Карбонизационные колонны работают сериями, чтобы обес­печить непрерывность потока суспензии, направляемого в от­деление фильтрации. Наибольшее распространение получили се­рии, состоящие из четырех карбонизационных колонн, из кото­рых три работают в качестве осадительных, а одна — колонна предварительной карбонизации.

Аппаратура отделения карбонизации

Карбонизационная колонна КЛ. Она яв­ляется основным аппа­ратом отделения карбо­низации. КЛ представ­ляет собой цилиндрическую пусто­телую колонну диамет­ром до 3 и высотой до 27 м, состоящую из ря­да чугунных бочек или царг. Сверху через штуцер 5 и колонну по­ступает из ПГКЛ-1 подлежащий карбони­зации раствор, а снизу через штуцер 2 и в се­редине через штуцер 9— углекислый газ. При работе колонна за­полнена раствором до определенного постоян­ного уровня.

Рис.9. Карбонизационная колонна (диаметром 2680 мм):

1-бочка-база; 2-штуцер для входа газа;3-холодильная бочка;4-абсорбционная бочка;5-штуцеры для входа жидкости;6-сепарационные бочкм;7-штуцеры для выхода газа;8-барботажная колонна;9-штуцер для входа газа;10-штуцер для выхода суспензии.

Осуществлению принципа противотока может препят­ствовать продольное перемешивание жидкости газом по высоте колонны. Чтобы это перемешивание свести к минимуму, между отдельными бочками 4 колонны устанавливают пассеты, или барботажные тарел­ки 8.Тарелка состоит из днища 2 и перекрыва­ющего его колпака 1.

Барботажные тарелки пре­пятствуют продольному перемешиванию жидкости в ко­лоне и обеспечивают равномерное распределение газа по сечению колонны и способствуют увеличению по­верхности контакта между газом и жидкостью.

В верхней части колонны установлены две пустые сепарационные бочки 6, предназначенные для отделения увлекаемых газом брызг жидкости и имеющие водомерные стекла для наблюдения за уровнем жидкости в колонне. Сверху колонна закрыта крышкой, на которой находится штуцер 7 для выхода газа и для установки предохранительного клапана.

В основе карбонизационной колонны установлена бочка-база 1 со сферическим днищем и штуцерами 10 и  2, через которые выводится суспензия бикарбоната натрия и подается компрессором смешанный газ (1-го ввода).

Бочки и барботажные тарелки колонны изготавливают из чугуна. Тонкостенные трубки в холодильных бочках толщиной 6мм делают из углеродистой стали или из специального чугуна, содержащего 0,5% Ni,0,4% Mn,3,3% C и 0,4% Cr.

Фильтрация суспензии бикарбоната натрия

В отделении фильтрации осуществляют процесс раз­деления выходящей из карбонизационных колонн бикарбонатной суспензии на твердую и жидкую фазы. Твердая фаза-бикарбонат натрия — должен быть не только от­делен от маточной жидкости, но и тщательно промыт. При промывке маточная жидкость, задержавшаяся меж­ду кристаллами бикарбоната, вытесняется водой, что снижает содержание хлоридов и углеаммонийных солей в отфильтрованном осадке. Для уменьшения влажности отфильтрованный бикарбонат дополнительно отжинают на фильтре.

Суспензии разделяют на твердую и жидкую фазы при помощи пористых перегородок, которыми служат шер­стяная, хлопчатобумажная и стеклянная ткань, слой пес­ка, гравия или кокса, пористая керамика и пр. Фильтрую­щей перегородкой является не только сама перегородка, но и находящийся на ней слой осадка. Поэтому по мере увеличения слоя осадка сопротивление прохождению жидкости возрастает пропорционально увеличению тол­щины слоя, пли, иначе говоря, пропорционально объему профильтрованной суспензии.

В содовой промышленности наиболее распространен способ фильтрации под разрежением. В этом случае дав­ление над фильтрующей перегородкой равно атмосферно­му. При сохранении постоянства давлений над фильтрую­щей перегородкой и под ней скорость фильтрации, т. е. объем жидкости, проходящий через фильтрующую по­верхность в единицу времени, непрерывно уменьшается, так как в процессе фильтрации толщина осадка на филь­трующей перегородке все время возрастает, следователь­но, увеличивается ее сопротивление.

Полученные при фильтрации осадки делятся по своим свойствам на сжимаемые, у которых рыхлая структура частиц под влиянием давления деформируется с умень­шением размера пор и объема осадка, и несжимаемые, у которых размер пор между частицами, объем и порис­тость осадка в процессе фильтрации практически не из­меняются. К первой группе осадков относятся аморфные и коллоидные, ко второй — осадки, имеющие кристалли­ческую структуру. Осадки бикарбоната натрия относятся ко второй группе.

На содовых заводах для разделения суспензии бикар­боната натрия применяют вращающиеся барабанные ва­куум-фильтры, работающие под разрежением. Нормаль­ная работа вакуум-фильтров в значительной степени за­висит от размеров кристаллов бикарбоната натрия, поступающих на фильтрацию.

Технологическая схема отделения фильтрации

Суспензия бикарбоната натрия из мерников карбонизационных колонн поступает в коллектор 2, распределяющий ее по отдельным фильтрам. Из коллектора 2 суспензия самотеком подается в корыто 9 вакуум-фильтра, имеющее мешалку 1. Фильтрующий барабан 7 примерно на 1/3 погружен в суспензию NaHCO3, находящуюся в корыте 9. Для нормальной работы фильтра важно, чтобы высота погружения фильтрующего барабана в суспензию оставалась неизменной. Избыток суспензии из корыта 9 непрерывно через перелив перетекает в сборник 16 с мешалкой. Из сборника 16 насос 15 возвращает суспензию в коллектор2. Качающаяся мешалка 1 не позволяет частицам NaHCO3 оседать на дно корыта 9. Через фильтрующую ткань под влиянием вакуума внутрь барабана проходят жидкость, промывная вода и воздух.

Рис.10. Типовая технологическая схема отделения фильтрации:

1-мешалка; - распределитеьный коллектор; 3-корыто для распределения промывной воды;4-напорный бачок для промывной воды;5-трубопровод сжатого воздуха;6-отжимной валик;7-фильтрующий барабан;8-срезающий нож;9-корыто вакуум-фильтра;10-транспортер сырого бикарбоната;11- сепаратор;12-барометрическая труба;13-сборник фильтровой жидкости;14,15-насосы;16-сборник с мешалкой для суспензии.

Воздух, отфильтрованная жидкость и промывная вода из внутренней части барабана 7 идут в сепаратор 11, где воздух отделяется от жидкой фазы и идет на  ПВФЛ.

Фильтрат из сепаратора 11 по барометрической трубе 12 идет в сборник фильтровой жидкости 13, откуда насосом 14 откачивается на дистилляцию.

При вращении барабана приставший к фильтрующей поверхности слой бикарбоната натрия попадает под от­жимной валик 6 для ликвидации образующихся на по­верхности осадка трещин, через которые могут попадать внутрь барабана воздух и промывная вода. После от­жимного валика осадок промывается слабой жидкостью или водой, поступающей из напорного бачка 4 для про­мывной воды в корыто 3, распределяющее воду ровной струей по ширине барабана. Количество подаваемой на промывку воды регулируют при помощи крана, установ­ленного между напорным бачком 4 и корытом 3. Про­мывная вода смешивается с фильтровой жидкостью внут­ри барабана и вместе с ней идет в сепаратор 11.

Промытый бикарбонат натрия вновь уплотняется вто­рым по направлению вращения барабана отжимным ва­ликом 6, подсушивается просасываемым через слой осад­ка воздухом, подаваемым по трубопроводу 5, и срезается с фильтрующей ткани ножом 8 на транспортер 10, кото­рый подает сырой бикарбонат натрия в содовую печь.

Кальцинация гидрокарбоната натрия

Кальцинация - термическое разложение гидрокарбоната натрия – является заключительной стадией в производстве кальцинированной соды. Основным назначением отделения кальцинации является получение определенного количества кальцинированной соды в виде непрерывного материального потока.

Технический бикарбонат натрия должен иметь белый цвет. Появление окраски указывает на коррозию стальных аппаратов в отделениях абсорбции и карбонизации. Окрашивает осадок окись железа, попадающая в него в результате коррозии.

Процесс кальцинации можно показать уравнением: 

2 NaHCO3(тв.)=Na2CO3(тв.)+СО2(газ)+Н2О(пар).

Кроме этой основной реакции при нагревании технического бикарбоната могут протекать дополнительные реакции:

(NH4)2CO3↔2NH3(газ)+СО2(газ)+Н2О(пар),

NH4 HCO3↔2NH3(газ)+СО2(газ)+Н2О(пар).

Хлористый аммоний взаимодействует при нагревании с бикарбонатом натрия по реакции

NH4Cl(раств.)+ NaHCO3 (тв)↔NaCl(тв)+ NH3(газ)+СО2(газ)+Н2О.

Карбамат натрия в присутствии воды при нагревании переходит в соду согласно реакции

2NaCO2NH2+ Н2О↔ Na2CO3(тв.)+СО2(газ)+2NH3(газ).

Таким образом, в результате кальцинации в твердой фазе остаются Na2CO3 и NaCl, а в газовую фазу переходят NH3, СО2 и Н2О.

Наличие влаги в гидрокарбонате усложняет аппаратурное оформление, так как влажный гидрокарбонат натрия малосыпуч, комкуется и налипает на стенки аппаратов. Последнее объясняется тем, что влага, представляющая собой насыщенный раствор NaHCO3, при контакте с горячей поверхностью интенсивно испаряется. Выделяющаяся твердая фаза, кристаллизуясь, образует плотно прилипающую к поверхности корку.

Твердый слой соды, обладающей низкой теплопроводностью, ухудшает теплопередачу, а в содовых печах, обогреваемых снаружи топочными газами, - приводит к перегреву и прогоранию стенки печи. Для борьбы с этим явлением влажный гидрокарбонат натрия смешивают с горячей содой (ретуром). При этом образуется новая твердая фаза – трона (NaHCO3· Na2CO3·2 Н2О). Свободная влага связывается в кристаллизационную, и продукт становится сыпучим.

При кальцинации бикарбоната натрия и троны в газовую фазу выделяются СО2, NH3 и водяные пары. Аммиак и углекислый газ должны бать возвращены в производство. Углекислый газ используют в процессе карбонизации аммонизированного рассола, для чего полезно иметь газ с высоким содержанием СО2.

Процесс кристаллизации можно разделить на три периода по времени. Первый период характерен быстрым подъемом температуры. Разложения бикарбоната н наблюдается, и все тепло расходуется на подогрев материала, удаление кристаллизационной воды из троны и разложение углеаммонийных солей. Второй период характеризуется постоянством температуры материала (t~125°С). Подводимое тепло расходуется на термическое разложение NaHCO3.  третьем периоде температура реакционной массы начинает резко возрастать. Это говорит о том, что процесс разложения бикарбоната закончился и подводимое тепло расходуется на нагрев полученной соды. На практике для ускорения процесса разложения NaHCO3 температуру соды на выходе из печи держат  в пределах 140 – 160°С.

Технологическая схема процесса кальцинации

Рис. 11. Схема отделения кальцинации:

1- паровой конденсатор; 2- питающий смеситель; 3.15 – ячейковые питатели; 4,10 – ленточные транспортеры; 5 – вибропитатель;6-течка-бункер; 7-плужковый сбрасыватель; 8,9,14,16-транспортеры; 11-циклон; 12-коллектор газа кальцинации; 13-сепаратор;17-сборник конденсата; 18-центробежные насосы; 19-сборник слабой жидкости; 20-холодильник газа кальцинации;21-редукционная охладительная установка (РОУ); 22-промыватель газа кальцинации;23-сборник промывной жидкости.

Отмытый па фильтрах влажный гидрокарбонат натрия с общего ленточного транспортера 10 с плужковым сбрасывателем 7 подается в бункер 6 вибропитателя 5, откуда вибропитателем и ленточным транспортером 4 через ячейковый питатель 3 подается в смеситель 2. В смеситель же поступает ретурная сода и сода, отделяемая от газов кальцинации в циклоне 11.

Подготовленную в смесителе трону направляют в межтрубное пространство барабана кальцинатора 1. В результате тепловой обработки троны получают кальцинированную соду и газы кальцинации. Кальцинированная сода через ячейковый питатель 15 выводится из кальцинатора и поступает па систему транспорте­ров 8, 9, 16. С наклонного транспортера 8 через питатель произ­водится отбор соды в смеситель. Остальная сода транспорте­рами 9, 14 подается на склад.

Газы кальцинации удаляются из кальцинатора через сме­ситель 2, в котором с помощью компрессора создается вакуум. По пути к компрессору газы проходят сухую очистку в циклонах 11 и мокрую — в цеховом коллекторе газа кальцинации 12 и промывателе 22. Перед промывателем газы кальцинации охлажда­ются в холодильнике 20.

На орошение в коллектор газа кальцинации подают так назы­ваемую слабую жидкость, образующуюся при конденсации водя­ных паров в холодильнике газов кальцинации. Эта жидкость, соприкасаясь с газом, поглощает частично аммиак и содовую пыль, стекая после этого в сборник 19.

В холодильнике 20 газ проходит сверху вниз по межтрубному пространству, а в трубках противотоком движется охлаждающая вода. Для предупреждения закристаллизовывання трубок холо­дильника и лучшей промывки газа от содовой пыли межтрубное пространство орошается слабой жидкостью. В промывателе газ орошается водой, при этом он дополнительно охлаждается и пол­ностью отмывается от соды и аммиака.

Для обогрева кальцинатора подают водяной пар высокого давления. Перед подачей в кальцинатор он проходит редукцион­ную охладительную установку (РОУ), где его температура сни­жается до 270°С, а давление — до 3 МПа. В трубках кальци­натора пар конденсируется, отдавая тепло кальцинируемому материалу. Конденсат из кальцинатора выводится в сборник конденсата 17 и далее в расширители, где преобразуется в пар низкого давления.

Технологическая схема отделения кальцинации соды при использовании содовых печей с ретурным питанием аналогична рассмотренной. При использовании печей с безретурным питанием влажный гидрокарбонат натрия подается в барабан печи специальным забрасывателем. Смешение его с содой происходит внутри печи, поэтому из технологической схемы исключается смеситель, и упрощается транспортирование соды.

Содержание Na2CO3 и примесей в соде зависит от состава исходного гидрокарбоната натрия и температуры процесса; пос­ледняя определяется обычно температурой выгружаемой соды.

Температурный режим в печах обусловлен как условиями проведения процесса, так и продолжительностью термообработки материала в этих аппаратах. При коэффициенте заполнения барабана 0,3 пребывание материала в содовой ретурной печи составляет около часа, в паровом кальцинаторе — 20—25 мин. Повышение температуры кальцинации в безретурных печах обусловлено, очевидно, комкообразованием при смешении влажного гидрокарбоната натрия с содой. В этих условиях повышение температуры необходимо для завершения процесса кальцинации во всей массе крупных гранул.

Переработка вторичных материальных ресурсов производства соды аммиачным способом

Из технологического цикла производства кальцинированной соды аммиачным способом выводятся дистиллерная суспензия, которую можно разделить на осветленную жидкость и твердый шлам; твердые шламы после стадии рассолоочистки; газообраз­ные вещества.

Если газовые выбросы содержат вещества в пределах пре­дельно допустимых норм, их выводят в атмосферу. Однако ос­ветленную дистиллерную жидкость и твердые шламы необхо­димо перерабатывать в продукты, полезные для хозяйственной деятельности человека. В связи с этим осветленную дистиллер­ную жидкость и шламы следует рассматривать не как отходы содового производства, а как вторичные материальные ресурсы (BMP).

В литературе широкое распространение получили термины «безотходная» и «малоотходная» технология получения того или иного продукта.

При создании малоотходной, или экологически рациональной, технологии стремятся обеспечить потребность в данном продукте наиболее полным использованием природных ресурсов (материальных и энергетических), т. е. предусматривается организация переработки вторичных материальных ресурсов и исключение вредных выбросов в атмосферу и водоемы, а также максимальное сокращение потерь тепла в окружающую среду.

К настоящему времени определились следующие основные направления в создании экологически рациональных технологических процессов:

1)разработка технологических систем и водооборотных циклов с выводом жидких отходов и выбросом вредных газов, допускаемых пределах для данного региона;

2)переработка вторичных материальных ресурсов (BMP) в полезные продукты;

3)снижение потерь тепла в окружающую среду за счет утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР);

4)создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов

Малоотходный комплекс производства кальцинированной соды имеет две системы водооборота, потребляющие около 18,0 м3 свежей воды на производство 1 т соды, около 2 м3 воды на стадию фильтрации шлама из дистиллерной суспензии, а кроме того, примерно 18 м3 расходуется на другие технологи­ческие нужды (всего 38 м3 на 1 т соды).

Потребление свежей воды может быть сокращено за счет следующего:

а) применения шламов дистилляции с концентрацией хлорид - ионов 8% (т. е. без промывки на стадии фильтрации) для по­лучения полезных продуктов. В этом случае на гашение извести будут направлены слабоминерализованные стоки, а не промыв­ные воды фильтрации шлама (потребление воды сокращается на 2,0 м3/т соды):

б)      ликвидации стока, выводимого из водооборотной системы производства соды па рассолопромысел для растворения соли, и выведение стока из водооборотной системы хлорида кальция для специальной очистки. В этом случае потребление воды сок­ращается примерно па 9,0 м3/т соды;

в)      очистки от взвешенных веществ, оксида и диоксида угле­рода слабоминерализованного стока  после известкового цеха; сток может далее направляться на повторное использование; вэтом случае потребление воды сокращается примерно на 8,5 м3/т соды;

г)       использования условно чистого конденсата в водооборот­ной системе хлорида кальция с экономией воды около 6 м3/т соды.

После завершения выполняемых сейчас исследовательских работ можно ожидать снижения потребления свежей воды при­мерно до 10 мэ на 1 т соды с созданием предпосылок реализа­ции бессточной схемы производства. Последнее предполагает использование для подпитки оборотной системы водоснабжения поверхностных сточных вод (ливневые и талые воды), объем которых зависит от расположения предприятия, климатических условий и занимаемой площади; в среднем этот объем со­ставляет 0,3—0,6 м3/т соды.

Производство хлорида кальция

При создании малоотходного комплекса производства соды предусматривается внедрение высокоэффективной технологии переработки осветленной дистеллерной жидкости, которая мо­жет либо перерабатываться с получением хлорида кальция, либо после соответствующей подготовки закачиваться в нефтя­ные скважины.

Дистиллерная жидкость представляет собой водный раствор минеральных солей, основными компонентами которого являются хлорид кальция (10—14 %) и хлорид натрия {5—7%). Описываемый ниже способ получения хлорида каль­ция с одновременным выделением хлорида натрия основан на концентрировании водного раствора этих солей.

Применение получаемого хлорида кальция в народном хозяйстве основано на его высокой гигроскопичности, т. е. способ­ности поглощать из воздуха значительные количества влаги и легко растворяться в воде; пониженной по сравнению с водой температуре замерзания и повышенной температуре кипения концентрированных растворов.

Основными потребителями хлорида кальция являются хими­ческая промышленность (производство синтетического каучука, флотационные процессы и др.), холодильная техника, строи­тельство (увеличивает скорость схватывания бетона), цветная металлургия (изготовление кальцийсодержащих сплавов бабби­тов), обработка руд для предотвращения смерзания, текстильная промышленность и другие отрасли народного хозяйства.

Основным потребителем попутно получаемого хлорида нат­рия является сельское хозяйство (приготовление комбикормов и кормосмесей), иногда NaCl возвращают в голову процесса для получения соды.

Закачка дистеллерной жидкости в нефтяные скважины

Второй вариант утилизации дистиллерной жидкости — ис­пользование ее после специальной подготовки для закачки в нефтяные скважины. Если производство соды расположено в районе добычи нефти, то этот вариант обладает следующими преимуществами:

исключается потребность нефтепромыслов в свежей воде;

увеличивается нефтеотдача за счет использования жидкости с большей плотностью;

отпадает необходимость затраты большого количества тепла для испарения воды в производстве хлорида кальция при выде­лении солей, содержащихся в дистиллерной жидкости;

возможность использования для подготовки жидкости нако­пители — «белые моря», — традиционно располагающиеся воз­ле каждого завода, производящего соду аммиачным способом.

Способ подготовки дистиллерной жидкости, используемой для закачки, включает следующие стадии:

отстой дистиллерной суспензии в накопителе «белое море»;

разбавление осветленной дистиллерной жидкости водой с целью снятия пересыщения по гипсу;

карбонизация разбавленной дистиллерной жидкости газом известковых печей в присутствии ретурного шлама;

отстаивание и транспортирование прокарбонизованной дис­тиллерной жидкости. Очистка газа от вредных выбросов атмосферу

Выше, при описании технологической схемы получения из­вести, были описаны системы, позволяющие сократить выбросы пыли до предельно допустимых норм. Однако до настоящего времени серь­езной проблемой было сокращение (исключение) выбросов в атмосферу токсичных газов: оксида углерода и диоксида серы, которые образуются в количестве 27 кг СО и 5,6 кг SO2 на 1 т соды. Для этой цели разработан аппарат регенеративного типа для дожигания токсичных газов, состоящий из двух реакцион­ных камер, сообщающихся между собой через камеру сгорания. В камере сгорания происходит интенсивная турбулизация потока технологического газа, содержащего токсичные горючие компоненты и незначительное количество (1—2%)  кислорода. Интенсивная турбулизация обеспечивает предварительное дожи­гание примесей (в частности, смолистых соединений) на разви­той нагретой поверхности перед подачей газовой смеси на ката­лизатор. В качестве катализатора применяют боксит, на поверх­ности которого происходит беспламенное сжигание оксида угле­рода, сероводорода и других токсичных горючих примесей при температуре 750—800°С. Процесс проводят в нестационарном режиме при периодических изменениях направления подачи в ре­акционные камеры обезвреживаемого газа с низкой температурой. Наилучшим является режим, при котором не расходуется природный газ, а необходимые температуры в зонах поддержи­вают за счет тепла, выделяющегося при дожигании газов.

Аппарат испытан в процессе обезвреживания оксида угле­рода в отходящие газах известково-обжигательных печей. При содержании в технологическом газе 1,5—2,3% СО аппарат ра­ботает в автотермическом режиме. Отходящие газы представляют собой вторичные энергетиче­ские ресурсы.

Схема производства соды аммиачным способом

1-напорный бак; 2-абсорбер; 3-карбонизационная (осадительная) колонна; 4-холодильник; 5-фильтр; 6-колонна дистилляции (дистиллятор); 7-содовая печь (сушилка); 8-компрессор; 9-промыватель газа известковообжиговых печей; 10-известковообжиговя печь; 11-аппарат для гашения извести.

Список литературы

1.             Зайцев И.Д., Гаткач Г.А., Стоев Н.Д. «Производство соды». – М.: «Химия»,1986г.

2.             Сасс – Тисовский Б.А.«Производство соды». – Л.: «Ленхимсектор», 1932г.

3.             Шокин И.Н., Крашенников С.А. «Технология кальцинированной соды и очищенного бикарбоната натрия». – М.: «Высшая школа», 1969 г.

4.             «Общая химическая технология и основы промышленной экологии». Под ред. Ксензенко. – М.: «КолосС», 2003г.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5