Получение сульфида натрия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленные методы получения сульфида натрия предусматривают использование как природного сырья, так и попутных или побочных продуктов химический производств.

Сульфид натрия производят следующими способами:

1)восстановление сульфата натрия твёрдыми углеродистыми материалами;

2) восстановление сульфата натрия газообразными восстановителями;

3) абсорбция сероводорода гидроксида натрия;

4)электролитический (амальгамный) способ;

5)обменное разложение сульфида бария сульфатом, карбонатом и гидроксидом натрия.

Но основным способом получения сульфида натрия является термическое восстановление сульфида натрия твёрдыми углеродистыми материалами.

На протяжении всего времени существования производства сульфида натрия, менялось только его аппаратурное оформление. Вначале это были подовые печи, затем вращающиеся барабанные и, наконец, шахтные печи непрерывного действия. Практика работы шахтный печей выявила ряд её существенных преимуществ: высокая интенсивность, высокий коэффициент использования тепла, возможность работы печи на влажном сырье, а главное непрерывность процесса.

Достигнутый на практике выход сульфида натрия по отношению к израсходованному сульфату натрия составляет 60-75% от теоретического.

1. Физические свойства сульфида натрия Na₂S

сульфид натрий абсорбция электролитический

Na₂S - сульфид натрия, безкислородная соль, белого цвета, очень гигроскопична, плотность 1,856 г/см³, t_пл =1180 °С, t_кип = 1300 ^оС. Молекулярная масса сульфида натрия М=78,01. Растворимость в воде (%): 13,6 (20 °С), 45,0 (97,5 °С). При температуре ниже 48^оС из водного раствора кристаллизуется кристаллогидрат Na₂S·9H₂O, выше 48^оС - Na₂S·6H₂O.

В воде сульфид натрия гидролизуется: Na₂S + H₂O = NaOH + NaHS.

Сульфид натрия при взаимодействии с кислотами выделяет сероводород, легко окисляется кислородом воздуха до тиосульфата, а затем до сульфита и сульфата натрия, а также образует политионовые кислоты. Он раствори в низших спиртах (метанол, эталон), что используется на практике для получения чистого сульфида натрия.

Na₂S является сильным восстановителем: разбавленная азотная кислота окисляет сульфид натрия до серы S, концентрированная HNO₃ - до Na₂SO₄ (сульфат натрия). Сульфид натрия взаимодействует с галогенводородными кислотами и разбавленной H₂SO₄ с выделением H₂S и гидроксида натрия.

2. Получение сульфида натрия восстановлением сульфата натрия коксом

Теоретические основы

При нагревании смеси сульфата натрия с коксом до 950-1200 °С протекают следующие суммарные реакции:

Na₂S0₄ + 2С = Na₂S + 2СО₂ (а)

Na₂S0₄ + 4C = Na₂S+4CO (б)

Na₂S0₄ + 4CO = Na₂S + 4CО₂ (в)

Значительное количество сульфида натрия образуется по реакции (а). Одновременно с основным химическим процессом идут побочные, в результате которых в плаве присутствуют примеси карбоната Na₂CО₃, тиосульфата Na₂SО₃ и силиката натрия Na₂SiO₃ и другие соли. Побочные реакции приводят к расходованию сырья и загрязнения продуктов балластными солями.

Степень восстановления сульфата натрия зависит от поверхности соприкосновения фаз, соотношения сульфата натрия и угля и содержания примесей в шихте, от температуры и т. д.

Для увеличения поверхности соприкосновения реагирующих фаз шихту составляют из брикетов сульфата натрия и кусочков кокса. Однако в производственных условиях интенсивное восстановление начинается лишь после появления жидкой фазы сульфата натрия, смачивающей поверхность частиц кокса.

Кокс вводят в шихту в избытке, так как часть его в печи выгорает и не участвует в процессе восстановления. Избыток кокса увеличивает вязкость плава, уменьшает его теплопроводность, и, в конечном итоге, снижает производительность печи. Оптимальное соотношение Na₂SО₄ и кокса устанавливают опытным путем в заводских условиях.

Процесс получения плава сульфида натрия можно разбить на три основные периода: плавление, "кипение" и созревание.

В первый период шихта прогревается и сульфат натрия плавится. Чистый сульфат натрия плавится при 890°С, но при наличии в шихте примесей сульфида натрия, сульфатов и сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов температура плавления сульфата натрия понижается. В период плавления сульфата натрия скорость его восстановления, постепенно растет. Образование Na₂S сопровождается выделением газообразного оксида углерода (IV).

Второй период восстановления характеризуется бурным выделением газа, плав как бы "кипит". Оптимальная температура процесса 950°С. Этот период соответствует наибольшей скорости восстановления сульфата натрия. Образующийся сульфид растворяется в расплаве, образуя жидкий раствор с сульфатом натрия. Когда концентрация Na₂S в растворе достигает 70%, раствор становится насыщенным. Образующийся далее Na₂S уже не растворяется, а будет находиться в твердом состоянии. Раствор начинает густеть.

Наступает третий период -- период созревания. Скорость образования сульфида натрия падает. Количество жидкой фазы (сульфата натрия) непрерывно уменьшается, плав становится тягучим, кашеобразным. Чтобы уменьшить вязкость плава и облегчить его выгрузку из печи, температуру в печи повышают до 1200-1300 °С.

Готовый плав обычно содержит 68-75% Na₂S, 5-13% Na₂CО₃, 1-3% Na₂S₂О₃, до 2% Na₂SiО₃, 13-15% нерастворимых минеральных веществ и до 8% углерода (невыгоревшего кокса).

3. Технологическая схема получения сульфида натрия

Технологический процесс производства сульфида натрия состоит из следующих основных стадий:

1)получение в печи плава сульфида натрия;

2)выщелачивание сульфида натрия горячей водой или маточником;

3)фильтрация щелоков и их очистка;

4)упарка щелоков с получением плавленого сульфида натрия.

Технологические схемы производства сульфида натрия отличаются главным образом аппаратурным оформлением. Восстановление сульфата натрия ведут в механических вращающихся печах периодического действия, а также в шахтных и циклонных печах непрерывного действия.

На рис. 1 представлена схема получения Na₂S восстановлением сульфата натрия коксом в печах шахтного типа.

3

Рис.1. Схема получения Na₂S восстановлением сульфата натрия коксом в печах шахтного типа. 1 - конвейеры; 2 - циклон; 3 - вентиляторы; 4, 6 - вакуум-фильтры; 5, 15, 16, 18, 23, 25, 28 - сборники; 7 - отстойник Дорра; 8 - выпарной аппарат; 9 - барометрические конденсаторы; 10, 29 - вакуум-насосы; 11 - вакуум-сборники; 12 - бункер шихты; 13 - шахтная печь; 14, 17, 24, 26 - центробежные насосы; 19 - выпарные котлы; 20 - горн; 21 - выщелачиватель; 22, 27 - выхлопные трубы.

Брикетированный сульфат натрия и кокс смешиваются на ленточном транспортере 1 в соотношении 2:1. Полученная шихта через загрузочный бункер и питатель поступает в шахтную печь 13.

Шахтная печь представляет собой двухконусную башню высотой 6,8 м. Нижняя ее часть заканчивается горном 20 в виде цилиндрической чаши. Горн установлен на тележке и при ремонте печи откатывается в сторону. Горн снабжен двумя медными летками для непрерывного выпуска плава. Летки и нижняя часть печи -- кессон, -- т. е. зоны наиболее высоких температур, имеют снаружи водяные рубашки для отвода тепла. В зоне наиболее высоких температур печь футерована хромо-магнезитовым кирпичом или керамикой, остальная часть печи-- шамотным кирпичом. Над горном расположены шесть фурменных отверстий, через которые в печь засасывается воздух, необходимый для горения кокса.

В верхней части печи шихта прогревается за счет тепла отходящих газов. Попадая в реакционную зону, сульфат натрия плавится и восстанавливается. Отходящие газы очищают от пыли в циклоне 2 и вентилятором выбрасывают в атмосферу. Циклон имеет водяную рубашку для охлаждения отходящих газов от 400^о до 150-200°С.

Плав сульфида натрия из леток шахтной печи непрерывно, поступает в выщелачиватель 21, который представляет собой бак с конусным днищем, изготовленный из нержавеющей стали. Он имеет двухлопастную мешалку для перемешивания пульпы и снабжен вытяжной трубой 22 для отвода водяных паров, выделяющихся при гашении плава. Выщелачивание сульфида натрия ведут слабыми щелоками (6--12% Na₂S), образующимися после промывки шлама. Щелока подаются в аппарат насосом 14 из сборника 15. Растворение Na₂S происходит при 115°С до получения раствора концентрацией 30% Na₂S. Этот раствор собирают в сборнике 25, а затем насосом 26 перекачивают в напорный бак 5, откуда самотеком он поступает на дисковый вакуум-фильтр 6.

После фильтрации крепкие щелока собирают в сборнике 16 и перекачивают в отстойник Дорра 7. Оставшийся шлам промывают горячей водой в репульпаторе (на рисунке не показан) для более глубокого извлечения Na₂S. Полученные при этом промывные растворы отделяют от шлама на вакуум-фильтре 4 и возвращают в выщелачиватель, а шлам отправляют в шламовые пруды.

После осветления в отстойнике Дорра 7 30%-ный раствор Na₂S вакуум-насосом подают в выпарной аппарат 8 с выносной греющей камерой. Здесь в результате выпаривания его концентрация повышается до 50% Na₂S. Окончательное упаривание щелока осуществляется в каскаде упарочных котлов 19, куда раствор поступает самотеком из сборника 18. Котлы обогреваются топочными газами, полученными при сжигании природного газа.

Плав, упаренный до содержания в продукте не менее 67% Na₂S, передают вакуум-насосом 29 в сборник плава 28, а отсюда самотеком он разливается в барабаны, где и застывает в течение 24 ч в сплошную массу. Для получения сыпучего продукта плав подают либо на поверхность вращающихся полых стальных барабанов,- изнутри охлаждаемых водой, либо гранулируют в потоке охлажденного воздуха в аппарате КС.

В. производстве сульфида натрия автоматически регулируют подачу шихты в шахтные печи по температуре отходящих газов или по уровню шихты в печи. Автоматически поддерживают уровни щелоков в вакуум-фильтрах. На всех сборниках установлена световая сигнализация уровня раствора и обеспечено автоматическое отключение подачи раствора по мере достижения максимального уровня.

Расходные коэффициенты на 1 т продукта, содержащего 67% Na₂S:

Сульфат натрия (95% Na₂S), т …………1,65

Кокс, т …. .. 0,80

Электроэнергия, кВт-ч . 405

4. Получение сульфида натрия восстановлением сульфата натрия газами

Для восстановления сульфата натрия могут быть использованы водород, природный, генераторный и другие газы. Применение газообразных восстановителей позволяет получить непосредственно 96%-ный твердый сульфид натрия без громоздких операций выщелачивания плава, фильтрации и упаривания раствора.

В настоящее время из числа газов-восстановителей в промышленном масштабе за рубежом используют водород. Восстановление сульфата натрия водородом протекает по реакции: Na₂SО₄ + 4Н₂ = Na₂S + 4H₂O.

Процесс осуществляют в горизонтальных вращающихся и шахтных печах в присутствии железного катализатора, который добавляют к сульфату натрия в небольшом количестве в виде водного раствора FeSО₄ или в виде огарковой пыли из электрофильтров колчеданных печей. Катализатор ускоряет реакцию восстановления сульфата натрия и позволяет вести ее при 600-650°С без оплавления продукта. Основным недостатком этого метода является большой расход водорода. Более перспективным является применение в качестве восстановителя природного газа.

Заключение

Сульфид натрия широко применяется в цветной металлургии при обогащении медных, свинцово-цинковых, молибденовых и др. руд, в кожевенной промышленности для удаления волосяного покрова со шкур, в текстильной - при крашении тканей, в химической - для производства сернистых красителей и как восстановитель в ряде процессов.

Вредными веществами в производстве сульфида натрия являются его плав, щелока и готовый продукт. При попадании на кожу они вызывают сильные, долго незаживающие ожоги, а при попадании внутрь организма вызывают отравление.

При работе необходимо соблюдать общие правила охраны труда и техники безопасности. При розливе плавленого продукта в барабаны необходимо пользоваться защитными очками. Передвигать барабаны с плавом разрешается только после затвердевания продукта.

Список использованной литературы

1)Мельников Е.Я., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Учебник для техникумов. - М.: Химия, 1983.- 432 с.

2) Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А . Справочник по неорганической химии. Константы неорганических веществ. М.: Химия, 1987.- 320 с.

3) http://ru.wikipedia.org/

4) http://www.xumuk.ru/encyklopedia/

5) http://www.edudic.ru/

Размещено на Allbest.ru