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.