Учебное пособие: Получение гидроксида натрия каустификацией содового раствора

Приложение 1

Источником получения каустической соды (гидроксида натрия) с древних времен до начала Х1Х века были содовые озера Египта и некоторых других стран, а также щелочесодержащие растения, произрастающие по берегам Средиземного моря и Атлантического океана. Однако к концу ХV111 века эти источники уже не могли удовлетворять возросшую потребность в едком натре. Возникло фабричное производство гидроксида натрия, которое может по праву считаться родоначальником современной химической промышленности, так как впервые в крупном масштабе синтетическим путем стали получать продукт, ранее добывавшийся из естественных источников или из растений.

Каустическая сода (каустик) имеет несколько названий: гидроокись, едкий натр, гидроксид натрия. Название «натрий» ввел в науку шведский ученый Я. Берцелиус в 1811 г. От слова «natroo» - зола морских водорослей, из которых добывали соду. В твердом виде едкий натр и едкий калий впервые получил в 1792 г. русский ученый Г.Е. Ловец. В древности не делали различий между калиевыми и натриевыми соединениями. Лишь в ХV11 веке пришли к заключению, что щелочной раствор, получаемый из золы растений, отличается от щелочи, полученной из минеральных веществ. В золе растений содержатся главным образом калийные соединения, а из минеральных источников извлекаются натриевые соединения. В начале Х1Х века развитие производства каустической соды было тесно связано с развитием производства кальцинированной соды (карбоната натрия). Эта взаимосвязь была обусловлена тем, что сырьем для химического способа получения едкого натра служила кальцинированная сода, которая в виде содового раствора каустифицировалась известковым молоком. /11,13,16/

Чистый гидроксид натрия – белые, непрозрачные, твердые, ромбические кристаллы, схожие со структурой хлорида натрия. Едкий натр очень гигроскопичен, является хорошим абсорбентом углекислого газа. Поэтому при хранении на воздухе в составе технического продукта увеличивается содержание влаги (в виде кристаллогидрата NaOH ∙ H2O) и карбоната натрия. Для обезвоживания гидроксида натрия применяют сильное нагревание в атмосфере свободной от углекислого газа. Для удаления карбонатов используют перекристаллизацию из эталона, в котором карбонаты практически не растворимы. Однако в большинстве случаев небольшое содержание примесей воды и карбонатов не мешает использованию щелочи. /13-15/

Гидроксид натрия – едкое вещество, при попадании на кожу вызывает долго незаживающие ожоги, а при систематическом воздействии вызывает язвы и экзему. Предельно допустимая концентрация аэрозоля едкого натра в воздухе производственных помещений 0,5 мг/м3 . /16/

Одним из наиболее ранних методов получения каустической соды является известковый способ, основанный на каустификации карбоната натрия известью или известковым молоком по уравнению 1:

Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaCO3 ↓ (1)

←

Основными этапами каустификации являются: каустификация, отделение и промывка шлама, выпарка щелочей, плавка. Подача на каустификацию вместо известкового молока извести позволяет использовать в процессе теплоту гашения оксида кальция. Кроме того, образуется более концентрированный раствор едкого натра за счет вывода из процесса воды, поступающей с известковым молоком.

Глубина процесса каустификации зависит от состояния равновесия, которое для данного типа химических реакций определяется растворимостью трудно растворимых соединений гидроксид кальция и карбонат кальция. В начале процесса в растворе присутствует большое количество карбонат ионов (диссоциация карбоната натрия) снижающих и без того малую растворимость карбоната кальция. По мере каустификации в растворе накапливаются гидроксид ионы (диссоциация едкого натра) и уменьшается количество карбонат ионов, поэтому растворимость гидроксида кальция уменьшается. При достижении одинаковой растворимости наступает химическое равновесие.

Важной характеристикой процесса является равновесная степень каустификации (степень перехода кальцинированной соды в едкий натр), которая при прочих равных условиях снижается при увеличении содержания соды в исходном растворе. При понижении концентрации соды в исходном растворе степень каустификации повышается, однако вместе с этим возрастает также удельное содержание воды, что приводит к увеличению расхода греющего пара на выпарку, а следовательно к росту стоимости каустической соды.

Скорость достижения равновесия зависит от температуры, с ростом которой повышается скорость всего процесса. Кроме того, увеличение температуры способствует образованию крупнокристаллического осадка карбоната кальция, что улучшает отделение шлама от щелочных растворов при дальнейшей декантации.

Выявленные закономерности зависят от качества используемого сырья. В промышленности, где применяются технические сода и известь, в которых содержится значительное количество примесей разного состава, эти закономерности проявляются не однозначно. /2, 12, 14/

Процесс каустификации - пример гетерофазной системы жидкость-твердое (Ж-Т). Межфазные процессы широко распространены в химической технологии. Они возникают при образовании и растворении осадков, испарении и перегонки веществ, переходе веществ из одной фазы в другую, при адсорбции на поверхности твердых тел, экстракции из твердых тел. Скорость межфазных процессов обычно велика в начале контакта фаз и постепенно уменьшается во времени до некоторого постоянного значения, характеризуемого константой химического межфазного равновесия. Скорость гетерогенных процессов сильно зависти от перемешивания. При перемешивании вырабатываются концентрации в большей части объема, но у самой поверхности раздела фаз всегда остается небольшой концентрированный неисчезающий при перемешивании пограничный слой.

Для оценки эффективности возможных путей воздействия на скорость гетерогенной реакции важно знать, какая из стадий является наиболее медленной, определяющей скорость процесса в целом. Так как процесс каустификации лежит в кинетической области, то наиболее медленной стадией является химическое взаимодействие на границе разных фаз. При этом направление и скорость реакции зависит главным образом от соотношения концентраций гидроксид и карбонат ионов в растворе. /18,19/

На практике применяют 10-15 % раствор карбоната натрия, при этом достигается степень каустификации в среднем около 90 % и получают щёлок, содержащий 100 – 120 г/дм3 гидроокиси натрия. Низкая концентрация едкого натра в щёлоках - основной недостаток известкового метода. /1/

Весьма малый тепловой эффект реакции (1), а именно, 0,84 кДж показывает, что температура мало влияет на равновесную степень каустификации. Ниже приведены экспериментальные равновесные степени каустификации, полученные при постоянной концентрации исходного содового раствора и различной температуре:

температура, 0С8090100

степень каустификации, %97,196,896,9

Процесс каустификации ведут при температуре 90 – 100 0С, что обеспечивает достаточно высокую скорость процесса и быстрое осаждение крупнокристаллического карбоната кальция. /2/

В 1882 г. был разработан и внедрён в промышленность ферритный способ получения едкого натра, также основанный на применении кальцинированной соды. Этот способ заключается в получении феррита натрия Na2O · Fе2О3 и последующем его разложении водой или слабыми оборотными щёлочами. Феррит натрия образуется при спекании кальцинированной соды с окисью железа (ІІІ) при высокой температуре. Процесс спекания сопровождается реакцией 2:

Na2CO3 + Fe2O3 = Na2 О · Fe2О3 + CO2(2)

При выщелачивании спека водой образуется едкий натр и окись железа (III) по уравнению реакции 3:

Na2O Fe2O3 + H2O = 2NaOH + Fe2O3 (3)

В настоящее время ферритный способ практически не применяется из-за технологической сложности и больших затрат ручного труда. /1,2/

В конце Х1Х в стали быстро развиваться электрохимические методы получения гидроксидов электролизом водных растворов солей (хлорида натрия). Это наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех важнейших химических продуктов – хлора, водорода, гидроксида натрия с использованием доступного и дешевого сырья для получения рассола. Эти факторы объясняют быстрое развитие электрохимического производства каустической соды как основного промышленного метода его получения. Благодаря чистоте получаемых продуктов, простому и компактному аппаратурному оформлению, а также несложности, одностадийности химико-технологической системы электролиз хлорида натрия – стал основным способом производства гидроксида натрия. /14/ Первый патент на электрохимический метод производства гидроксида натрия и хлора был получен русскими учеными Н. Глуховым и Ф. Ващуком в 1879 году, а уже в 1880 году стало возможным промышленное внедрение этого способа. Электролиз раствора хлорида натрия протекает по суммарной реакции 4:

2NaCL + 2H2O = 2NaOH + CL2 ↑ + H2 ↑ (4)

Сырьем для получения исходного рассола является каменная соль, озерная соль, природные подземные растворы хлорида натрия.

В зависимости от применяемого катода электролиз проводят тремя способами: диафрагменным (с твердым катодом), ртутным (где катод-ртуть) и мембранным (где вместо диафрагмы используется катионно- или анионообменная мембрана). Каждый из указанных способов электролитического получения щелочи и хлора отличается реакциями, протекающими на катодах.

В диафрагменном способе на твердом катоде происходит разряд ионов водорода с образованием в электролите щелочи содержащей остаточное количество хлорида натрия. В анодное пространство подается горячий очищенный рассол и отводится образующий газообразный хлор. В отечественной промышленности применяются высокогерметичные электролизеры различной конструкции: вертикальной листовой асбестовой диафрагмой; с осажденной диафрагмой; с верхним токопроводом. Наибольшее использование нашли электролизеры с вертикальной осажденной диафрагмой и нижним токоподводом. (рис. 2) /12/ В процессе электролиза образуется 99 % хлор, 99,5 % водород и электролитическая щелочь, содержащая 130-135 г/л гидроксида натрия.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10