Способ получения бикарбоната натрия и карбонизационная колонна для его осуществления

Способ получения бикарбоната натрия и карбонизационная колонна для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к способам получения бикарбоната натрия методом карбонизации аммонизированного рассола и аппаратурному оформлению указанного процесса и может быть широко использовано в производстве кальцинированной соды аммиачным способом.

Процесс карбонизации (насыщение аммонизированного рассола диоксидом углерода), в результате которого образуется кристаллический бикарбонат натрия, выпадающий в осадок, является основным в производстве кальцинированной соды и осуществляется в карбонизационной колонне. Химизм процесса в общем виде можно представить следующим уравнением:

NaCl+NH₃+H₂O+СО₂=NaHCO₃+NH₄Cl

Это уравнение реакции характеризует только конечный результат процесса, действительный механизм которого гораздо сложнее и зависит от множества факторов.

Широко известен способ получения бикарбоната натрия методом карбонизации аммонизированного рассола, включающий насыщение аммонизированного рассола углекислым газом, подаваемым противотоком к аммонизированному рассолу, с дальнейшим охлаждением полученной суспензии и кристаллизацией бикарбоната натрия [Беньковский С В., Круглый С.М., Секованов С.К. Технология содопродуктов. М.: Химия, 1972 г., с.78-79]. Данный способ получения бикарбоната натрия осуществляют в карбонизационной колонне, представляющей собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из отдельных чугунных бочек, которые соединены фланцами на болтах. Фланцы уплотнены резиновыми прокладками. Нижняя часть колонны состоит из холодильных бочек, расположенных на бочке-базе. Колонны различных типов имеют внутренний диаметр от 1,8 до 3,0 м и высоту от 21,7 до 27 м и различное количество холодильных бочек.

Основным недостатком данного способа получения бикарбоната натрия является низкое качество получаемого продукта, низкая степень использования диоксида углерода. Карбонизационная колонна, в которой осуществляется способ, обладает низкой производительностью.

Известен способ получения бикарбоната натрия методом карбонизации аммонизированного рассола, включающий насыщение аммонизированного рассола углекислым газом, подаваемым противотоком к аммонизированному рассолу, с дальнейшим охлаждением полученной суспензии и кристаллизацией бикарбоната натрия, обеспечивающий достаточно высокую степень использования диоксида углерода. Процесс проводят в карбонизационной колонне, состоящей из абсорбционных и холодильных бочек [И.Н.Шокин, С.А.Крашенниников. Технология соды. М.: Химия, 1975.].

Данный способ обладает следующими основными недостатками:

- низкое качество кристаллов бикарбоната натрия;

- карбонизационная колонна, в которой проводят процесс, имеет низкую производительность - 250 т/сутки.

Известен способ получения бикарбоната натрия методом карбонизации аммонизированного рассола, включающий насыщение аммонизированного рассола углекислым газом, подаваемым противотоком к аммонизированному рассолу, с дальнейшим охлаждением полученной суспензии и кристаллизацией бикарбоната натрия, в котором аммонизированный и частично карбонизованный рассол делят на два потока, первый поток с температурой 43-58°С и содержанием аммиака 76-85 кг/м³ подают на 4,5-6,5 м ниже верхнего конца карбонизационной колонны, а второй поток дополнительно насыщают аммиаком до его содержания 94-110 кг/м³ и подают с температурой 40-55°С в место, где концентрация связанного аммиака в аммонизированном рассоле составляет 21-25 кг/м³ [RU №2209181, МПК C01D 7/18, 2001 г.]. Согласно этому изобретению процесс проводят в карбонизационной колонне, состоящей из абсорбционных и холодильных бочек, которые чередуются поодиночке или группами, причем верхняя холодильная бочка установлена на расстоянии 0,45-0,65 высоты колонны, считая от ее основания, а патрубок ввода дополнительного аммонизированного рассола установлен на расстоянии 0,68-0,73 высоты колонны, считая от ее основания.

Недостатками данного способа и колонны, в которой осуществляется процесс, являются:

- сложность практической реализации способа;

- наличие дополнительной стадии разделения суспензии бикарбоната натрия на фракции, что приводит к недостаточно высокому качеству целевого бикарбоната натрия;

- относительно невысокая производительность колонны.

Также известен способ карбонизации аммонизированного рассола в производстве кальцинированной соды аммиачным способом, включающий насыщение аммонизированного и частично карбонизованного рассола углекислым газом, подаваемым противотоком к аммонизированному рассолу, с дальнейшим охлаждением полученной суспензии и кристаллизацией бикарбоната натрия. Карбонизационная колонна, реализующая этот способ, содержит верхнюю абсорбционную часть, оснащенную абсорбционными бочками, и нижнюю, кристаллизационную часть, оснащенную холодильными бочками [Г.А.Ткач, В.П.Шапорев, В.М.Титов. Производство соды по малоотходной технологии. Харьков, ХГПУ, 1998 г.].

Наибольшее применение получила карбонизационная колонна с внутренним диаметром холодильной зоны 2,8 м, абсорбционной зоны - 3,0 м и содержит 8 холодильных бочек и 12 абсорбционных бочек.

Основным недостатком известного способа и колонны, осуществляющей этот способ, являются недостаточно высокое качество получаемого бикарбоната натрия и сравнительно низкая производительность колонны.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ получения бикарбоната натрия в карбонизационной колонне, имеющей абсорбционную и холодильную зоны, включающий насыщение аммонизированного и частично карбонизованного рассола углекислым газом, подаваемым противотоком к аммонизированному и частично карбонизованному рассолу, с дальнейшим охлаждением полученной суспензии и кристаллизацией бикарбоната натрия при 63-65°С, при этом количество подаваемого углекислого газа в абсорбционную зону составляет 7000-9000 м³/час, а в холодильную - 5000-7700 м³/час и соотношение абсорбционной зоны к холодильной равно 1,232-1,239:1,000.

Карбонизационная колонна состоит из абсорбционной и холодильной зон и содержит абсорбционные и холодильные бочки, патрубки ввода аммонизированного и частично карбонизованного рассола и углекислого газа и патрубки вывода суспензии бикарбоната натрия и отходящего газа, при этом холодильная зона состоит из одной пары холодильных бочек, остальные чередуются с абсорбционными поочередно, при этом верхний фланец последней холодильной бочки установлен на расстоянии 0,446-0,448 м высоты колонны, считая ее от основания, а патрубок ввода углекислого газа в абсорбционной зоне установлен на расстоянии 1,17 м от верхнего фланца последней холодильной бочки, при этом высота абсорбционной зоны составляет не менее 55,19% от общей высоты колонны [RU №2258034, МПК C01D 7/18, 2004 г.].

Недостатками известного способа и колонны, осуществляющей процесс, являются:

- данный способ и конструкция колонны может быть применена только на карбонизационных колоннах, имеющих внутренний диаметр не более 2,68 м, т.е. носит ограниченное применение;

- повышенное содержание остаточной влаги в бикарбонате натрия после фильтрования;

- недостаточно высокая производительность колонны.

Технической задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование известного способа карбонизации аммонизированного и частично карбонизованного рассола в производстве кальцинированной соды аммиачным способом и колонны для осуществления этого способа, позволяющее повысить производительность колонны и улучшить качество кристаллов бикарбоната натрия, что способствует получению продукта с низкой остаточной влагой при фильтрации получаемой в карбонизационной колонне суспензии бикарбоната натрия.

Для получения хорошего крупнокристаллического осадка бикарбоната натрия процесс карбонизации должен осуществляться в оптимальных условиях, что практически определяется высотой абсорбционной зоны и равномерностью охлаждения в холодильной зоне.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе получения бикарбоната натрия в карбонизационной колонне, состоящей из абсорбционных и холодильных бочек, образующих соответственно абсорбционную и холодильную зоны, включающий насыщение аммонизированного и частично карбонизованного рассола карбонизующим газом, подаваемым противотоком к аммонизированному и частично карбонизованному рассолу, дальнейшую кристаллизацию бикарбоната натрия и охлаждение полученной суспензии, согласно изобретению в абсорбционную зону колонны подают карбонизующий газ с объемной концентрацией CO₂ 37-45% в количестве 9050-9200 м³/час, в холодильную зону колонны подают карбонизующий газ с объемной концентрацией CO₂ 75-80% в количестве 7800-8200 м³/час, охлаждение полученной суспензии осуществляют в холодильной зоне, образованной холодильными и промежуточными бочками, и разделенной на две части разделительной зоной, причем высота нижней части холодильной зоны составляет 15-35% от суммарной протяженности холодильной зоны, а высота разделительной зоны составляет не менее 15% внутреннего диаметра колонны.

На представленной фигуре изображена заявляемая карбонизационная колонна, в которой реализуется предлагаемый способ.

Карбонизационная колонна содержит абсорбционные бочки (царги), образующие абсорбционную зону 1, холодильные бочки, чередующиеся с промежуточными бочками, образующими холодильную зону, состоящую из верхней 2 и нижней 3 частей, разделенных разделительной зоной 4. Основанием колонны служит бочка-база 5. Верхняя часть колонны предпочтительно содержит сепарационную зону 6 для уменьшения каплеуноса. Патрубки 7, 8 используют для ввода аммонизированного и частично карбонизованного рассола, патрубок 9 используют для ввода карбонизующего газа в абсорбционную зону, патрубок 10 - для ввода карбонизующего газа в холодильную зону, патрубок 11 - для отвода отходящего газа, патрубки 12 и 13 - соответственно для ввода и вывода воды в холодильной зоне и патрубок 14 - для выходящей суспензии бикарбоната натрия.

Чтобы избежать в процессе кристаллизации резкого увеличения степени пересыщения, необходимо не допускать резкого охлаждения, поэтому холодильная зона разделена на две части с разными поверхностями охлаждения, что способствует равномерному охлаждению раствора в процессе кристаллизации бикарбоната натрия, правильному росту образовавшихся кристаллов по всей длине холодильной зоны и снижению степени пересыщения раствора.

Способ осуществляют следующим образом: в верхнюю часть карбонизационной колонны, состоящей из абсорбционных и холодильных бочек, образующих соответственно абсорбционную и холодильную зоны, подают аммонизированный и частично карбонизованный рассол, который насыщают карбонизующим газом, подаваемым в абсорбционную зону колонны с объемной концентрацией СО₂ 32-45% в количестве 9050-9200 м³/час и в холодильную зону колонны с объемной концентрацией СО₂ 75-85% в количестве 7800-8200 м³/час. В результате насыщения аммонизированного и частично карбонизованного рассола углекислым газом происходит образование (завязка) кристаллов бикарбоната натрия. Оптимальная температура в зоне завязки кристаллов поддерживают в пределах 65-70°С. Далее полученную суспензию охлаждают, причем с целью равномерного охлаждения, холодильная зона колонны, образованная холодильными и промежуточными бочками, разделена на две части разделительной зоной, причем высота нижней части холодильной зоны составляет 15-35% от суммарной протяженности холодильной зоны, а высота разделительной зоны составляет не менее 15% внутреннего диаметра колонны. Достигаемая равномерность охлаждения обеспечивает как высокую производительность колонны, так и высокое качество получаемых кристаллов бикарбоната натрия.

Пример осуществления способа

Частично карбонизованный рассол (водный раствор хлорида натрия), содержащий аммиак 85-90 кг/м³ и углекислый газ 60-70 кг/м³, при температуре 38-42°С подают в верхнюю часть карбонизационной колонны. Карбонизующий газ подают по двум вводам: первый ввод осуществляют через патрубок 10, находящийся в бочке-базе, в количестве 7800-8200 м³/час с объемным содержанием СО₂ 75-85%, второй ввод осуществляют в нижнюю часть абсорбционной зоны через патрубок 9 в количестве 9050-9200 м³/час с объемным содержанием СО₂ 32-45%. Карбонизующий газ движется противотоком к жидкости. Максимальное насыщение карбонизованного рассола определяют по содержанию связанного аммиака (NH₄Cl). Вода на охлаждение подается в нижнюю холодильную зону через патрубок 12 и выводится через патрубок 13 верхней холодильной зоны. Отходящий газ выводят через патрубок 11. Полученную суспензию бикарбоната натрия выводят из патрубка 14 и направляют на фильтрацию для отделения кристаллов бикарбоната натрия. Полученный бикарбонат натрия имеет остаточную влажность 15-16,8%. Производительность колонны составляет 560-580 т/сутки.

Данные по примерам, демонстрирующим осуществление заявляемого способа в предлагаемой карбонизационной колонне, представлены в таблице.

На основании представленных в таблице данных можно сделать вывод, что предлагаемый способ получения бикарбоната натрия и карбонизационная колонна для осуществления этого способа имеют явные преимущества по сравнению с известными способами и, соответственно, с колоннами, осуществляющими способ карбонизации: имеют большую производительность и лучшее качество кристаллов бикарбоната натрия.

Таблица
	Показатели	Примеры
1	2	3	4
1	Диаметр абсорбционной зоны/холодильной зоны, м	2,68/2,68	3,0/2,8	3,0/2,8	3,0/2,8
2	Высота, м	28,1	28,0	28,5	28,5
3	Число холодильных бочек (царг), шт.	8	8	8	8
4	Число абсорбционных бочек (царг), шт	12	12	12	12
5	Количество углекислого газа, м3/час:
	а) в абсорбционную зону	9000	9050	9100	9200
	в) в холодильную зону	7500	7800	8000	8200
6	Содержание связанного аммиака NH4Cl кг/м3	192,1	188,0	193,6	193,8
7	Температура в зоне завязки кристаллов, °С	60	65	68	70
8	Количество влаги в отфильтрованном осадке, % мас.	15,8	15,5	15,5	15,7
9	Производительность колонны, т/сутки (в пересчете на кальцинированную соду)	560	580	570	580

Необходимо отметить простоту осуществления предлагаемого изобретения, т.к. заявляемый способ и карбонизационная колонна для его осуществления могут быть реализованы на действующих производствах без каких-либо существенных изменений в смежных производственных стадиях с использованием стандартных конструкционных элементов.

1. Способ получения бикарбоната натрия в карбонизационной колонне, состоящей из абсорбционных и холодильных бочек, образующих соответственно абсорбционную и холодильную зоны, включающий насыщение аммонизированного и частично карбонизованного рассола карбонизующим газом, подаваемым противотоком к аммонизированному и частично карбонизованному рассолу, дальнейшую кристаллизацию бикарбоната натрия и охлаждение полученной суспензии, отличающийся тем, что в абсорбционную зону колонны подают карбонизующий газ с объемной концентрацией CO₂ 32-45% в количестве 9050-9200 м³/ч, в холодильную зону колонны подают карбонизующий газ с объемной концентрацией CO₂ 75-85% в количестве 7800-8200 м³/ч, охлаждение полученной суспензии осуществляют в холодильной зоне, образованной холодильными и промежуточными бочками и разделенной на две части разделительной зоной, причем высота нижней части холодильной зоны составляет 15-35% от суммарной протяженности холодильной зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в зоне завязки кристаллов бикарбоната натрия поддерживают в пределах 65-70°С.

3. Карбонизационная колонна для получения бикарбоната натрия, включающая абсорбционные бочки, образующие абсорбционную зону, холодильные бочки, образующие холодильную зону, бочку-базу, бочки сепарационной зоны, патрубки ввода аммонизированного и частично карбонизованного рассола и карбонизующего газа и патрубки вывода суспензии бикарбоната натрия и отходящего газа, отличающаяся тем, что холодильная зона колонны дополнительно включает промежуточные бочки, чередующиеся с холодильными, и состоит из двух частей, разделенных разделительной зоной, причем высота нижней части холодильной зоны составляет 15-35% от суммарной протяженности холодильной зоны, а высота разделительной зоны составляет не менее 15% внутреннего диаметра колонны.

4. Карбонизационная колонна по п.3, отличающаяся тем, что диаметр абсорбционной части равен 3 м, а холодильной части - 2,8 м.