4.5. Выпаривание электролитического щёлока.

В результате электролиза раствора хлорида натрия получаются так называемые электролитические щелока.

Они имеют следующий состав:

• 100 –140 г/ дм³ NaOH;

• 160 – 200 г/дм³ NaCl;

• примерно 900 г/дм³ H₂O.

На 1т NaOH в щелочах приходится примерно 1,5 т NaCl.

Вследствие низкой концентрации NaOH и высокой NaCl, эти щелока не могут быть использованы в других производствах. Кроме того, на 1т щёлочи приходится 9 т балласта (это вода и соль). Следовательно, необходимо компоненты разделить.

Выделение NaCl из электролитических щелоков.

Необходимо поваренную соль выделить и возвратить в производственный цикл. Поэтому электролитические щелока выпаривают.

При частичном выпаривании воды до концентрации 42 – 50 % NaOH получают жидкую каустическую соду.

При дальнейшем обезвоживании упаренного раствора до полного удаления воды получают твёрдую (или плавленую) каустическую соду (или каустик).

В процессе выпаривания электролитического щёлока из раствора выделяется твёрдая поваренная соль (NaCl), так как её растворимость при повышении концентрации NaOH уменьшается.

Кроме того, растворимость хлорида натрия NaCl также уменьшается с понижением температуры раствора. Когда упаренный раствор щелочи охлаждают, выделяются дополнительные количества хлорида натрия (NaCl).

Обратный рассол.

Выделенная поваренная соль (NaCl) отделяется от щелоков фильтрованием, затем её промывают и растворяют в воде. Такой раствор, содержащий 305 – 310 г/дм³ NaCl и 2 – 2,5г/дм³ NaOH, называют обратным рассолом. Он возвращается в производство. Обратный рассол добавляется в электролизёр к свежему рассолу и, кроме того, его используют для очистки свежего рассола.

В процессе упаривания электролитических щелоков на 1т NaOH необходимо удалить 7 – 7,7 т воды. Это требует огромных энергетических затрат.

Температурная депрессия – это разность температур кипения раствора и воды при одинаковом давлении. При повышении давления она незначительно повышается, а при разряжении понижается. Температурная депрессия электролитических щелоков довольно высокая (40 – 50ºС). Причём, в процессе упаривания концентрация NaOH в растворе увеличивается, соответственно увеличивается и температурная депрессия. А это в свою очередь сильно снижает общую полезную разность температур.

Общая полезная разность температур – это разность температур греющего пара, поступающего в первый корпус выпарной установки, и вторичного пара, выходящего из последнего корпуса, за вычетом температурных потерь. При повышении концентрации щелоков в процессе выпарки температурная депрессия увеличивается, а общая полезная разность температур ещё больше уменьшается и соответственно снижается производительность выпарной установки.

В промышленности существует три способа выпарки щелоков в зависимости от применяемого давления пара:

1) При давлении пара Р = 0,5 – 0, 55 МПа применяют двухстадийную выпарку. На первой стадии с трёхкратным использованием тепла пара (система триплекс) щелока упаривают до концентрации 25 – 26 % NaOH. На второй стадии для обогрева выпарного аппарата используется вторичный (соковый) пар давлением 0,3 МПа из первого корпуса первой стадии. Раствор упаривается до концентрации 42 –50 % NaOH.

2) При использовании греющего пара низкого давления Р = 0,2 – 0,4 МПа первая стадия выпарки работает с двухкратным использованием тепла пара (система дуплекс), а выпарной аппарат второй стадии обогревается свежим паром.

3) При наличии пара давлением Р = 0,8 – 1 МПа (температура 175 –183ºС) можно выпарить щелока до концентрации 50 % NaOH в одну стадию и таким образом снизить расход греющего пара.

Если необходимо упаривать раствор до концентрации 70 – 72 % NaOH, устанавливают ещё один выпарной аппарат, обогреваемый свежим паром, то есть добавляется ещё одна стадия.

Для снижения температуры кипения растворов NaOH применяют аппараты, работающие при разряжении. Однако понижение давления более чем на 0,05 МПа над концентрированными растворами (например, над 82 %–м NaOH и более) недопустимо, так как раствор в этих условиях затвердевает.

Поэтому процесс плавки (выпаривание) при концентрации раствора выше 82 % непрерывным способом ведут при атмосферном давлении, а непрерывное обезвоживание проводят при остаточном давлении не ниже 0,05 МПа.

В последнее время, для обезвоживания применяются более совершенные и экономичные вакуум-аппараты непрерывного действия из никеля. В качестве теплоносителя применяют органические высококипящие вещества.

Получение твёрдого продукта.

Для некоторых процессов, например, для органического синтеза или для получения металлического натрия, для лабораторных работ и ряда мелких потребителей, удалённых на большие расстояния от поставщиков, требуется твёрдый, практически безводный гидроксид натрия. Потребность в безводном NaOH составляет 7 –10 % от общего объёма производства.

Обезвоживание или выпаривание каустической соды до концентрации 70 – 73 % NaOH можно проводить в выпарных аппаратах, обогреваемых водяным паром через стенки греющих трубок при разряжении в пространстве над раствором, как было сказано выше.

Дальнейшее обезвоживание и повышение концентрации NaOH (выше 73 %) обогревом водяным паром не удаётся. Это связано с высокой температурной депрессией концентрированных растворов.

Температура кипения и температура плавления растворов с увеличением концентрации NaOH быстро повышаются.

При концентрации NaOH 74 % и выше температура плавления системы вода – щёлочь резко возрастает и для чистого NaOH она составляет 328ºС. В присутствии примесей (например Na₂CO₃) температура несколько понижается (до 310 – 315ºС).

Температура кипения растворов щёлочи также резко увеличивается с повышением концентрации раствора. Чистый гидроксид натрия кипит при 1388ºС, а в присутствии 2 % воды температура кипения понижается до 375ºС.

Вследствие таких высоких температур кипения концентрированных растворов щёлочи при обезвоживании щелоков в качестве теплоносителей применяют горячие топочные газы, перегретую воду или высококипящие органические растворители.

Обезвоживание (плавку) гидроксида натрия проводят в котлах при атмосферном давлении или при разряжении, периодическим или непрерывным способом.