CC BY
104
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СЕСКВИКАРБОНАТА НАТРИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫМ СПОСОБОМ
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
TECHNOLOGIES DEVELOPMENT OF SODIUM SESQUICARBONATE RECEIPT BY A GAS-LIQUID METHOD
Aktam Erkaev
Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Atabek Kaipbergenov
Senior Lecturer, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Разработка технологии получения сесквикарбоната натрия газожидкостным способом // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. Эркаев А.У. [и др.]. 2015. № 8-9 (20) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2589
Bahram Kucharov
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32
Zakir Toirov
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.
Исследовано влияние технологических параметров на процесс получения сесквикарбоната натрия газожидкостным способом.
Показаны способы получения сесквикарбоната натрия, которое включает стадии приготовления насыщенного раствора карбоната натрия, смешивание кальцинированной соды с 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 гидрокарбоната натрия.
Кальцинированную соду растворяли при температуре 95 °С в маточном растворе сесквикарбоната натрия. Полученный содовый раствор карбонизировали при температуре 90 °С до степени карбонизации 35 %. Полученный карбонизированный раствор охлаждался до 35 °С; образовавшуюся суспензию фильтровали; влажный осадок промывали 17 %-ным раствором сесквикарбоната натрия и после сушки при 70 °С получали 95 % сесквикарбонат натрия.
Предложена технологическая схема и составлен материальный баланс процесса получения сесквикарбоната натрия.
Технико-экономические расчеты свидетельствуют о рентабельности предлагаемого способа. Экономия достигается за счёт улучшения качества продукта и увеличения коэффициента использования исходных компонентов.
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.
The influence of technological parameters on the process of obtaining sodium sesquicarbonate by a gas-liquid method is under study.
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 ash is dissolved at 95 °C in the mother liquor of sodium sesquicarbonate. The received soda solution is carbonized at 90 °C until the degree of carbonization of 35 %. The resulting carbonated solution is cooled up to 35 °C; the resulting suspension is filtered; the wet residuum is washed with 17 % sodium sesquicarbonate solution and after drying at 70 °C (95 %) sodium sesquicarbonate is obtained.
A flow chart is offered and the material balance of obtaining process of sodium sesquicarbonate is made.
Technical and economic calculations show the profitability of the process. The saving is achieved by improving product quality and increasing the utilization of the initial components.
Ключевые слова: сесквикарбонат натрия, карбонат натрия,
кристаллизация, материальный баланс.
Keywords: sodium sesquicarbonate, sodium carbonate, crystallization, material balance.
Сесквикарбонат натрия — Na2CO3-NaHCO3-2H2O (искусственный аналог природного минерала троны) — используется в составах экологически
безопасных бесфосфатных моющих средств, в производстве косметических средств, что связано с наличием положительного дерматологического эффекта и дезинфицирующих свойств, а также применяют для десульфизации кислотных газов промышленных предприятий, обработки промышленных и городских сточных вод, регулирования рН воды плавательных бассейнов.
В работе [3] получение сесквикарбоната натрия проводится при температуре 18—25 °С, смешением карбоната натрия с водой, взятой почти в двойном количестве по отношению к теоретически необходимому для образования сесквикарбоната натрия. Далее образовавшийся гидратированный карбонат натрия смешивают с гидрокарбонатом натрия (NaHCO3 99,5 вес.%; Na2CO3 0,4 вес. %; NaCl 0,02 вес. %), причем карбонат и гидрокарбонат натрия берут в молярном соотношении 1:1. Полученную массу, представляющую собой сескви-карбонат натрия, высушивают в течение 0,5—1 ч. при температуре менее 55 °С.
К недостаткам данного способа следует отнести:
• сравнительно низкое содержание целевого продукта — сесквикарбоната натрия;
• высокую насыпную массу.
Эти недостатки свидетельствуют о том, что данный способ получения сесквикарбоната натрия является несовершенным и неэкономичным.
Целью настоящей работы является разработка технологии получения сесквикарбоната натрия газожидкостным способом.
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 растворам помешали в термостат. Углекислый газ подавали через определенные интервалы времени. С окончанием процесса карбонизации образующуюся суспензию охлаждали до 35 °С и определяли скорость фильтрации суспензии [1]. Влажный осадок высушивали при 60—75 °С до постоянного веса и определяли насыпной вес и рН 1—5 %-ного раствора [2], которые приведены в табл. 1, 2.
Кальцинированную соду растворяли при температуре 95 °С в маточном растворе сесквикарбоната натрия. Полученный содовый раствор карбонизировали при температуре 90 °С до степени карбонизации 35 %. Полученный карбонизированный раствор охлаждался до 35 °С; образовавшуюся суспензию фильтровали; влажный осадок промывали 17 %-ным раствором сесквикарбоната натрия и после сушки при 70 °С получали 95 % сесквикарбонат натрия.
Из таблицы 1 видно, что с повышением температуры и продолжительности процесса карбонизации степень испарения воды увеличивается и колеблется в пределах 8,03—15,91 %.
Влажность продукта после фильтрации и промывки составляет 13,31—15,64 %.
В наших исследованиях содовый раствор с концентрацией 115—130 н.д. готовился растворением кальцинированной соды в оборотном маточном растворе при температуре 70—95 °С и затем подвергался карбонизации при температуре 95 °С, при этом постепенно образовывался гидрокарбонат натрия, который реагировал с карбонатом натрия с получением сесквикарбоната натрия.
По известной технологии [1] в 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.
Нижний предел концентрации содового раствора 115 н.д. обусловлены тем, что дальнейшее ее снижение приводит к уменьшению выхода и содержание сесквикарбоната натрия в продукте составляет 60 и 85 % соответственно (табл. 1).
Таблица 1.
Исследование влияния входных технологических параметров на технологические показатели получения
сесквикарбоната натрия газожидкостным методом
Номера образцов Концентрация содовых растворов, масс.% Входные технологические параметры Испарение воды при карбонизации содовых растворов, отн.% 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 т, час
1. 27,5 95 1 15,91 2958,09 906,44 3,26:1 14,04 86,90
2. 80 1 11,01 2773,14 676,37 4,1:1 13,32 78,14
3. 65 1 8,66 3605,58 596,95 6,04:1 13,95 60,16
4. 25,0 95 1 15,79 2793,00 856,02 3,26:1 14,05 86,27
5. 80 1 10,91 2438,56 594,76 4,1:1 13,33 77,49
6. 65 1 8,58 3755,26 621,69 6,04:1 13,95 59,60
7. 22,5 95 1 15,27 2768,69 848,48 3,26:1 14,05 83,43
8. 80 1 10,55 2232,05 544,50 4,1:1 13,31 74,95
9. 65 1 8,30 3454,49 571,82 6,04:1 13,96 57,63
10. 20,0 95 1 14,77 2878,24 529,43 3,26:1 15,64 54,66
11. 80 1 10,21 2094,92 554,36 4,1:1 17,26 77,67
12. 65 1 8,03 2446,04 490,89 6,04:1 19,18 67,57
Таблица 2.
Влияние технологических параметров на аналитические показатели получения сесквикарбоната натрия газожидкостным методом
Номера образцов соответствуют номерам табл. 1 Содержание компонентов в продукте, масс.% Насыпная плотность продукта, г/см3 Влияние концентрации на рН растворов сесквикарбоната натрия, масс.%
NaiCOs NaHCOs HiO 1 5 10 15
1. 41,58 31,38 27,03 0,45 9,85 9,87 9,89 9,92
2. 41,06 31,59 27,35 0,51 9,83 9,86 9,87 9,90
3. 40,70 31,93 27,37 0,52 9,81 9,85 9,87 9,91
4. 41,12 31,63 27,25 0,50 9,83 9,85 9,87 9,90
5. 40,70 31,93 27,37 0,58 9,81 9,84 9,85 9,88
6. 40,46 32,06 27,48 0,48 9,79 9,83 9,85 9,89
7. 41,06 31,59 27,35 0,54 9,83 9,84 9,87 9,90
8. 40,64 31,89 27,47 0,49 9,81 9,84 9,85 9,88
9. 40,46 32,06 27,48 0,57 9,79 9,83 9,84 9,89
10. 41,98 31,39 26,63 0,47 9,86 9,87 9,90 9,93
11. 41,46 31,59 26,94 0,53 9,84 9,87 9,88 9,91
12. 40,88 31,76 27,36 0,55 9,82 9,86 9,87 9,92
Превышение верхнего предела концентрации содового раствора более 140 н.д. приводит к полному загустеванию реакционной массы при небольшой (15—20 %) степени карбонизации, а выход продукта снижается до 20 %.
Степень карбонизации содового раствора не должна быть ниже 20 %, так как его дальнейшее снижение приводит к уменьшению выхода сесквикарбоната натрия, а при более 50 % приводит к образованию смеси сесквикарбоната и гидрокарбоната натрия с ухудшением товарных свойств продукта.
Необходимость карбонизации содового раствора при температуре не ниже 40 °С обусловлена повышением вязкости реакционной массы, низкой степенью карбонизации и ухудшением процесса фильтрации.
Снижение концентрации диоксида углерода ниже 30 % обусловлно повышением продолжительности карбонизации, уменьшением технологических и аналитических показателей производства и ухудшением товарных показателей продукта.
Таблица 3.
Материальный расчет получения троны газожидкостным методом по диаграмме Na2CO3:NaHCO3:H2O с учетом
образования NaHCO3 из системы Na2CO3-CO2-H2O
№ Концентрация раствора, % m раствора, кг U <N О и = Температура CO2, °C Е суспензии, кг Твердая фаза m фильтрация Ж:Т Состав жидкой фазы, при 35°C, кг Оборотный раствор, Na2CO3
100 100
1 25 Na2CO3+ H2O 1000 103,77 34,59 1034,59 113,904 920,686 8,10:1 NaHCO3-4,90 Na2CO3-17,30 30,6:2,0 920-60,176
2 30 Na2CO3+ H2O 1000 124,53 41,51 1041,51 224,46 817,05 3,64:1 NaHCO3-4,90 Na2CO3-17,30 28,5:4,1 817,05-117,54
3 25 Оборотный раствор + Na2CO3= 920,686+60,18= 980,686 - 8,33 989,196 108,91 880,29 8,10:1 NaHCO3-4,90 Na2CO3-17,30 880,29
4 30 Оборотный раствор + Na2CO3= 817,05+117,54= 934,59 - 16,26 950,85 204,92 745,925 3,64:1 NaHCO3-4,90 Na2CO3-17,30 745,93
Для достижения поставленных задач кальцинированная сода растворяется в полученном на последующих стадиях процесса маточном растворе сесквикарбоната натрия при 80—95 °С. Полученный содовый раствор карбонизируют газообразным диоксидом углерода с концентрацией не менее 25 % при температуре не менее 40 °С. Образовавшуюся суспензию охлаждают до 30—40 °С, фильтруют (центрифугируют) с отделением осадка сесквикарбоната натрия, который затем промывают водой (или насыщенным раствором сесквикарбоната натрия) и сушат при температуре не более 76 °С.
80—95 % маточного раствора сесквикарбоната натрия возвращают на приготовление содового раствора, а оставшуюся часть отводят из процесса.
После сепарации получают кристаллический продукт с размерами 0,5—0,25 мм насыпной плотностью 0,451 г/см3.
Химический состав полученного продукта практически точно соответствует химической формуле Na2CO3NaHCO3-2H2O, что подтверждается термограммой и дифрактограммой. рН 1 %-ного раствора полученного продукта составил 9,8 (табл. 2), который негигроскопичен и не слеживается.
На основании теоретического анализа диаграммы растворимости системы Na2O-CO2-H2O и проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные технологические параметры газожидкостного способа получения сесквикарбоната натрия, предложена последовательность технологических стадий, рассчитан материальный баланс (табл. 3 и рис. 1) циклических процессов.
Таким образом, в результате осуществления предложенного способа в 1,5—2 раза интенсифицируется процесс получения сесквикарбоната натрия и на 2—5 % уменьшается расход электроэнергии. Полученный продукт имеет насыпную плотность не более 0,5 г/см3 и содержит не менее 90 % сесквикарбоната натрия.
Рисунок 1. Материальный баланс получения сесквикарбоната натрия
газожидкостным методом
Технико-экономические расчеты свидетельствуют о рентабельности предлагаемого способа. Экономия достигается за счёт улучшения качества продукта и увеличения коэффициента использования исходных компонентов.
Список литературы:
1. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1971. — 440 с.
2. Оствальд В., Лютер Р., Друкер К. Физико-химические измерения. — ОНТИ, Госхимтехиздат, 1934. — 130 с.
3. Jaworski Z., Czemuszewicz M. Liquid-solid equilibrium for the NaCl-NaHCO3-Na2CO3-H2O system at 45°C. Validation of mixed solvent
electrolyte model // Chemical Papers. — Slovak Academy of Sciences, — 09/2013. — № 67(9). DOI: 10.2478/s11696-013-0364-2.
References:
1. Zhuzhikov V.A. Filtration. Theory and practice of separation of suspensions. Moscow, Khimiia Publ, 1971, 440 p. (In Russian).
2. Ostval'd V., Liuter R., Druker K. Physical and chemical measurements. ONTI, Goshimtehizdat Publ, 1934, 130 p. (In Russian).
3. Jaworski Z., Czernuszewicz M. Liquid-solid equilibrium for the NaCl-
NaHCO3-Na2CO3-H2O system at 45°C. Validation of mixed solvent
electrolyte model. Chemical Papers. Slovak Academy of Sciences, 09/2013, no. 67(9). DOI: 10.2478/s11696-013-0364-2 (In English).
