способ получения твердого едкого натра и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения твердого едкого натра, включающий концентрирование и кристаллизацию раствора едкого натра с получением твердого продукта, отличающийся тем, что раствор едкого натра концентрируют до 51-92%, охлаждают и выдерживают при постоянной температуре, выбранной в интервале 70-150С, осветленный раствор едкого натра подают на кристаллизацию, которую проводят при 0-300С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллизации подвергают раствор едкого натра с концентрацией 51-75% при температуре 0-60С с получением преимущественно твердого моногидрата едкого натра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллизации подвергают раствор едкого натра с концентрацией 75-92% при температуре 40-300С с получением преимущественно твердого безводного едкого натра, после чего оставшийся раствор с концентрацией, сниженной до 60-75% по едкому натру, кристаллизуют при температуре 20-60С с получением преимущественно твердого моногидрата едкого натра.

4. Устройство для получения твердого едкого натра, содержащее установку для концентрирования раствора едкого натра и кристаллизационную установку для кристаллизации концентрированного раствора едкого натра, отличающееся тем, что между установкой для концентрирования раствора едкого натра и кристаллизационной установкой размещен аппарат для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра, при этом кристаллизационная установка соединена по осветленному раствору едкого натра с аппаратом для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что между аппаратом для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра и кристаллизационной установкой размещены дополнительная установка для концентрирования и кристаллизационная установка, последовательно соединенные между собой по раствору едкого натра, при этом вход дополнительной установки для концентрирования соединен по осветленному раствору с аппаратом для охлаждения и выдержки, а кристаллизационные установки соединены между собой по раствору едкого натра.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области химической технологии, а именно к технологии получения едкого натра и установкам по его концентрированию, и может найти применение в химической промышленности.

Известен способ получения твердого едкого натра путем упаривания, плавки едкого натра в открытых горшках при атмосферном давлении, обогреваемых продуктами сгорания природного газа, с последующей кристаллизацией расплава в твердый чешуированный каустик. При этом температура плавки и прокалки каустика достигает 450С (см. Л.М. Якименко. Производство хлора, каустической соды и неорганических продуктов. М.: Химия, 1974 г., стр. 268).

В известном способе обезвоживание и плавку каустической соды производят в открытых толстостенных котлах с полусферическим днищем емкостью 8,3 м³, отлитых из чугуна с присадкой никеля. Установка состоит из котла-подогревателя и плавильного котла. Для обогрева котлов используют топочные газы. Температура кипения повышается в процессе с 300 до 550С. По окончании обезвоживания 96%-ный едкий натр с помощью вертикального погружного насоса перекачивается в железные барабаны, где застывает.

К недостаткам данной технологии необходимо отнести:

- периодичность ведения процесса;

- громоздкость оборудования;

- большую длительность одной операции (четверо суток);

- низкую коррозионную стойкость материала котлов (котел выдерживает до 100 плавок);

- высокие энергозатраты ввиду малой эффективности устройства.

Наиболее близким к заявляемому решением (прототипом) является способ получения твердого едкого натра путем упаривания раствора едкого натра до концентрации 94-99% под вакуумом и температуре 340-380С, с последующей кристаллизацией расплава охлаждением в башне грануляции (см. там же, стр. 270).

Технологически этот процесс осуществляют следующим образом. Исходный раствор с концентрацией 50-73% по едкому натру подвергают концентрированию под вакуумом при температуре 370-380С. Конечная концентрация твердого вещества в плавленом едком натре достигает при этом 99,5-99,9%. Расплавленный едкий натр может быть разлит в барабаны, подвергнут чешуированию или гранулированию.

Данный способ имеет преимущества перед описанным выше аналогом, заключающиеся в следующем:

- процесс ведется непрерывно;

- значительно уменьшаются габариты оборудования;

- проведение процесса плавки едкого натра в вакууме позволяет снизить рабочую температуру от 550 до 380С (без уменьшения степени обезвоживания);

- понижение рабочей температуры повышает коррозионную стойкость материала и увеличивает срок службы аппаратуры;

- значительно снижаются энергозатраты на ведение процесса.

Недостатками данного способа являются:

- высокая температура ведения плавки;

- необходимость применения дорогостоящих материалов;

- высокие энергозатраты при проведении процесса.

Устройство, в котором реализуется описанный выше способ, состоит из последовательно соединенных подогревателя исходного раствора, испарителя и сборника плавленого едкого натра. Кроме того, в устройство входит барометрический конденсатор и паровой эжектор. Испаритель представляет собой выпарной аппарат, выполненный из чистого никеля, работающий под вакуумом и обогреваемый парами даутерма. Смесь расплава едкого натра и водяного пара разделяется в сепараторе испарителя. Плавленый едкий натр собирается в сборник, а водяной пар конденсируется в барометрическом конденсаторе. Из сборника плав едкого натра направляется на кристаллизацию (см. там же, стр. 270).

Преимущества данного устройства по сравнению с устройством-аналогом заключаются в следующем:

- устройство позволяет вести процесс непрерывно;

- устройство позволяет вести процесс под вакуумом при более низких температурах;

- увеличивается срок службы аппарата.

К недостаткам данного устройства следует отнести:

- относительно короткий срок службы;

- необходимость применения дорогостоящих материалов;

- большие габаритные размеры;

- высокие энергозатраты.

Решаемая предлагаемыми изобретениями задача заключается в возможности получения твердого едкого натра при снижении энергетических затрат на проведение процесса, повышении качества производимого продукта и уменьшении капитальных затрат на оборудование.

Задача решается благодаря тому, что в способе получения твердого едкого натра, включающем концентрирование и кристаллизацию раствора едкого натра с получением твердого продукта, согласно изобретению раствор едкого натра концентрируют до 51-92%, охлаждают и выдерживают при постоянной температуре, выбранной в интервале 70-150С, осветленный раствор едкого натра подают на кристаллизацию, которую проводят при 0-300С.

В предпочтительном варианте реализации способа кристаллизации подвергают раствор едкого натра с концентрацией 51-75% при температуре 0-60С с получением преимущественно твердого моногидрата едкого натра.

В другом варианте реализации способа кристаллизации подвергают раствор едкого натра с концентрацией 75-92% при температуре 40-300С с получением преимущественно твердого безводного едкого натра, после чего оставшийся раствор с концентрацией, сниженной до 60-75% по едкому натру, кристаллизуют при температуре 20-60С с получением преимущественно твердого моногидрата едкого натра.

Заявленный способ осуществляют при помощи устройства для получения твердого едкого натра, содержащего установку для концентрирования раствора едкого натра и кристаллизационную установку для кристаллизации концентрированного раствора едкого натра, при этом согласно изобретению между установкой для концентрирования раствора едкого натра и кристаллизационной установкой размещен аппарат для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра, а кристаллизационная установка соединена по осветленному раствору едкого натра с аппаратом для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра.

В предпочтительном варианте реализации устройства между аппаратом для охлаждения и выдержки концентрированного раствора едкого натра и кристаллизационной установкой размещены дополнительная установка для концентрирования и кристаллизационная установка, последовательно соединенные между собой по раствору едкого натра, при этом вход дополнительной установки для концентрирования соединен по осветленному раствору с аппаратом для охлаждения и выдержки, а кристаллизационные установки соединены между собой по раствору едкого натра.

Указанные выше диапазоны концентраций раствора едкого натра, который подвергают кристаллизации, и температур, при которых ведут процесс, а также компоновка аппаратов в устройстве обеспечивают эффективное выделение из раствора моногидрата едкого натра, а при соответствии этих параметров определенным участкам кривой растворимости едкого натра в воде - и безводного едкого натра. Охлаждение и выдержка концентрированного раствора едкого натра при постоянной температуре, выбранной в интервале 70-150С, позволяют подавать на кристаллизацию либо доупаривание осветленный раствор едкого натра, причем необходимой температуры, что, с одной стороны, обеспечивает высокое качество получаемого продукта, а с другой - оптимизирует процесс кристаллизации указанного раствора.

Совокупность существенных признаков заявляемых технических решений обеспечивает требуемое качество твердого едкого натра, а также заметно снижает энергозатраты и металлоемкость оборудования, поскольку в данном случае отпадает необходимость в концентрировании раствора до 94-99% по едкому натру. Это обусловлено главным образом тем, что кристаллизацию проводят в постоянно обновляющейся тонкой пленке при температурах и концентрациях, позволяющих вести процесс кристаллизации из раствора, содержащего смесь моногидрата едкого натра и безводного едкого натра.

Способ осуществляют следующим образом.

При получении преимущественно моногидрата едкого натра исходный раствор сначала концентрируют до концентрации 51-75% по едкому натру, затем очищают от примесей, после чего подвергают кристаллизации при температуре 0-60С с получением чешуированного продукта.

При получении безводного едкого натра и моногидрата едкого натра исходный раствор сначала концентрируют до концентрации 51-75% по едкому натру, очищают от примесей, затем концентрируют до концентрации 75-92% по едкому натру и подвергают кристаллизации при температуре 40-300С с получением преимущественно чешуированного твердого безводного едкого натра. Оставшийся раствор с концентрацией, сниженной до 60-75% по едкому натру, кристаллизуют при температуре 20-60С с получением чешуированного моногидрата едкого натра.

Устройство для реализации заявляемого способа иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - устройство для получения преимущественно твердого моногидрата едкого натра;

фиг.2 - устройство для одновременного получения безводного едкого натра и твердого моногидрата едкого натра.

Устройство (фиг.1) содержит установку концентрирования 1, аппарат для охлаждения и выдержки раствора 2, фильтр 3, установку для кристаллизации 4. В варианте, изображенном на фиг.2, устройство дополнительно содержит установку концентрирования 5 и кристаллизационную установку 6. При этом установка концентрирования 5 расположена между аппаратом для охлаждения и выдержки раствора 2 и кристаллизационной установкой 6, выход которой соединен по раствору едкого натра с кристаллизационной установкой 4.

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Раствор едкого натра, полученный электролизом либо химическим путем, в установке концентрирования 1 концентрируется до концентрации 65-78% по едкому натру, затем в аппарате для охлаждения и выдержки раствора 2 выдерживается при постоянной температуре, выбранной в интервале 70-150С в зависимости от концентрации раствора. Осветленная часть раствора из аппарата 2 поступает в ванну кристаллизационной установки 4. Сгущенная часть подвергается фильтрованию на фильтре 3. Фильтрат насосом возвращается в аппарат для охлаждения и выдержки раствора 2. Охлаждаемый изнутри барабан кристаллизационной установки 4 с температурой стенки 10-30С, частично погруженный в раствор, вращаясь, увлекает тонкую пленку раствора, которая застывает на его поверхности. Образовавшаяся корка срезается ножом. Чешуйки продукта (моногидрата едкого натра) ссыпаются в бункер и направляются на затаривание.

Устройство, показанное на фиг.2, работает следующим образом.

Раствор едкого натра, полученный электролизом либо химическим путем, в установке концентрирования 1 концентрируется до концентрации 65-72% по едкому натру, затем в аппарате для охлаждения и выдержки раствора 2 выдерживается при постоянной температуре, выбранной в интервале 70-110С в зависимости от концентрации раствора. Осветленная часть раствора из аппарата 2 поступает на доупаривание в установку концентрирования 5. Сгущенная часть подвергается фильтрованию на фильтре 3. Фильтрат насосом возвращается в аппарат для охлаждения и выдержки раствора 2. Раствор, сконцентрированный до 75-92% по едкому натру в установке концентрирования 5, поступает в ванну кристаллизационной установки 6. Охлаждаемый изнутри барабан кристаллизационной установки 6 с температурой стенки 80-300С частично погружен в раствор. Вращаясь, барабан увлекает тонкую пленку раствора, которая застывает на его поверхности. Образовавшаяся корка продукта (безводного едкого натра) срезается ножом. Чешуйки ссыпаются в бункер и направляются на затаривание. Оставшийся в ванне обедненный основным продуктом раствор направляется в ванну кристаллизационной установки 4. Образовавшаяся на поверхности барабана, охлаждаемого водой с температурой 10-30С, корка продукта (моногидрата едкого натра) срезается ножом. Чешуйки ссыпаются в бункер и направляются на затаривание.

Приведенные ниже примеры 1-8 иллюстрируют предложенный способ в пределах параметров, которые заявляются. Примеры 9-10 - в пределах значений параметров, граничащих с заявляемыми.

Пример 1.

В никелевый стакан, снабженный мешалкой, изготовленной из никелевого сплава 201, заливали раствор химически чистого едкого натра в объеме 1,5 литра с концентрацией 46,6% по едкому натру. Стакан помещали в автоклав и концентрировали раствор до концентрации 51% по едкому натру при атмосферном давлении и интенсивном перемешивании. Первичный контроль концентрации проводили по температуре концентрирования, а затем анализом полученного раствора. Концентрированный раствор кристаллизовали на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 10С. Образующаяся корка каустика срезалась ножом. Анализ полученного твердого продукта показал содержание едкого натра - 51%.

Пример 2.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 1. Раствор химически чистого каустика с концентрацией 67% нагревали до температуры 90С и подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 20С. Анализ полученного твердого продукта - моногидрата едкого натра показал содержание едкого натра - 67%.

Пример 3.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 1. Раствор химически чистого каустика с концентрацией 75% по едкому натру нагревали до температуры 100С и подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 20С. Анализ твердого продукта (смесь моногидрата и безводного едкого натра) показал содержание едкого натра - 75%.

Пример 4.

В никелевый стакан, снабженный мешалкой, изготовленной из никелевого сплава 201, заливали раствор едкого натра, полученного диафрагменным электролизом, в объеме 1,5 л. Концентрация едкого натра в растворе составляла 46,6%. Кроме того, в растворе содержались примеси: Na₂CO₃ - 0,76%, NaCl - 2,7%, NaClO₃ - 0,31%. Раствор концентрировали в автоклаве до 78%, процесс проводили в открытой атмосфере при перемешивании. Первичный контроль концентрации проводили по температуре концентрирования, а затем анализом полученного раствора. Полученный раствор выдерживали на глицериновой бане при температуре 150С в течение 24 часов. Осветленную часть раствора сливали в отдельный никелевый стакан. Сгущенную часть фильтровали на воронке Бюхнера с фильтром из бельтинга и фильтровальной бумаги. Фильтрат добавляли к осветленной части в никелевый стакан и нагревали до температуры 200С, после чего сливали в ванну кристаллизационной установки. В указанную ванну помещали барабан, который вращали со скоростью 2 об/мин. Стенки барабана нагревали глицерином до температуры 180С. Образующуюся корку каустика на барабане срезали ножом. Анализ полученного твердого продукта показал содержание: NaOH - 92%, Nа₂СО₃ - 2,9%, NaCl -0,7%, NaClO₃ - 0,08%. Анализ раствора, оставшегося в ванне после кристаллизации, показал содержание едкого натра 75%.

Пример 5.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор едкого натра, полученного диафрагменным электролизом, предварительно концентрировали. Затем раствор с концентрацией едкого натра 85% и содержанием примесей Nа₂СО₃ - 3,2%, NaCl - 0,4% подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 205С. Анализ твердого продукта показал содержание: NaOH - 96,2%, Na₂CO₃ - 3,4%, NaCl - 0,15%. Анализ раствора, оставшегося в ванне после кристаллизации, показал содержание едкого натра 75%.

Пример 6.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор едкого натра, полученного диафрагменным электролизом, предварительно концентрировали. Затем раствор с концентрацией едкого натра 78% и содержанием примесей Na₂CO₃ - 3,1%, NaCl - 0,7%, NaClO₃ - 0,03% подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 175С. Анализ твердого продукта показал содержание: NaOH - 90,5%, Na₂CO₃ - 2,9%, NaCl - 0,75%, NaClO₃ - 0,08%. Анализ раствора, оставшегося в ванне после кристаллизации, показал содержание едкого натра 75%.

Пример 7.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор едкого натра, полученного диафрагменным электролизом, предварительно концентрировали. Затем раствор из ванны после первой стадии кристаллизации с концентрацией едкого натра 75% и температурой 200С подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 125С. Анализ полученного твердого продукта показал содержание едкого натра 75%.

Пример 8.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор химически чистого едкого натра предварительно концентрировали. Затем раствор с концентрацией едкого натра 85% нагревали до температуры 230С и подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности при температуре стенки 210С. Анализ твердого продукта показал содержание: NaOH - 98%, Na₂CO₃ -1,5%. Анализ оставшегося в ванне раствора показал содержание едкого натра - 79,2%.

Пример 9.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор едкого натра, полученного диафрагменным электролизом, предварительно концентрировали. Раствор с концентрацией едкого натра 78% выдерживали 24 часа при температуре 150С и фильтровали, затем фильтрат нагревали до 180С и подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности с температурой стенки 100С. Анализ твердого продукта показал содержание: NaOH - 80%, Na₂CO₃ - 2,9%, NaCl - 0,7%, NaClO₃ - 0,06%. Анализ оставшегося в ванне раствора показал содержание едкого натра - 79,2%.

Пример 10.

Процесс проводили аналогично описанному в примере 4. Раствор химически чистого едкого натра предварительно концентрировали. Затем раствор с концентрацией едкого натра 85% нагревали до температуры 210С и подвергали кристаллизации на охлаждаемой поверхности с температурой стенки 100С. Анализ твердого продукта показал содержание: NaOH - 85%, Na₂CO₃ - 3,2%.

Результаты описанных выше примеров сведены в таблицу.

Как видно из указанной таблицы, в примерах 4, 5, 6, 7, 8 кристаллизация раствора едкого натра при температурах 175-210С позволяет получать преимущественно безводный твердый едкий натр. Кристаллизация оставшегося в ванне раствора после первой стадии кристаллизации при температуре поверхности 10-30С (примеры 1, 2, 3) позволяет получать твердый моногидрат едкого натра.

Кристаллизация раствора едкого натра при температурах ниже точки растворимости безводного едкого натра (примеры 9-10) также приводит к получению преимущественно моногидрата едкого натра, что свидетельствует о нецелесообразности ведения процесса за пределами заявленных диапазонов параметров.