Производство безводного и десятиводного сульфата натрия

В первый каскад направляют первичные растворы из осади- тельных  ванн; маточные растворы возвращают совместно  со щелоками от плавления мирабилита на кристаллизацию мирабилита во второй каскад. Маточные растворы второго каскада возвращают в цикл производства вискозы. Температурный режим процессов, °С:

Кристаллизация в I каскаде 5

Кристаллизация во II каскаде  От —3 до О Плавление мирабилита 55—60

Примерный баланс по массе  веществ и затрате тепла приводится ниже.

Материальный баланс:

плавление 1 т мирабилита дает 0,190 т твердой фазы и 0,810 т  раствора;

при кристаллизации из исходных растворов выделяется 2,30 т мирабилита;

нри кристаллизации из растворов  процесса плавления образуется 3,45 т  мирабилита.

Итого: 2,30 -j- 3,45 = 5,75 т мирабилита позволяют получить 1 т Na₂S0₄.

Теплота, вносимая паром, т  пара/т Na₂S0₄: плавление мирабилита 1,03 кристаллизация мирабилита 0,60.

Недостаток метода — высокая  стоимость передела.

Иные варианты этого способа  изложены в патентах Франции [62] и  ФРГ [63], применительно к утилизации отработанных растворов осадительных ванн вискозного производства. Маточные растворы, остающиеся после отделения мирабилита, возвращаются в схему производства вискозы. Один из вариантов предусматривает удешевление процесса выделения сульфата натрия за счет использования на стадии плавления мирабилита теплоты, получаемой при смешении серной кислоты с маточными растворами, возвращаемыми в схему производства вискозы.

По [64] стадии плавления и  кристаллизации мирабилита связаны процессом теплообмена, а именно: на стадии плавления используют теплоту, выделяющуюся при сжатии хладоагента, испарившегося при охлаждении поступивших на кристаллизацию мирабилита растворов.

Обезвоживание мирабилита без  применения нормальной выпарной установки возможно в аппарате, состоящем из емкости и вращающегося в ней барабана, обогреваемого изнутри [65].

Загружаемый в емкость  мирабилит плавится за счет теплоты, передаваемой стенками барабана. Стенки удерживают на своей поверхности  часть суспензии, из которой вода испаряется, а остающаяся пластичная масса снимается и направляется на сушку во вращающийся барабан. Температура поверхности барабана должна быть выше температуры кипения раствора.

Приведенные варианты получения  сульфата натрия достаточно просты в  аппаратурном отношении, но стоимость  передела высока и удельная производительность аппаратуры мала, так как 80% выделившегося  мирабилита в виде насыщенного раствора возвращаются на стадии кристаллизации.

§ 2. СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ —  ВЫПАРИВАНИЯ

Способ выделения безводного сульфата натрия из растворов, получаемых при плавлении мирабилита, путем  выпаривания этих растворов в  многокорпусных выпарных установках экономически предпочтительнее рассмотренного в  предыдущем параграфе способа повторной кристаллизации мирабилита и его плавления. Обусловлено это тем, что расходы пара и электроэнергии значительно меньше по причине многократного использования теплоты и обеспечения процесса плавления вторичной теплотой процесса выпаривания.

Мирабилит

Готовый продукт

Схема 2. Обобщающая схема переработки мирабилита способом плавления — выпаривания.

 

Технологическая схема различных  вариантов этого способа представлена на схеме 2.

Основной процесс на схеме 2 изображен сплошными линиями. Плавление  происходит за счет теплоты вторичного пара выпарной установки (3₂). Теплоносителем в процессе плавления является суспензия (7), образующаяся при плавлении. Часть суспензии подается на выпаривание (2). Все суспензии разделяют обычно в фильтрующих центрифугах. Процесс упаривания лимитирует концентрация твердой фазы и примесей. Маточные растворы разделяются на два потока — оборотный (4₄) и сбросной (4₂).

Пунктиром обозначены возможные  отклонения от простейшей прямоточной  схемы. Суспензию, полученную в результате плавления, сгущают и разделяют на два потока — сгущенную часть (2j), направляемую на центрифугирование, и разбавленную суспензию (2₂), перерабатываемую в выпарной установке. Другой вариант — использование суспензий из выпарных установок в процессе плавления мирабилита с сокращением расхода в этом процессе теплоты, получаемой при теплообмене с вторичным паром.

Аппаратурное оформление этой технологической схемы весьма разнообразно. Общим является наличие  двухкорпусных установок на стадии выпаривания растворов, что определяется тепловым балансом процесса плавления  — выпаривания при сумме солей 29% C_i = 3270 Дж/(кг-К) С₂ = 1822 Дж/(кг • К) АН = —243 800 Дж/кг

Доля холода, использованного  в процессе кристаллизации мирабилита, составит:

АН +С₂ (t, —1{) ■ 10³ + С_{Н 0}(t*—f!)-610 ₉= ^ ! 

Здесь С_Нго — теплоемкость воды, 610 — количество воды, остающейся в маточном растворе при кристаллизации мирабилита из чистых растворов сульфата натрия, имеющих концентрацию —30% (значение теплоемкости должно соответствовать 1% раствору сульфата натрия, но его можно приравнять к теплоемкости воды).

Доля холода, идущего на кристаллизацию, тем больше, чем  выше выход мирабилита в расчете  на 1 м³ рассола и выше температура маточных растворов, выходящих из рекуператора.

 

 

 

2 Экспериментальная часть

 

2Цель  научно исследовательской работы

 

Целью данной научно исследовательской работы, является получение сульфата натрия, как ускорителя для затвердевания бетона из промышленных отходов. Содового плава ОАО «Гродно Азот» и серной кислоты РУП "СПО" ХИМВОЛОКНО" Светлогорск

 

3.2. Постановка задачи исследования

 

На начальном  этапе исследований первой практической задачей явилось определение  состава применяемого сырья. Необходимо определить состав и содержание основных компонентов в промышленных отходах.

 

3.3 Методы анализа 

 

3.1 Метод определения содержания кальцинированной соды

Взвешивают  от 2,3 до 2,5 г кальцинированной соды, взятой после определения потерь массы при прокаливании по п.4.5 (результат  в граммах записывают с точностью  до четвертого десятичного знака), помещают в коническую колбу вместимостью 250 см3, растворяют в 20 см3 воды и титруют  раствором серной кислоты в присутствии  метилового оранжевого до изменения  окраски раствора из желтой в оранжево-розовую. Раствор сохраняют для определения  массовой доли хлоридов по п.4.6.

        Допускается титрование раствора  соляной кислотой при отсутствии  необходимости у потребителя  определения массовой доли хлоридов.

        4.4.3. Обработка результатов 

        Массовую долю углекислого натрия (X) в процентах вычисляют по  формуле: 

  

 

             где V- объем раствора серной  кислоты или соляной кислоты  концентрации точно 1 моль/дм3 или  с (НСl)=1 моль/дм3, израсходованный  на титрование,см3;

             0,05299 - масса углекислого натрия  в граммах,соответствующая 1 см3 раствора  серной кислоты или соляной  кислоты концентрации точно 

             m - масса навески кальцинированной  соды, г. 

        За результат анализа принимают  среднее арифметическое результатов  двух параллельных определений,  абсолютное расхождение между  которыми не превышает допускаемое  расхождение, равное 0,2 % при доверительной  вероятности Р=0,95.

        4.4.1-4.4.3. (Измененная редакция, Изм.  № 1).

        4.4а. Расчетный метод (для углекислого  натрия в пересчете на непрокаленный продукт).

        Массовую долю углекислого натрия  в пересчете на непрокаленный  продукт (X') в процентах вычисляют  по формуле: 

  

 

             где X- массовая доля углекислого  натрия, г, определенная по п.4.4.3;

             X1 - массовая доля потери при  прокаливании, г, определенная по  п.4.5.3.

 Определение потери массы при прокаливании

        4.5.1. Аппаратура 

        Весы лабораторные общего назначения  по ГОСТ 24104 2-го класса точности  с наибольшим пределом взвешивания  200 г. 

        Гири Г-2-210 по ГОСТ 7328.

        Эксикатор по ГОСТ 25336

        Шкаф сушильный, обеспечивающий  температуру нагрева 250- 300 °С.

        Тигли низкие 3 или 4 по ГОСТ 9147.

        Силикагель технический по ГОСТ 3956, высушенный при 150- 180 °С или  кальций хлористый по ТУ 6-09-4711, прокаленный при 250-300 °С.

        (Измененная редакция, Изм. № 1).

        4.5.2. Проведение анализа 

        В тигле, предварительно прокаленном  при 270-300 °С до достижения постоянной  массы, взвешивают от 5 до 6 г кальцинированной  соды (результат в граммах записывают  с точностью до четвертого  десятичного знака). Тигель с навеской  прокаливают при 270-300 °С до  достижения постоянной массы  и после охлаждения в эксикаторе  взвешивают (результат в граммах  записывают с точностью до  четвертого десятичного знака).

        Обработка результатов 

        Потери массы при прокаливании (X1) в процентах вычисляют по  формуле: 

 

             где m - масса навески кальцинированной  соды, г; 

             m1 - масса навески кальцинированной  соды после прокаливания, г. 

        За результат анализа принимают  среднее арифметическое результатов  двух параллельных определений,  абсолютное расхождение между  которыми не превышает допускаемое  расхождение, равное 0,05 % при доверительной  вероятности Р=0,95.

 

3.2  Метод определения нерастворимого остатка

Метод проводили следующим образом. Навеску определенной массы растворяли в соляной кислоте. Количество кислоты  рассчитано со 100% избытком. Для полного  растворения помещали на плитку  и  постепенно перемешивали. Полученный раствор отфильтровали, поместили  в мерную колбу и довели до метки водой. Фильтр сушили до постоянной массы и определяли массу нерастворимого остатка.

3.4 Описание методики эксперимента

3.4.1 Получение сульфата натрия  из лабараторной соды и серной  кислоты

Разложение  каустического магнезита  проводим в соответствии с реакцией:

Na₂CO₃+H₂SO ₄+9H₂O= Na₂SO₄10H₂O + CO₂

В качестве реагентов используем 55% серную кислоту  и ЧДА Na₂CO₃ .

Для анализа  взвешиваем навеску соды 16,46 г По уравнению химической реакции рассчитываем(расчет ведем на 50г конечного продукта) количество серной кислоты 100% и пересчитываем на 55 %.

H₂SO₄ ) = (50*98*0,55)/ 322 = 15,274 г.

Обьем серной кислоты:

 

 

Стехиометрическое соотношение реагентов – с 11,26 мл кислоты взаимодействует 16 г магнезита.

 

                  H₂SO₄ 55% 15,274 г

                         Н₂О  25,154 г

     сода 16,46 г 

           

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Схема лабораторной установки

 

Воду  помещаем в стакан  и приливаем серную кислоту Постепенно присыпаем соду небольшими порциями, проверяем рН раствора. Для полного растворения соды и перемешиваем до полного растворения. Раствор перемешивался около 2 часов ,затем кристаллизовался.

Затем был  проведен аналогичный опыт, но использованием содового плава, предварительно прокаленного под t=400 C.

Материальный  баланс получения Na₂SO₄10H₂O

 

 

   Таблица 3.1

Приход		Расход
Компонент	кг	Компонент	г
1.H2SO4 55% В т.ч. H2SO4 H2O 2. Na2CO3 3. H2O	1000   550 450 594,89 459,18	1.Na2SO410H2O 2.CO2	1807,14 246,93
∑	2054,82	∑	2054,82

 

 

 

3.5 Результаты эксперимента

Проанализировав  содовый плав получили следующие  результаты,:

Содержание  Na₂CO₃₌ 99%

Органические  примеси и смолы=1%

Потери массы  при прокалке 0,0021г

Также проведен термический анализ(Приложение1)

При проведении  эксперимента получены результаты: