Учебное пособие: Получение гидроксида натрия каустификацией содового раствора
Учебное пособие: Получение гидроксида натрия каустификацией содового раствора
Введение
Гидроксид натрия (каустическая сода) используется
во многих отраслях промышленности: химической, металлургической, нефтеперерабатывающей,
мыловаренной, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, текстильной, кожевенной, в
производстве искусственных волокон. Едкий натр используется в виде раствора для
обезжиривания деталей в гальванотехнике, для очистки котлов и радиаторов от накипи,
нефтепродуктов от примесей, воздуха от углекислого газа, как электролит в щелочных
аккумуляторах. /2, 3,8/
Ежегодная мировая выработка едкого натра исчисляется
миллионами тонн, причем большая часть производится электролизом раствора хлорида
натрия. Ранее гидроксид натрия получали обменным разложением соды с гидроксидом
кальция (известковый способ) или спеканием соды с окисью железа (ферритный метод).
В настоящее время гидроксид натрия в промышленности
производится электролитическим методом. В основе этого метода лежит свойство водных
растворов хлоридов щелочных металлов под воздействием постоянного тока разлагаться
с выделением газообразного хлора и водорода на электродах. При этом в электролитической
ванне накапливается гидроксид натрия.
Различают 3 метода промышленного электролиза: диафрагменный
– с твердым стальным катодом, ртутный – с использованием жидкой ртути в качестве
катода и мембранный метод получения. В качестве анода в основном применяются графитовые
стержни./2/
Ферритный способ производства гидроксида натрия
заключается в получении феррита натрия Na2O · Fe2O3 и последующем его разложением
водой или слабыми оборотными щелочами. Феррит натрия образуется при спекании кальцинированной
соды с окисью железа (111) при высокой температуре. Процесс спекания сопровождается
реакцией 1:
Na2CO3 + Fe2 O3 = Na2 O · Fe2 O 3 + CO2 - 142,8 кДж (1)
При выщелачивании спека водой образуется едкий натр
и окись железа (111) по уравнению реакции 2:
Na2 O Fe2 O3
+ H2 O = 2Na OH + Fe 2O 3 + 13,8 кДж (2)
В настоящее время этот способ практически не применяется
из-за технологической сложности и больших затрат ручного труда. /2/
Химический способ получения основан на взаимодействии
карбоната натрия с известью или известковым молоком (каустификация) согласно уравнению
3:
Na2 CO3 + Ca (OH)2
= Ca CO3 ↓ + 2 NaОH (3)
Этот метод производства каустической соды был известен
еще в древнем Египте. Основными этапами промышленной реализации данного метода является:
каустификация содового раствора, отделение и промывка шлама, выпарка щелочи, плавка
соды и высокотемпературное гранулирование гидроксида натрия. Химический способ в
последнее время также не находит широкого применения вследствие больших энергозатрат
при выпаривании щелочных растворов низкой концентрации.
Каустификация относится к типичным гетерогенным
некаталитическим процессам, достаточно широко применяемым в химической технологии,
например, при производстве целлюлозы по сульфатному методу. /1/
1. Цель работы
Целью данной работы является: освоение метода получения
гидроксида натрия каустификацией содового раствора; изучение особенностей протекания
химических реакций в гетерогенных системах; исследование влияния параметров технологического
процесса на равноценную степень каустификации.
2. Мотивация цели
Огромный масштаб производства гидроксида натрия
(каустической соды) свидетельствует о большом значении этого продукта для народного
хозяйства. Еще великий русский химик Д.И. Менделеев говорил: «Ныне нельзя себе представить
развитие промышленности без потребления соды». Действительно, трудно найти такую
отрасль промышленности, где бы ни применялся гидроксид натрия. Из общего количества
вырабатываемой щелочи ее потребление в разных областях народного хозяйства в среднем
составляет в %: нефтехимическая промышленность – 12 %; целлюлозно-бумажная промышленность
- 3 %; металлургия - 9 %; химическая промышленность – 76 %.
Наиболее материалоемкими химическими производствами
по потреблению гидроксида натрия являются производство целлюлозы по сульфатному
методу и производство глинозема по мокрому щелочному способу.
Выработка каустической соды в России во второй половине
ХХ века в среднем составляла 1899 тыс. тонн в год против 100 тыс. тонн в год в Х1Х
веке.
Едкий натр выпускают в твердом и жидком виде. Твердый
едкий натр выпускается следующих марок: ТХ – 1 - твердый плавленый; ТХ – 2 - твердый
чешуированый. Жидкий едкий натр выпускается шести марок: РХ – 1 и РХ – 2 - растворы
химические; РР – раствор ртутный; РДУ, РД - 1 и РД – 2 – растворы диафрагменные.
Промышленные методы производства гидроксида натрия
более подробно представлены в приложении 1. /2/
Каустификация содового раствора представляет собой
основную операцию известкового способа получения едкого натра. Каустификация относится
к типичным гетерогенным некаталитическим процессам, протекающим при невысокой температуре.
В производстве едкого натра содовый раствор, получаемый
декарбонизацией сырого бикарбоната (разложение водой суспензии бикарбоната натрия
острым паром) протекает по уравнению реакции 4:
2Na HCO3 = Na2
CO3 + H2 O + CO2 – Q (4) ]
или растворением кальцинированной соды, обрабатывают
известью или известковым молоком. При этом в результате реакции образуется осадок
карбоната кальция по уравнению 5:
Na2 CO3 + Ca (OH)2
= Ca CO3 + 2Na OH (5)
Процесс каустификации содового раствора служит характерным
примером обратимого взаимодействия, идущего в кинетической области, в системе жидкость
– твердое (Ж-Т). Ход реакции (5) определяется равновесием в этой многокомпонентной
системе, причем направление и скорость реакции зависит главным образом от соотношения
растворимостей наименее растворимых компонентов гидроксида кальция (Ca (OH)2) и карбоната кальция (Ca CO3), то есть от концентрации гидроксид ионов (ОН-)
и карбонат ионов (CO3 2-) в растворе.
Константа равновесия обратимой реакции (5) в общем
виде выражается по формуле 1:
[Ca Co3] [Na OH]2
К = ——————————————(1)
[Ca (OH)2] [Na2CO3]
Поскольку при каустификации в реакционной смеси
присутствует твердая фаза гидроокиси и карбоната кальция, то величины [ Ca CO3] и [Ca(OH)2] постоянны, и их можно включить в величину
константы равновесия по формуле 2:
[Cа (OH)2] [Na OH]2 [Na+]2 [OH-]2
[OH-]2
К= —————
= К1 = ———————
= ————————— = ————— (2)
[Сa CO3] [Na2 CO3]
[Na+]2 [CO2-3] [CO2 -3]
Выразив значение [OH-]2 и [CO32-] через произведения растворимостей соответствующих веществ
получим значение константы равновесия в зависимости от растворимости гидроокиси
и карбоната кальция по формуле 3:
ПР Са(ОН)2
К = —————— (3)
ПР Са СО3
Из выражения (3) видно, что равновесие в рассматриваемой
системе определяется исключительно соотношением растворимостей гидроксида и карбоната
кальция. Отсюда можно определить пути повышения равновесного выхода едкого натрия
(NaOH) называемого степенью каустификации.
Основным способом повышения равновесной степени
каустификации (то есть степени превращения карбоната натрия (Na2CO3) в гидроксид натрия (NaOH) при равновесии) является
понижение концентрации карбоната натрия в исходном содовом растворе. При этом в
равновесном каустифицированном растворе понижается концентрация карбонат ионов [
СО32-] и возрастает соотношение [ОН-]2
: [СО3 2-] и, следовательно, степень
каустификации. Выбор оптимальной концентрации соды в исходном растворе определяется
не только степенью каустификации, но и концентрацией полученного раствора едкого
натрия. При этом учитывается расход пара и топлива на упарку щелоков. На практике
применяют 2 –3 Н раствор карбоната натрия, (то есть 10-15 % -ный раствор), при этом
достигают степени каустификации в среднем около 90% и получают щелок, содержащий
100-120 г/дм3 едкого натрия. Низкая концентрация едкого натра в щелоках,
идущих на упаривание – основной недостаток известкового способа.
Влияние температуры на процесс каустификации неоднозначно.
Повышение температуры снижает константу равновесия и равновесную степень каустификации
вследствие увеличения растворимости карбоната кальция; с другой стороны, повышение
температуры увеличивает скорость реакции (5), а также скорость отстаивания шлама
карбоната кальция. Поэтому каустификацию ведут при повышенной температуре 80-1000
С в реакторах – каустицерах, обогреваемых острым паром или при помощи змеевиков,
по которым циркулирует пар. /1/
Влияние технологических параметров на степень каустификации
подробнее представлено в приложении 1.
3. Исходный уровень знаний
Для выполнения лабораторной работы студент должен
знать:
1)
правила работы в химической лаборатории;
2)
химические и физические свойства используемых
соединений;
3)
понятие о концентрации растворов: процентная
(массовая доля), молярная, нормальность;
4) определение грамм-эквивалента вещества для различных
соединений: кислот, солей, оснований;
5) метод кислотно-основного титрования,
метод весового анализа, правила приготовления растворов, фильтрование (простое и
под вакуумом), способы определения плотности растворов;
6) закон эквивалентов и методы расчета концентрации
раствора и содержание вещества;
7)
понятие о гетерогенных системах.
Для выполнения лабораторной работы студент должен
уметь:
1) правильно пользоваться химической посудой и лабораторным
оборудованием;
2) взвешивать необходимое количество вещества;
3) приготавливать растворы требуемой концентрации;
4) проводить титрование и фильтрование.
4. Цель самоподготовки
Для проведения лабораторной работы
«Каустификация содового раствора» студент должен самостоятельно изучить следующие
вопросы:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 |