CN115945155B - 一种生产碳酸氢钠的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生产碳酸氢钠的装置及方法，属于碳酸氢钠生产技术领域。装置包括以下部件：反应器主体，反应器内部设有吸收反应一体化装置，在吸收反应一体化装置下方设有原料溶液进口，在吸收反应一体化装置上部和下部分别设有二氧化碳气体进口和氨气进口，在反应器主体顶部设有气体排出口，在反应器主体底部设有产品晶浆出口，在反应器主体上部设有上清液出口；还包括动力装置，动力装置使反应溶液在反应器内部按一定比例循环。本发明在同一装置内同时实现溶液的氨化（氨吸收）、碳化、碳酸氢钠晶体的生成和长大过程，通过母液的大流量循环，可在反应装置中保持较低的过饱和度，有利于形成大颗粒的碳酸氢钠晶体，保证产品的质量。

Description

一种生产碳酸氢钠的装置及方法

技术领域

本发明属于碳酸氢钠生产技术领域，涉及一种生产碳酸氢钠的装置及方法。

背景技术

随着工业迅速发展，在废水零排放过程产生大量氯化钠、硫酸钠以及硫酸钠和氯化钠的杂盐，无法处置。在碳减排的趋势下，以化学转化、借鉴纯碱工业领域的思路，硫酸钠、氯化钠或杂盐与废氨气、废二氧化碳反应，生产碳酸氢钠（进一步生产纯碱），变废为宝，是一种新的资源化思路。

采用传统的氨碱法或联碱制备小苏打碳酸氢钠，一般需要多种复杂步骤和装置，包括饱和盐水（氯化钠、硫酸钠或混合盐）的氨化、碳化单元，且生产的碳酸氢钠粒度较小，不利于分离，同时需要比较严格的工艺参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产碳酸氢钠的装置及方法，以氯化钠、硫酸钠或二者的混合盐为原料，与二氧化碳和氨气通过耦合反应制备碳酸氢钠。在本发明提供的装置中同时实现溶液的氨化（氨吸收）、碳化、碳酸氢钠晶体的生成和长大过程，同时发生如下反应：

氨气的吸收：NH₃+H₂O→NH₃·H₂O

溶液的碳酸化：NH₃·H₂O+CO₂→NH₄HCO₃

碳酸氢钠的生成：

NaCl+ NH₄HCO₃→NaHCO₃↓+NH₄Cl

½Na₂SO₄+ NH₄HCO₃→NaHCO₃↓+( NH₄)₂SO₄

由于母液的大流量循环、氨吸收、碳酸化、碳酸氢钠的析出是同步进行的，可在反应装置中保持较低的过饱和度，有利于形成大颗粒的碳酸氢钠晶体，保证产品的质量。具体技术方案如下。

一种生产碳酸氢钠的装置，其特征在于，包括以下部件：反应器主体，反应器内部设有吸收反应一体化装置，在吸收反应一体化装置下方设有原料溶液进口，在吸收反应一体化装置上部和下部分别设有二氧化碳气体进口和氨气进口，在反应器主体顶部设有气体排出口，在反应器主体底部设有产品晶浆出口，在反应器主体上部设有上清液出口；还包括动力装置，动力装置使反应溶液在反应器内部按一定比例循环。

进一步地，所述动力装置为设置在反应器中心的搅拌器。

进一步地，所述动力装置为设置在反应器外的循环泵。

进一步地，在二氧化碳气体进口和氨气进口设有气体分配器。

进一步地，在反应器主体上设有视镜，以供观察内部的反应情况。

通过以上装置生产碳酸氢钠的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将原料钠盐（硫酸钠、氯化钠或二者的混合盐）配制成近饱和的原料溶液；将二氧化碳和氨气经过除杂，去除有害组分；

（2）将原料溶液、二氧化碳和氨气分别从原料溶液进口、二氧化碳气体进口和氨气进口进入反应器内的吸收反应一体化装置中，同时发生氨吸收、碳酸化、碳酸氢钠成核反应；开启动力装置使反应溶液在反应器内部按一定比例循环，控制反应温度、反应溶液在反应器中的停留时间和反应溶液在吸收反应一体化装置内的停留时间，生成的碳酸氢钠晶体在反应器中逐渐长大；

（3）长大的碳酸氢钠晶体自底部排出，经固液分离后产出产品；上清液自上清液出口流出后再经原料溶液进口进入反应器内的吸收反应一体化装置中循环，未完全吸收的尾气经气体排出口排出反应器。

进一步地，步骤（2）中反应温度为30-45℃，反应溶液的循环量是反应器内反应溶液的50-200倍，反应溶液在反应器中的停留时间为15-45h，反应溶液在吸收反应一体化装置内的停留时间为5-15h。

进一步地，步骤（1）中原料溶液为氯化钠时，其浓度为25-35%（W/W）；原料溶液为硫酸钠时，其浓度为20-30%（W/W）；原料溶液为二者混合盐时，Na⁺离子浓度为5-15%（W/W）；氨气的含量大于10%（V/V），二氧化碳的含量大于6%（V/V）。

进一步地，步骤（2）中Na⁺和NH₃的投料摩尔比为1∶1-1∶1.2，NH₃和CO₂的投料摩尔比为1∶1.1-1∶1.8。

进一步地，步骤（1）根据气体流量、氨吸收速度、碳酸化速度调整氨气进口和二氧化碳进口数量、高度和不同位置的曝气强度，确保有效进行吸收、反应。

本发明具有以下有益技术效果：在同一装置内同时实现溶液的氨化（氨吸收）、碳化、碳酸氢钠晶体的生成和长大过程，通过母液的大流量循环，可在反应装置中保持较低的过饱和度，有利于形成大颗粒的碳酸氢钠晶体，保证产品的质量。

附图说明

图1是实施例1的装置结构示意图。

图2是气体分配器结构示意图。

附图标记：1-反应器主体，2-原料溶液进口，3-氨气进口，4-二氧化碳气体进口，5-产品晶浆出口，6-上清液出口，7-气体排出口，8-搅拌器，9-吸收反应一体化装置，10-视镜，11-气体分配器。

实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种生产碳酸氢钠的装置，包括以下部件：反应器主体1，反应器内部设有吸收反应一体化装置9，在吸收反应一体化装置9下方设有原料溶液进口2，在吸收反应一体化装置9上部和下部分别设有二氧化碳气体进口4和氨气进口3，在反应器主体顶部设有气体排出口7，在反应器中心设有搅拌器8，在反应器主体底部设有产品晶浆出口5，在反应器主体上部设有上清液出口6；在二氧化碳气体进口4和氨气进口3设有气体分配器11，在反应器主体上设有视镜10。如图2所示，气体分配器11在圆周上均匀设置气孔，使进入反应器的二氧化碳气体或氨气均匀分布。

原料溶液为质量浓度30%的氯化钠溶液，氨气为体积浓度30%，二氧化碳体积浓度20%；钠离子∶氨气（摩尔比）=1∶1.1，氨气∶二氧化碳（摩尔比）=1∶1.1。氯化钠溶液进入反应装置内，在搅拌的作用下，与回流溶液进入吸收反应一体化装置，自下而上流动；在一体化装置中，根据氨气溶解、碳酸化过程，设置若干氨气和二氧化碳进气及布气装置，具体布置方式为氨气、二氧化碳进气点间隔布置、按照1:1.1的摩尔比进气，使得溶解、反应高效完成。控制反应温度为30℃，反应液在反应器内的内循环量为50倍，反应溶液在反应器中停留时间为15h，在吸收反应一体化装置内的停留时间为5h。

氨气和二氧化碳在吸收反应一体化装置中快速反应完成碳酸化，生成的碳酸氢根与钠离子结合成核，生成碳酸氢钠晶体。晶体在搅拌作用下，自上而下流经反应器主体，晶体逐渐长大。颗粒较大的晶体进入反应器底部，通过晶浆出口去生成产品；颗粒较小的晶体随循环液进入吸收反应一体化装置，作为晶种，避免碳酸氢钠细晶产生。上清液经反应器上部的上清液出口外排；未反应的二氧化碳气体经顶部气体排出口排出反应器。

本装置氨气利用率大于95%，二氧化碳利用率大于90%，钠源一次利用率大于70%，产生的碳酸氢钠晶体平均粒度＞0.15mm，优于传统工艺。

实施例2

一种生产碳酸氢钠的装置，包括以下部件：反应器主体，反应器内部设有吸收反应一体化装置，在吸收反应一体化装置下方设有原料溶液进口，在吸收反应一体化装置上部和下部分别设有二氧化碳气体进口和氨气进口，在反应器主体顶部设有气体排出口，在反应器反应器中心设有搅拌器，在反应器主体底部设有产品晶浆出口，在反应器主体上部设有上清液出口；在二氧化碳气体进口和氨气进口设有气体分配器，在反应器主体上设有视镜。

原料溶液为质量浓度25%的硫酸钠溶液，氨气为体积浓度30%，二氧化碳体积浓度20%。钠离子∶氨气（摩尔比）=1∶1.2，氨气∶二氧化碳（摩尔比）=1∶1.8。硫酸钠溶液进入反应装置内，在搅拌的作用下，与回流溶液进入吸收反应一体化装置，自下而上流动；在一体化装置中，根据氨气溶解、碳酸化过程，设置若干氨气和二氧化碳进气及布气装置，具体布置方式为氨气、二氧化碳进气点间隔布置、按照1:1.8的摩尔比进气，使得溶解、反应高效完成。控制反应温度为45℃，反应液在反应器内的内循环量为200倍，反应溶液在反应器中停留时间为45h，在吸收反应一体化装置内的停留时间为15h。

氨气和二氧化碳在吸收反应一体化装置中快速反应完成碳酸化，生成的碳酸氢根与钠离子结合成核，生成碳酸氢钠晶体。晶体在搅拌作用下，自上而下流经反应器主体，晶体逐渐长大。颗粒较大的晶体进入反应器底部，通过晶浆出口去生成产品；颗粒较小的晶体随循环液进入吸收反应一体化装置，作为晶种，避免碳酸氢钠细晶产生。上清液经反应器上部的上清液出口外排；未反应的二氧化碳气体经顶部气体排出口排出反应器。

实施例3

一种生产碳酸氢钠的装置，包括以下部件：反应器主体，反应器内部设有吸收反应一体化装置，在吸收反应一体化装置下方设有原料溶液进口，在吸收反应一体化装置上部和下部分别设有二氧化碳气体进口和氨气进口，在反应器主体顶部设有气体排出口，在反应器外设有循环泵及相应管道，在反应器主体底部设有产品晶浆出口，在反应器主体上部设有上清液出口；在二氧化碳气体进口和氨气进口设有气体分配器，在反应器主体上设有视镜。

原料溶液为Na⁺离子质量浓度为10%的氯化钠和硫酸钠混合溶液，氨气为体积浓度30%，二氧化碳体积浓度20%。钠离子∶氨气（摩尔比）=1∶1，氨气∶二氧化碳（摩尔比）=1∶1.5。硫酸钠溶液进入反应装置内，在搅拌的作用下，与回流溶液进入吸收反应一体化装置，自下而上流动；在一体化装置中，根据氨气溶解、碳酸化过程，设置若干氨气和二氧化碳进气及布气装置，具体布置方式为氨气、二氧化碳进气点间隔布置、按照1:1.5的摩尔比进气，使得溶解、反应高效完成。控制反应温度为40℃，反应液在反应器内的内循环量为120倍，反应溶液在反应器中停留时间为30h，在吸收反应一体化装置内的停留时间为10h。

氨气和二氧化碳在吸收反应一体化装置中快速反应完成碳酸化，生成的碳酸氢根与钠离子结合成核，生成碳酸氢钠晶体。晶体在搅拌作用下，自上而下流经反应器主体，晶体逐渐长大。颗粒较大的晶体进入反应器底部，通过晶浆出口去生成产品；颗粒较小的晶体随循环液进入吸收反应一体化装置，作为晶种，避免碳酸氢钠细晶产生。上清液经反应器上部的上清液出口外排；未反应的二氧化碳气体经顶部气体排出口排出反应器。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (9)

1.一种生产碳酸氢钠的方法，其特征在于，生产碳酸氢钠的装置包括以下部件：反应器主体，反应器内部设有吸收反应一体化装置，在吸收反应一体化装置下方设有原料溶液进口，在吸收反应一体化装置上部和下部分别设有二氧化碳气体进口和氨气进口，在反应器主体顶部设有气体排出口，在反应器主体底部设有产品晶浆出口，在反应器主体上部设有上清液出口；还包括动力装置，动力装置使反应溶液在反应器内部按一定比例循环；

所述方法包括以下步骤：

（1）将原料钠盐配制成近饱和的原料溶液；将二氧化碳和氨气经过除杂，去除有害组分；

（2）将原料溶液、二氧化碳和氨气分别从原料溶液进口、二氧化碳气体进口和氨气进口进入反应器内的吸收反应一体化装置中，同时发生氨吸收、碳酸化、碳酸氢钠成核反应；开启动力装置使反应溶液在反应器内部按一定比例循环，控制反应温度、反应溶液在反应器中的停留时间和反应溶液在吸收反应一体化装置内的停留时间，生成的碳酸氢钠晶体在反应器中逐渐长大；

（3）长大的碳酸氢钠晶体自底部排出，经固液分离后产出产品；上清液自上清液出口流出后再经原料溶液进口进入反应器内的吸收反应一体化装置中循环，未完全吸收的尾气经气体排出口排出反应器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中反应温度为30-45℃，反应溶液的循环量是反应器内反应溶液的50-200倍，反应溶液在反应器中的停留时间为15-45h，反应溶液在吸收反应一体化装置内的停留时间为5-15h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中原料溶液为氯化钠时，其质量浓度为25-35%；原料溶液为硫酸钠时，其质量浓度为20-30%；原料溶液为二者混合盐时，Na⁺离子质量浓度为5-15%；氨气的体积含量大于10%，二氧化碳的体积含量大于6%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中Na⁺和NH₃的投料摩尔比为1∶1-1∶1.2，NH₃和CO₂的投料摩尔比为1∶1.1-1∶1.8。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）根据气体流量、氨吸收速度、碳酸化速度调整氨气进口和二氧化碳进口数量、高度和不同位置的曝气强度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力装置为设置在反应器中心的搅拌器。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力装置为设置在反应器外的循环泵。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在二氧化碳气体进口和氨气进口设有气体分配器。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在反应器主体上设有视镜。

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