胡玉杰

（唐山三友化工股份有限公司純堿分公司，河北 唐山 063305）

0 引言

近年來，純堿工業(yè)技術(shù)在整體科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展推動(dòng)下獲得全面發(fā)展，在玻璃制造領(lǐng)域、建筑材料領(lǐng)域、金屬冶煉領(lǐng)域均獲得深入應(yīng)用。純堿生產(chǎn)工藝技術(shù)如能夠得到提升和應(yīng)用路徑拓展，有助于促進(jìn)相關(guān)行業(yè)整體發(fā)展，并能夠在很大程度上拉動(dòng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步邁入新臺(tái)階[1-2]。顯然，對(duì)純堿生產(chǎn)工藝作進(jìn)一步優(yōu)化是一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。鑒于氨堿法是當(dāng)前純堿生產(chǎn)工藝技術(shù)中的主要模式，因此在本次研究中，將從實(shí)驗(yàn)分析的角度著手，探尋氨堿法純堿生產(chǎn)工藝技術(shù)的優(yōu)化路徑。

1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器設(shè)備

氨堿法純堿生產(chǎn)的主要原理是，將氯化鈉溶于濃氨水中形成氨鹽水，而后通入二氧化碳?xì)怏w，反應(yīng)生成碳酸氫鈉和氯化銨，由于碳酸氫鈉的溶解度相對(duì)較低，因此碳酸氫鈉將在溶液中大量析出，而后對(duì)其進(jìn)行過濾、洗滌操作，再加熱分解，即可得到純堿[3-5]?；谏鲜鲈恚敬螌?shí)驗(yàn)采用的試劑包括濃氨水、氯化鈉、去離子水和二氧化碳，其中濃氨水和氯化鈉濃度均為分析純，采購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水為自制；瓶裝二氧化碳，采購自某氣體生產(chǎn)類企業(yè)。

本次實(shí)驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備包括電子分析天平、玻璃管、集氣瓶和溫度計(jì)等，其中集氣瓶和玻璃管用于通入二氧化碳?xì)怏w，電子分析天平用于精準(zhǔn)稱量實(shí)驗(yàn)藥品，溫度計(jì)用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系溫度。

2 主要實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)合實(shí)際需要，本次實(shí)驗(yàn)主要分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

1）對(duì)玻璃管、集氣瓶等裝置進(jìn)行氣密性檢查，并對(duì)電子分析天平進(jìn)行校準(zhǔn)；

2）以上實(shí)驗(yàn)器材檢查確認(rèn)無誤后，稱取適量的氯化鈉，并量取適量濃氨水，將二者充分混合，以確保氯化鈉溶解；

3）打開二氧化碳?xì)馄?，向混合溶液中通入二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)對(duì)混合溶液進(jìn)行水浴加熱；

4）在一定時(shí)間后停止通氣，并將反應(yīng)體系由水浴加熱體系轉(zhuǎn)移至冰水混合體系中，進(jìn)行一定時(shí)間的冷卻，以析出碳酸氫鈉晶體；

5）對(duì)反應(yīng)體系中的液體進(jìn)行過濾，以分離得到碳酸氫鈉固體，并對(duì)其使用去離子水沖洗2 次；

6）將洗滌完成后的碳酸氫鈉固體轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿，并對(duì)其進(jìn)行充分加熱和攪拌，一定時(shí)間后，碳酸氫鈉將全部分解為碳酸鈉，而后冷卻稱重，對(duì)純堿收率進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 吸收液濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

結(jié)合相關(guān)理論分析可知，吸收液的pH 值越高，則溶液對(duì)二氧化碳?xì)怏w的吸收效果也越顯著；同時(shí)，氯化鈉濃度和氨濃度的提升也有利于氯化鈉向碳酸氫鈉的轉(zhuǎn)化。因此，從理論角度來講，二氧化碳吸收液應(yīng)當(dāng)為氯化鈉達(dá)到飽和的濃氨水溶液。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，研究人員無法準(zhǔn)確獲知氯化鈉在高濃度氨水中的溶解度。針對(duì)這一局限問題，研究人員將濃氨水與水體積比分別設(shè)置為10 ∶5、12 ∶3、13 ∶2、14 ∶1的4 個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)控制其他參數(shù)不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同濃度吸收液對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

從表1 中的結(jié)果可知，隨著吸收液中氨濃度的增加，純堿收率也相應(yīng)提升，但氯化鈉溶解時(shí)間也隨之提升，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)吸收液濃氨水與水體積比達(dá)到14∶1 時(shí)，氯化鈉已經(jīng)出現(xiàn)少量不溶的情況。因此，為兼顧反應(yīng)效率和純堿收率，吸收液體積比設(shè)置為13∶2 較為適宜。

3.2 吸收液溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

查閱相關(guān)資料可知，二氧化碳和氨氣在水中的溶解度將隨著溫度升高而降低，同時(shí)當(dāng)溫度升高后，碳酸氫銨的分解進(jìn)程也將加劇，并在60 ℃下完全分解。顯然，溫度過高對(duì)于碳酸氫鈉的生成較為不利；但當(dāng)溫度過低時(shí)，反應(yīng)速率較低，不利于二氧化碳?xì)怏w的吸收和晶體的生成?；谏鲜鲆阎獥l件，在本次實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)置6 個(gè)溫度水平，分別為32、37、42、47、52、57 ℃，并控制其他反應(yīng)條件不變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同吸收液溫度下的開始析晶時(shí)間和純堿收率變化

從圖1 的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可見，溫度在42 ℃時(shí)，其開始析晶時(shí)間最短，純堿收率也處于相對(duì)較高的水平，而低于或高于此溫度則會(huì)導(dǎo)致開始析晶時(shí)間延長(zhǎng)，且純堿收率也相應(yīng)降低。對(duì)此，設(shè)置吸收液溫度為42 ℃較為合理。

3.3 吸收方式的影響

根據(jù)理論分析可知，為提升反應(yīng)速率，增大反應(yīng)接觸面積是行之有效的途徑。對(duì)此，研究人員嘗試對(duì)二氧化碳?xì)怏w通入方式進(jìn)行優(yōu)化，以期提高反應(yīng)速率。在本次實(shí)驗(yàn)中，共計(jì)采用3 種氣體吸收方式，第一種為常規(guī)模式，使用內(nèi)徑為6 mm 的玻璃管進(jìn)行通氣；第二種和第三種均為內(nèi)徑噴散式通氣方式，但內(nèi)徑數(shù)值存在差異，前者為6 mm，后者為1.5 mm。在此基礎(chǔ)上，控制其他變量保持不變，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同吸收方式所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2 的數(shù)據(jù)可知，內(nèi)徑噴散式在開始析晶時(shí)間和純堿收率兩項(xiàng)指標(biāo)上均由于常規(guī)模式，且內(nèi)徑越小，兩項(xiàng)指標(biāo)也越優(yōu)異。對(duì)此，研究人員應(yīng)用內(nèi)徑噴散式方法繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)一定時(shí)間后，1.5 mm 內(nèi)徑噴散模式下的反應(yīng)體系不再生成氣泡。經(jīng)拆解后發(fā)現(xiàn)，尖嘴內(nèi)部因析晶而產(chǎn)生嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致反應(yīng)難以繼續(xù)有效進(jìn)行。綜合考慮上述因素后，研究人員決定采用6 mm 內(nèi)徑噴散式進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w的通入。

3.4 氣體通入時(shí)間的影響

為探究二氧化碳?xì)怏w通入時(shí)間對(duì)純堿收率的影響，在本環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員分別設(shè)置氣體通入時(shí)間為30、60、90、120 min，并控制其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，對(duì)純堿收率指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 二氧化碳?xì)怏w通入時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

從表3 的數(shù)據(jù)可見，二氧化碳?xì)怏w通入時(shí)間對(duì)開始析晶時(shí)間這項(xiàng)指標(biāo)基本無影響，同時(shí)，隨著二氧化碳?xì)怏w通入時(shí)間的增加，純堿收率也在不斷提升，但在時(shí)間達(dá)到90 min 后，純堿收率的提升幅度大為降低，從節(jié)約時(shí)間的角度考慮，將二氧化碳通氣時(shí)間設(shè)置為90 min 較為合理。

據(jù)此，綜合以上實(shí)驗(yàn)所取得的優(yōu)化參數(shù)做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，純堿最大收率為49.2%，已經(jīng)達(dá)到相對(duì)較優(yōu)的水平，所以，上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)有望對(duì)氨堿法純堿生產(chǎn)工藝的參數(shù)優(yōu)化工作提供一定的參考借鑒。

4 結(jié)語

在本次研究中，基于當(dāng)前氨堿法純堿生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況，研究人員通過模擬實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)生產(chǎn)工藝影響因素方面作了進(jìn)一步的探究，重點(diǎn)分析了影響純堿收率和反應(yīng)速率的幾項(xiàng)主要指標(biāo)參數(shù)，并通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)這些指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示，在上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到優(yōu)化后，整個(gè)反應(yīng)體系能夠平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間顯著縮短，純堿收率也顯著提升。當(dāng)然，在今后的研究中，仍需要對(duì)影響純堿收率的因素作進(jìn)一步拓展探究，以期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。