Производство кальцинированной соды (Na2CO3)

До 60-х годов 19 в. соду получали по способу Леблана из сульфата натрия, известняка и угля, которые сплавлялись во вращающихся печах при 950-1000˚С с образованием содового плава:

Na₂SO₄ + 2C + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaS + 2CO_2.

Содовый плав дробили, измельчали и выщелачивали водой. Раствор соды отфильтровывали от нерастворимого остатка, обрабатывали для перевода едкого натрия в соду и выпаривали. После прокаливания и измельчения получали готовый продукт – соду.

Сода, получаемая по способу Леблана, была низкого качества и дорогой, а аппаратурное оформление процесса было громоздким.

В 60-х годах 19 в. был предложен аммиачный способ получения соды – способ Сольвэ.

 CaCO₃ → CO₂ + CaO; NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O ↔ NaHCO₃ + NH₄Cl

CaO + H₂O → Ca(OH)₂; Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

 2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Из схемы видно, что для получения соды необходимо иметь известь СаО углекислый газ CO_2, раствор поваренной соли NaCl и аммиак NH₃. СаО и CO₂ получают разложением мела или известняка при нагревании

CaCO₃ ↔ CaO + CO₂ - Q

Известняк (куски 40-120 мм), смешанный с твердым топливом (куски 40-80 мм), нагревают в шахтных печах диаметром 4-6 м и высотой 14-22 м. В нижнюю часть печи подают воздух, который окисляет углерод топлива с выделением тепла, достаточного для разложения известняка. Температура в печи 1000-1300˚С. Известь выгружают из нижней части печи, а газы, содержащие 35-40% CO_2, выводят сверху и после очистки от пыли используют в производстве. Производительность шахтных печей 150-600 т /сутки СаО.

Для разложения хлористого аммония и возврата NH₃  в процесс применяют известковое молоко (270-308 г/л  Ca(OH)₂), получаемое во вращающихся барабанах-гасителях при обработке негашеной извести водой.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + Q

Раствор поваренной соли концентрацией 305-310 г/л получают донасыщением подземных, как естественных, так и искусственных рассолов. Естественные рассолы получают в результате растворения пластов каменной соли подпочвенными водами с образованием подземных озер и источников, а искусственные – путем подземного выщелачивания каменной соли. Добываемые рассолы содержат механические (песок) и растворимые (сульфаты кальция, магния и др.) в воде примеси. Для удаления ионов кальция рассол обрабатывают содой

Ca²⁺ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2Na⁺

 а для осаждения магния – щелочью:

Mg²⁺ + 2NaOH → Mg(OH)₂ + 2Na⁺

 После отстаивания и фильтрации рассол направляют на использование.

 Аммиак в процессе получения соды не должен расходоваться, но потери его неизбежны, поэтому для компенсации потерь в систему вводят аммиачную воду (18-20% NH₃). Получение кальцинированной соды осуществляется по одинаковой в принципе технологической схеме, которая в упрощенном виде представлена на рис. 1.

Рис.1 Схема производства кальцинированной соды

Очищенный рассол (305-310 г/л) NaCl из сборника 1 самотеком поступает в абсорбционные колонны барботажного типа 2 (абсорберы), где насыщается NH₃ и частично СО₂ при улавливании их из газов, отходящих из карбонизационной 3 и дистилляционной 6 колонн и вакуум-фильтров 5. Абсорбция СО₂ и NH₃ ведется последовательно в нескольких абсорберах общей высотой до 45 м; причем после каждой ступени абсорбции тепло реакции отводится с помощью выносных холодильников (на схеме не показаны).
Рассол, охлажденный и насыщенный NH₃ и частично СО₂, содержащий углекислые соли аммония [2NH₃ + CO₂ + H₂O = (NH₄)CO₃] и NH₄OH, поступает в верхнюю часть карбонизационной колонны. В среднюю часть колонны  компрессором 8 подается очищенный в промывателе 9 газ (35-40% CO₂) известково-обжигательных печей 10, а в нижнюю часть колонны, охлаждаемую водой, - смешанный газ  (60-80% CO₂), состоящий из газа известково-обжигательных печей и газа (85-95% CO₂) содовых печей 7, охлажденных в холодильнике 4.
Процесс образования соды суммарно можно выразить уравнением

NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O ↔ NaHCO₃ + NH₄Cl

         Эта реакция идет в несколько стадий по высоте колонны. В верхней части колонны NH₄OH реагирует с CO₂ по реакции

2NH₄OH + CO₂ = (NH₄)₂CO₃ + H₂O

         По мере повышения концентрации углекислого аммония в растворе он реагирует с избытком CO₂ и переходит в двууглекислый аммоний:

(NH₄)₂CO₃ + CO₂ + H₂O = 2NH₄НCO₃

Вследствие накопления ионов НCO₃^- в растворе, начиная с середины колонны, происходит постепенно реакция обменного разложения между поваренной солью и двууглекислым аммонием с выделением в осадок двууглекислого натрия:

NH₄НCO₃ + NaCl ↔ NaHCO₃ + NH₄Cl

         Для увеличения выхода бикарбоната натрия, получения более крупных кристаллов и улучшения абсорбции CO₂ нижняя часть колонны охлаждается водой. При температуре жидкости 25-28˚С степень превращения поваренной соли в бикарбонат натрия составляет 70-73%. Так как реакция не доходит до конца, то в растворе, кроме NH₄Cl, кристаллов NaHCO₃, находятся углекислые соли аммония и NaCl. Из колонны газы, содержащие 4-7% CO₂ и NH₃, направляются в абсорбер 2, а пульпа – самотеком в фильтрацию.

         Отделение бикарбоната натрия происходит в вакуум-фильтрах непрерывного действия. Фильтр представляет собой полый барабан, боковая поверхность которого сделана из сетки и обтянута фильтрующей тканью. Барабан помещается в корытообразном сосуде, в который попадает пульпа для фильтрования. При вращении барабана из внутренней его части, погруженной в жидкость, насосом откачивается воздух, благодаря чему внутри его создается разрежении. При этом жидкость втягивается во внутреннюю его часть, а осадок бикарбоната натрия оседает на ткани. Осадок промывается водой для удаления растворимых примесей, снимается ножом и при помощи транспортера подается в содовую печь для кальцинации. Воздух, отсасываемый из фильтров, направляется в абсорбер, где из него улавливают CO₂ и NH₃, а жидкость (фильтрат) подается на дистилляцию в колонну.

         В содовой печи, представляющей собой полый, вращающийся барабан с внешним обогревом, при температуре 140-170˚С происходит разложение бикарбоната с образованием кальцинированной соды и её сушка

2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Готовая сода с помощью шнеков и транспортеров поступает на упаковку, а газы, содержащие 85-95% CO₂, - на карбонизацию. В дистилляционной колонне происходит регенерация аммиака из жидкости. Двууглекислые и углекислые соли аммония разлагаются при 70-80˚С

NH₄HCO₃ = NH₃ + CO₂ + H₂O

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ + CO₂ + H₂O

         Для разложения хлористого аммония в дистилляционную колонну подается известковое молоко из аппарата для гашения извести

 Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

         В нижнюю часть дистилляционной колонны подается пар, который отгоняет NH₃ из раствора. NH₃ и CO₂ возвращаются в абсорбер 2 для насыщения солевого рассола. Оставшийся раствор содержит в основном хлористый кальций и поваренную соль. Он является отходом производства и отводиться в шламовые бассейны.

         Большинство аппаратов содовых заводов однотипно и представляет собой барботажные колонны, составленные из секций – царг. Аппараты (абсорберы, теплообменники, промыватели), в которых происходит только поглощение газов (без образования осадков) или охлаждение их, состоят из барботажных многоколпачковых тарелок-пассетов, а аппараты, в которых циркулируют суспензии или образуются осадки (карбонизационная, дистилляционная колонны), состоят из одноколпачковых тарелок.

         Кальцинированная сода применяется в производстве стекла, мыла и моющих средств, красителей, для обработки руд при получении некоторых металлов.