95 1,5 1 2958,09 906,44 3,26:1 14,04 86,90
6. 80 1,5 1 2773,14 676,37 4,1:1 13,32 78,14
7. 65 1,5 1 3605,58 596,95 6,04:1 13,95 60,16
8. 25,0 95 1,5 1 2793,00 856,02 3,26:1 14,05 86,27
9. 80 1,5 1 2438,56 594,76 4,1:1 13,33 77,49
10. 65 1,5 1 3755,26 621,69 6,04:1 13,95 59,60
11. 20,0 95 1,5 1 2878,24 529,43 3,26:1 15,64 54,66
12. 80 1,5 1 2094,92 554,36 4,1:1 17,26 77,67
13. 65 1,5 1 2446,04 490,89 6,04:1 19,18 67,57
14. 27,5 95 1,5 1,5 1989,94 609,72 3,26:1 14,04 86,93
15. 65 1,5 1,5 3697,31 612,19 6,04:1 13,95 60,19
16. 22,5 95 1,5 1,5 2518,15 771,64 3,26:1 14,04 83,46
17. 65 1,5 1,5 3728,88 617,30 6,04:1 13,95 57,66
Кальцинированная сода растворялась при температуре 95 °С в маточном растворе сесквикарбоната натрия с дальнейшей карбонизацией полученного раствора при температуре 90 °С до степени карбонизации 35 %. Полученный карбонизированный раствор охлаждался до 35 °С, образовавшуюся суспензию фильтровали, влажный осадок промывался 17 %-ным раствором
сесквикарбоната натрия и после сушки при 70 °С получался 95 % сесквикарбоната натрия.
Повышение температуры и продолжительности процесса карбонизации повышает скорость фильтрации суспензии и в изученных интервалах варьирования технологических параметров колеблется от 38,23 до 906,14 кг/м2-ч по фильтрату. Ж:Т суспензии находится в интервале 3,26—6,04.
Влажность продукта после фильтрации и промывки составляет
13,30—15,64 %.
На выход продукта сильно влияет температура процесса карбонизации, с повышением температуры на 30 °С выход увеличивается на 15—20%, т. е. температурный градиент повышения составляет 0,5—2,87 .
Продолжительность процесса карбонизации и концентрация содового раствора незначительно влияют на выход продукта.
Таблица 3.
Влияние технологических параметров на аналитические показатели получения сесквикарбоната натрия газожидкостным методом
Номера образцов соответствуют номерам табл.2 Содержание компонентов в продукте, масс.% Насыпная плотность Влияние концентрации на рН растворов сесквикарбоната натрия, масс.%
NaiCOs NaHCOs HiO 1 5 10 15
1. 42,27 31,30 26,43 0,52 9,93 9,95 9,97 10,00
2. 41,64 31,43 26,94 0,50 9,89 9,93 9,95 9,99
3. 41,93 31,34 26,73 0,55 9,91 9,92 9,95 9,98
4. 41,69 31,47 26,84 0,59 9,87 9,91 9,92 9,97
5. 41,58 31,38 27,03 0,45 9,85 9,87 9,89 9,92
6. 41,06 31,59 27,35 0,51 9,83 9,86 9,87 9,90
7. 40,70 31,93 27,37 0,52 9,81 9,85 9,87 9,91
8. 41,12 31,63 27,25 0,50 9,83 9,85 9,87 9,90
9. 40,70 31,93 27,37 0,58 9,81 9,84 9,85 9,88
10. 40,46 32,06 27,48 0,48 9,79 9,83 9,85 9,89
11. 41,98 31,39 26,63 0,47 9,86 9,87 9,90 9,93
12. 41,46 31,59 26,94 0,53 9,84 9,87 9,88 9,91
13. 40,88 31,76 27,36 0,55 9,82 9,86 9,87 9,92
14. 43,39 30,70 25,92 0,62 10,09 10,11 10,13 10,17
15. 42,89 30,90 26,22 0,57 10,05 10,09 10,11 10,15
16. 42,72 31,06 26,22 0,60 10,07 10,09 10,11 10,15
17. 42,32 31,35 26,33 0,49 10,03 10,07 10,09 10,13
Для получения хорошо фильтрующегося осадка сесквикарбоната натрия необходимо поддерживать определенные концентрации, соотношение исходных компонентов и скорость карбонизации, а также охлаждения в стадии кристаллизации. В зоне завязки кристаллов и роста зародышей необходимо ограничить начальную концентрацию солей и скорость охлаждения и стремиться к поддержанию минимального пересыщения раствора во избежание образования большого количества зародышей кристаллов. Зародыши кристаллов образуются только из пересыщенных растворов. Разность концентраций соли в пересыщенном и насыщенном растворах характеризует величину пересыщения, которая может регулироваться изменением соотношения Na2CO3:NaHCO3:H2O и температуры. В известных работах процессы кристаллизации не регулируются с поддержанием определенной температуры в зоне кристаллизации, и поэтому содержание основного компонента в продукте не превышает 70—85 %, а величины насыпной плотности составляют не менее 0,65—0,7 г/см3 [2; 3].
Химический состав полученного продукта практически точно соответствует химической формуле сесквикарбоната натрия Na2CO3'NaHCO3'2H2O, что подтверждается термограммой и дифрактограммой; рН 1 %-ного раствора полученного продукта 9,8 (табл. 3), который негигроскопичен и не слеживается.
Таким образом, на основании теоретического анализа диаграммы растворимости системы Na2O-CO2-H2O и проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные технологические параметры газожидкостного способа получения сесквикарбоната натрия.
Список литературы:
1. А.С. № 443840. Способ получения сесквикарбоната натрия / Б.А. Шихов и др. Кл C01D 7/14, // Б.И. — 1974-25-09. — № 35. — 2 с.
2. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1971. — 440 с.
3. Оствальд В., Лютер Р., Друкер К. Физико-химические измерения. — ОНТИ, Госхимтехиздат, 1934. — 130 с.
References:
1. Shihov B.A. A process for preparing sodium sesquicarbonate. Patent USSR, А.С. № 443840, Kl S01D 7/14, 1974. (in Russian).
2. Zhuzhikov V.A. Filtration. Theory and practice of separation of suspensions. Moscow, Khimiia Publ, 1971, 440 р. (In Russian)
3. Ostval'd V., Liuter R., Druker K. Physical and chemical measurements. ONTI, Goshimtehizdat Publ, 1934, 130 p. (In Russian)
