Получение соды аммиачным способом

Сода — один из самых многотоннажных продуктов неорганической технологии. Кальцинированная сода — безводный карбонат натрия $\mathrm{Na_2CO_3}$ , кристаллическая сода — его декагидрат $\mathrm{Na_2CO_3 \cdot 10H_2O}$ .

Теоретические основы

Соду получают через гидрокарбонат натрия, который осаждают из раствора по обменной реакции:

\mathrm{NaCl + NH_4HCO_3 \rightleftarrows NaHCO_3\!\downarrow + NH_4Cl}

Теоретическая основа способа — такая же четверная взаимная система, как и в производстве нитрата калия: $\mathrm{Na^+,\ NH_4^+ \parallel Cl^-,\ HCO_3^-,\ H_2O}$ . Из четырёх солей наименее растворим гидрокарбонат натрия — он и выпадает в осадок.

Расчёт выхода по диаграмме растворимости

Диаграмму системы изображают квадратом: по одной стороне откладывают долю ионов $\mathrm{NH_4^+}$ в сумме катионов, по другой — долю ионов $\mathrm{HCO_3^-}$ в сумме анионов. Наибольший выход гидрокарбоната достигается, когда маточный раствор после кристаллизации отвечает точке $b$ на границе поля кристаллизации $\mathrm{NaHCO_3}$ . Ионный состав раствора в этой точке (в долях):

Ион	$\mathrm{Na^+}$	$\mathrm{NH_4^+}$	$\mathrm{Cl^-}$	$\mathrm{HCO_3^-}$
Доля	0,18	0,82	0,82	0,18

Пусть из $x$ молей $\mathrm{NaCl}$ и $y$ молей $\mathrm{NH_4HCO_3}$ получается $V$ молей осадка $\mathrm{NaHCO_3}$ и 1 моль (по сумме солей) раствора состава $b$ :

x\,\mathrm{NaCl} + y\,\mathrm{NH_4HCO_3} + z\,\mathrm{H_2O} = V\,\mathrm{NaHCO_3} + 1\ \text{моль раствора состава } b

Баланс по каждому иону даёт систему уравнений:

\begin{aligned} \mathrm{Na^+}&: & x &= V + 0{,}18 \\ \mathrm{Cl^-}&: & x &= 0{,}82 \\ \mathrm{NH_4^+}&: & y &= 0{,}82 \\ \mathrm{HCO_3^-}&: & y &= V + 0{,}18 \end{aligned}

Отсюда $x = y = 0{,}82$ и

V = 0{,}82 - 0{,}18 = 0{,}64

Степень использования натрия (и аммиака) — доля исходной соли, перешедшая в продукт:

U = \frac{V}{x} = \frac{0{,}64}{0{,}82} \approx 0{,}78

то есть даже в лучшем случае около 22 % хлорида натрия остаётся в маточном растворе.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Стадии производства

1. Получение углекислого газа и извести

Известняк обжигают в шахтной печи в смеси с коксом. Разложение известняка эндотермично, необходимое тепло даёт горение кокса:

\begin{aligned} \mathrm{CaCO_3} &\xrightarrow{\;t\;} \mathrm{CaO + CO_2} - Q \\ \mathrm{C + O_2} &= \mathrm{CO_2} + Q \end{aligned}

Шахтная печь: сверху загружают известняк и кокс и отводят углекислый газ, в средней части — зоны прогрева и реакции, снизу подают воздух и выгружают известь CaO

Углекислый газ идёт на карбонизацию, а известь гасят водой и получают известковое молоко — оно потребуется для регенерации аммиака:

\mathrm{CaO + H_2O = Ca(OH)_2}

2. Приготовление и очистка рассола

Из каменной соли (галита) готовят насыщенный раствор $\mathrm{NaCl}$ и отстаивают его от глины.

3. Аммонизация

Рассол насыщают аммиаком (и частично углекислым газом, который приходит вместе с аммиаком со стадии регенерации). Цель — получить в растворе карбонат аммония. Основная реакция стадии — растворение аммиака:

\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftarrows NH_4OH}

\mathrm{2NH_3 + CO_2 + H_2O = (NH_4)_2CO_3}

4. Карбонизация

В полученный раствор, содержащий хлорид натрия и карбонат аммония, барботируют углекислый газ; карбонат аммония переходит в гидрокарбонат, и идёт основная реакция — осаждение гидрокарбоната натрия:

\begin{aligned} \mathrm{(NH_4)_2CO_3 + CO_2 + H_2O} &= \mathrm{2NH_4HCO_3} \\ \mathrm{NaCl + NH_4HCO_3} &\rightleftarrows \mathrm{NaHCO_3\!\downarrow + NH_4Cl} \end{aligned}

Побочные реакции связаны с избытком аммиака — он переводит гидрокарбонаты обратно в карбонаты и снижает выход:

\begin{aligned} \mathrm{2NH_4OH + 2NaHCO_3} &= \mathrm{(NH_4)_2CO_3 + Na_2CO_3 + 2H_2O} \\ \mathrm{NH_4OH + NH_4HCO_3} &= \mathrm{(NH_4)_2CO_3 + H_2O} \end{aligned}

5. Фильтрование

Осадок гидрокарбоната натрия отделяют на фильтре и промывают.

6. Регенерация аммиака

Аммиак — дорогой реагент, и его возвращают в процесс. В маточном растворе он содержится в двух формах:

Форма	Соединения	Как выделяют
Полусвязанный аммиак	$\mathrm{(NH_4)_2CO_3}$ , $\mathrm{NH_4HCO_3}$	нагреванием до 70 °C
Связанный аммиак	$\mathrm{NH_4Cl}$	известковым молоком

\begin{aligned} \mathrm{(NH_4)_2CO_3} &\xrightarrow{\;t\;} \mathrm{2NH_3\!\uparrow + CO_2\!\uparrow + H_2O} \\ \mathrm{NH_4HCO_3} &\xrightarrow{\;t\;} \mathrm{NH_3\!\uparrow + CO_2\!\uparrow + H_2O} \\ \mathrm{2NH_4Cl + Ca(OH)_2} &= \mathrm{2NH_3\!\uparrow + 2H_2O + CaCl_2} \end{aligned}

Аммиак и углекислый газ возвращаются на аммонизацию. Отход производства — хлорид кальция; его используют как противогололёдный реагент для зимних дорог и как осушитель.

7. Кальцинация

Гидрокарбонат натрия прокаливают и получают кальцинированную соду:

\mathrm{2NaHCO_3 \xrightarrow{\;140\,^\circ C\;} Na_2CO_3 + CO_2\!\uparrow + H_2O}

Выделяющийся углекислый газ возвращают на карбонизацию.

Аппараты

Стадия	Аппарат
Обжиг известняка	шахтная печь
Получение известкового молока	гаситель извести
Аммонизация	аммонизационная (абсорбционная) колонна
Карбонизация	карбонизационная колонна; газ подаётся компрессором через промывные колонны
Отделение $\mathrm{NaHCO_3}$	вакуум-фильтр
Регенерация аммиака	регенерационная (дистилляционная) колонна
Кальцинация	печь кальцинации

Получение нитрата калия Производство азотной кислоты