DE2522501B2 - Verfahren zur Herstellung von Natriumbicarbonat - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von NatriumbicarbonatInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren
zur Herstellung von Natriumbicarbonat, durch Behandeln der NaCI-haltigen Lauge aus einer Chloralkali-Diaphragma-Elektrolysezelle
mit CO2-GaS1 bei dem Natriumhydroxid
bei erhöhter Temperatur in Natriumbicarbonat überführt wird.
Laugen aus Elektrolysezellen werden bereits seit langem für die Gewinnung von Natriumbicarbonat
genutzt Bei dem kontinuierlichen Verfahren der US-PS 52 955 wird in die Kathodenkammer Natriumbicarbonatlösung
und die Anodenkammer Salzlösung gespeist und elektrolysiert. Der Natriumcarbonat-haltige Katholyt
wird in einem getrennten Behälter mit Kohlendioxid behandelt und das Natriumcarbonat in Natriumbicarbonat
Oberführt und teilweise ausgefallt und isoliert Die Lösung wird in die Kathodenkammer zurückgeführt
und der umlaufende Flüssigkeitsstrom konstant gehalten.
Seither wurden andere, zum Teil erheblich verbesserte Verfahren zur Herstellung von Bicarbonat in
Elektrolysezellen entwickelt, die aber nicht frei von Nachteilen sind und bei denen vor allem der
einwandfreie Betrieb der Elektrolysezelle nicht sichergestellt ist
s Carbonisieren der bei der Chloralkali-Elektrolyse erhaltenen Natronlauge laufen foigende Reaktionen ab:
vollständig, während die beiden anderen Reaktionen langsam ablaufen.
Dabei treten eine Reihe von Schwierigkeiten auf: Bei niederer Temperatur wird der Gleichgewichtszustand
erst nach längerer Zeit erreicht, es fällt allgemein ein
Gemisch aus Bicarbonat und Carbonat an, die Kristalle sind klein, setzen sich schlecht ab und lassen sich schwer
abschleudern, waschen und trennen. Die Ausbeute an bei diesem Verfahren wiedergewonnenem Natriumhydroxid
wird hierdurch stark beeinträchtigt Bei höheren Temperaturen hingegen bilden sich Krusten, die die
Reaktionsgefäße und Leitungen verstopfen.
Geht man von Natronlauge aus Diaphragma-Elektrolysezellen aus, so kommt hinzu, daß diese relativ
verdünnte Lauge zwangsläufig NaCl enthält, das die Fällung beeinflußt und das angestrebte Endprodukt
verunreinigt Andererseits wird aber ein Natriumbicarbonat von gleicher Güte wie nach dem Ammoniak-Soda
Verfahren angestrebt d. h. von ausreichender Reinheit
und in ausreichend großen leicht filtrierbaren Kristallen.
Um die Löslichkeit des Bicarbonats in der Natronlauge zu verringern, wird bei dem Verfahren der US-PS
23 83 674 der Katholyt zunächst bis zur Sättigung mit NaCl und NaOH durch ein Natriumchloridbett geführt
Dann wird CO2 eingeleitet unc" so viel NaOH wie
möglich in Bicarbonat überführt, das ausgefällt und abfiltriert wird. Die erschöpfte Lauge wird mit Wasser
aufgefüllt mit NaCl gesättigt und als Anolyt in die Diaphragma-Elektrolysezelle zurückgeführt Nachteilig
an diesem Verfahren ist, daß Eigenschaften und Qualität des angestrebten Produktes nicht in der gewünschten
Weise geregelt werden können. Die feinen Bicarbonatkristalle agglomerieren zu einem wenig porösen
Filterkuchen, der die Wirksamkeit des Filters beeinträchtigt und halten Mutterlauge zurück, die zusammen
so mit den darin vorhandenen Begleitstoffen nur teilweise
durch längeres Waschen entfernt werden kann.
Das Verfahren der FR-PS 11 88 512 und der US-PS
29 26 995 geht von der Beobachtung aus, daß Alkalinität und NaCl-Gehalt der Lauge, die Temperatur, bei der mit
CO2 gesättigt wird, die Geschwindigkeit und CO2-Konzentration
des Gasstromes kritische Faktoren für die Filtrierbarkeit und Kristallgröße von Natriumbicarbonat
sind. Es wird bei einer Temperatur von 45 bis maximal 100° C eine Natriumcarbonatlösung mit CO2
ho gesättigt, deren Alkalinität zunächst 9,5 bis 11,25
Gew.-% Natriumcarbonat äquivalent ist und die i 1,0 bis 144 Gew.-% NaCI enthält Der Gasstrom soll 10 bis 90
VoL-1Vb CO2 enthalten. Benötigt werden je 100
Volumteile Lösung, 12 bis 240 Vol.-Teile Gas. Es wird in
den Beispielen 1 und 2 diskontinuierlich und im Beispiel 3 in drei Stufen halbkontinuierlich gearbeitet, wobei
jeweils unterschiedliche Alkalinität gegeben durch Natriumcarbonat und NaCI eingestellt und ein vorgege-
bener Umwandlungsgrad zu Bicarbonat nicht überschritten
wird: In der ersten Stufe 30,9%, in der zweiten Stufe 64% und in der dritten Stufe 96,5%; wesentlich für
die angestrebte Kristallgröße ist die zweite Stufe. Die Carbonisierungstemperatur beträgt dabei 60° C in allen
drei Stufen.
Mit Hilfe dieses Verfahrens werden gut filtrierbare große Bicarbonatkristalie erhalten. Das Problem der
Krustenbildung stellt sich hierbei nicht Es müssen bei diesem Verfahren aber die in den verschiedenen to
Verfahrensstufen jeweils benötigten Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer bei einer Temperatur eingestellt
und die Laugen diskontinuierlich behandelt werden. Kontinuierlich IaBt sich diese Arbeitsweise
nicht anwenden.
Das Problem der Verunreinigung des Natriumbicarbonats
mit NaCl stellt sich nicht, wenn Laugen aus Queckiiilber-EIektrolysezellen carbonisiert werden, die
sehr rein und in einer Konzentration von allgemein 40 bis 50%, manchmal sogar bis zu 73% NaOH anfallen
(»Chlorine« ν. j. S. Sconce. Reinhold Publishing Corporation, New York).
Bei dem Verfahren der DE-AS 15 67 922 wird eine Ober 40%ige Natronlauge aus dem Natriuniamalgamverfahren
bei 20 bis 30° C mit einer aus einem früheren Arbeitsgang stammenden, mit Natriumbicarbonat gesättigten
Mutterlauge gemischt und zu einer Lauge verdünnt, die 8 bis 15 Gew.-% NaOH enthält Bei der
sich dabei einstellenden Temperatur wird CO2 eingeleitet,
wobei die Temperatur im Reaktionsgemisch weiter ansteigt und durch Kühlen auf 65 bis 700C gehalten
wird. Am Ende der COr Absorption wird auf 22 bis 28° C
gekühlt Die in den Reaktionskesseln an den Kühlrohren oder Wänden haften gebliebenen Natriumbicarbonatkristalle
stören den Verfahrensablauf wenig, da sie zu Beginn des nächsten Verfahrensganges von frischer
Natronlauge aufgelöst werden. Diese Arbeitsweise hat sich aber in der Praxis offenbar nicht bewährt
Bei den Verfahren der DE-AS 20 16 633, das zweistufig ;n einer Rührkessel-Kaskade ausgeführt wird,
wird zuerst in die konzentrierte Natronlauge aus dem Natriumamalgamverfahren bei 70 bis 1100C CO2
eingeleitet ein Natriumcarbonat-monohydrathaltiges Kristallisat ausgefällt und von der Mutterlauge abgetrennt.
In einer zweiten Stufe wird der Niederschlag in Bicarboratlösung gelöst und dann bei 20 bis 70° C mit
Kohlendioxid zum Natriumbicarbonat umgesetzt Dieses wird abfiltriert und das Filtrat als Lösungsmittel in
die zweite Stufe zurückgeführt; die Mutterlauge aus der ersten Stufe wird in di»se zurückgeführt Vorzugsweise
erfolgt die Umsetzung in der ersten Stufe bei Temperaturen zwischen 95 und 1050C und in der
zweiten Stufe bei Temperaturen zwischen 30 und 400C,
wobei in den einzelnen Rührkesseln jeweils stationäre Temperaturbedingungen eingehalten werden. In der
ersten Stufe kann statt des Natriumcarbonat-Monohydrats auch das Sesquicarbonat (Trona) ausgefällt
werden.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit welchem direkt die
Lauge aus einer Chloralkali-Diaphragma·Elektrolysezelle
kontinuierlich auf Natriumbicarbonat aufgearbeitet werden kann und das unter Vermeidung der bisher
bei solchen Verfahren aufgetretenen Schwierigkeiten in hoher Ausbeute ein handelsfähiges Produkt liefert
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man ausgehend wi einem Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung in die NaCl-haltige Lauge
a) in einer ersten Zone CO2 bis zur Bildung von
neutralem Natriumcarbonat einleitet,
b) in einer zweiten Zone das entstandene Carbor.at zunächst bei einer Maximaltemperatur unterhalb
70° C in Natriumbicarbonat überführt und
c) schließlich in einer dritten Zone unter Kühlung auf eine Temperatur von 45° C oder darunter die
Bicarbonatbildung in der erhaltenen Suspension zu Ende führt
Gemäß einer Abwandlung des Verfahrens wird die Bildung des Bicarbonate bei einer Maximaltemperatur
unter 70° C und die Beendigung der Ausfällung des Bicarbonate unter Kühlung auf 45° C oder darunter in
einem Reaktor durchgeführt und das flüssige Medium und das COz-Gas im Gegenstrom zueinander geführt
Das . erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, störungsfrei kontinuierlich zu arbeiten und liefert ein
gut filtrierbares Natriumbicarbonat, das frei von NaCl und Natriumcarbonat ist
Die Lauge aus der Diaphra^ia-Elektrolysezelle
enthält vorzugsweise 160 bis 210 g/l NaCi und 100 bis 200 g/l NaOH.
Der für die zweite und dritte Reaktionszone eingesetzte Gasstrom enthält vorzugsweise mindestens
35 VoL-% CO2; dies ermöglicht es, mit an die
Atmosphäre abgebenden Vorrichtungen zu arbeiten; es kann aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch
unter Druck gearbeitet und dementsprechend ein Gasstrom mit geringerer COrKonzevitration eingesetzt
werden.
Die Temperatur in der zweiten Reaktionszone kann vorteilhafterweise noch verringert werden, wenn man
einen Teil der Suspension im Kreislauf führt Hierzu wird die Suspension in zumindest einem Punkt der
dritten Zone c) abgezogen und an mindestens einem Punkt oberhalb des Punktes der Maximaltemperatur
der zweiten Zone b) zurückgeführt
Vorteilhafterweise wird ein Teil der am i'opf der
dritten Zone c) abgezogenen Suspension am Kopf der zweiten Zone b) wieder zugeführt Gegebenenfalls
werden auch die Mutterlaugen in die zweite Zone rückgeführt
Dieses Umlaufenlassen der Suspension hat den großen Vorteil, daß in der zweiten Zone bei niederer
Temperatur von maximal 40 bis 6O0C gearbeitet werden kann und ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden.
Außerdem werden dicke Kristalle mit großem mittlerem Durchmesser erhalten, die sich leicht abtrennen
lassen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält miteinander kombiniert:
In einem ersten Bareich Kontaktapparate beliebig bekannter Art um Gas und Flüssigkeit miteinander in
Berührung zu bringen, beispielsweise Füllkörperkolonnen oder Rührrea*toren;
in einem zweiten Bereich Einrichtungen um Gas und Flüssigkeit in Berührung miteinander zu bringen und
den Feststoff auszutragen, beispielsweise eine Doppclboden(Passettenjkolonne
oder eine Kolonne mit Bauelementen auf der Basis eines Gassiphons, beispielsweise
zwischen zwei Diaphragmen konzentrisch zu einem Außenring angeordneten Innenring oder beliebig
andere äquivalente Mittel;
in einem dritten Bereich die beschriebenen Einrichtungen, um Gas und Flüssigkeit in Berührung miteinander
zu bringen und den Feststoff auszutragen sowie übliche einfache Kühlvorrichtungen wie Schlangenkühler, zum
Die verschiedenen Einrichtungen können in einer oder in mehreren Vorrichtungen angeordnet sein.
Vorzugsweise wird in mindestens zwiii voneinander unterschiedenen Vorrichtungen gearbeitet, von denen
die eine die Kontaktapparate für Gas und Flüssigkeit umfaßt und die anderen) jeweils zunächst die Mittel
zum In-Berührung-Bringen von Gas und Flüssigkeit und
zum Austragen der Feststoffe und sodann diese Mittel kombiniert mit Kühlvorrichtungen umfassen.
Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert
Es wurde in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 gearbeitet,
die sich aus zwei mit Flüssigkeit gefüllten bzw. gefluteten Kolonnen 1 und 2 zusammensetzte, wobei
Kolonne 1 als Waschkolonne und Kolonne 2 als Reaktor arbeitete.
Beide Kolonnen, jeweils mit Innendurchmesser 130 m und Höhe 20 m, waren mit Doppelböden oder
Passetten ausgestattet, in Form eines Einsatzes 3 mit darüberliegender Glocke 4, wie im Schema der Kolonne
2 gezeigt.
Die Lauge wurde jeweils am Kopf der beiden Kolonnen zugeführt, über 5 in die Kolonne 1 und über
die Leitung 8 aus Kolonne 1 in Kolonne 2.
Das COrhaltige Gas wurde über Leitung 6 am Boden der Kolonne 1 und über die Leitungen 11 und 10 der
Kolonne 2 zugeführt Der Überschuß an CO2 und die Inertgase wurden jeweils über die Abgabestutzen 7 und
12 abgeblasen. In der unteren Hälfte der Kolonne 2 fand sich der Kühler 13 und am Kolonnenboden der
Austragsstutzen 14.
Es wurde eine Lauge, enthaltend 190 g/l NaCI und 120 g/l NaOH eingesetzt, und mit einem Gasstrom
enthaltend 40 VoL-% CO2 behandelt Die stündliche
Einspeisung betrug 15 m3 und wurde zu gleichen Teilen auf die Leitungen 6,10 und 11 aufgeteilt. Beim Eintritt in
die beiden Kolonnen betrug die Gastemperatur 280C. Die MaxJmaltemperatur erreichte in der Zone b) 58° C.
Die Temperatur der am Boden der Kolonne 2 abgezogenen Suspension betrug 25° C.
Die Ausbeute an Natriumbicarbonat betrug 893%,
bezogen auf den Na2O-GeIIaIt der eingesetzten Lauge.
Die abgezogene Natriumbicarbonatsuspension ließ sich leicht dekantieren und filtrieren, war frei von Natriumchlorid
und von Natriumcarbonat Der mittlere Durchmesser der isolierten Natriumbicarbonat-Kristal-Ie
betrug 180 μπι.
Es wurde in der Vorrichtung gemäß F i g. 2 gearbeitet,
die sich zusammensetzte aus der gefluteten Passettenkolonne 15, Durchmesser 150 ram, Höhe 9 m, die als
Reaktor arbeitete und den kontinuierlich arbeitenden Dekanter 16, Fassungsvermögen 50 L
Die Lauge wurde über die Leitung 17 in den Kolonnenkopf eingespeist und das COrGas über die
Leitung 18 am Kolonnenboden zugeführt
Die Lauge enthielt 126 g/l NaOH und 183 g/I NaCl,
der CO2-GaSStTOm 68 VoL-% CO2. Die in der
Ausfälhmgszone b) erreichte Maximaltemperatur betrug etwa 55°C
Die Suspension wurde aus der Kühlzone 19 mit einer Temperatur von etwa 45° C abgezogen und über die
Leitung 20 in den Dekanter 16 geführt Die abgesetzten Natriumbicarbonat-Krtetalle wurden über den Abzugs
stutzen 21 ausgetragen; die geklärte Lauge wurde in einer Menge von 50 l/h mit Hilfe der Pumpe 22 über die
Leitung 23 in die Kolonne 15 zurückgespeist, und zwar am Kopf der Ausfällungszone b).
Die Umwandlung von Na2O in Natriumbicarbonat
verlief vollständig; die Ausbeute der Ausfällung betrug 84%.
Die Bicarbonatkristalle setzten sich gut und leicht ab und ließen sich leicht nitrieren und waschen.
In diesem Beispiel wurde unmittelbar Lauge aus der Elektrolysezelle eingesetzt. Natürlich kann statt dessen
auch Lauge aus einer Waschkolonne wie im vorangegangenen Beispiel eingesetzt werden.
Es wurde in der Vorrichtung gemäß F i g. 3 gearbeitet. Diese Vorrichtung gleicht der Vorrichtung gemäß
F i g. 1 mit der Abwandlung, daß in der Kolonne 2 zusätzlich eine Rüukiciiüng 24 mit den vs'fiiüngcii 23
und 26 vorgesehen ist, mit denen die Bicarbonatsuspension in zumindest einem Punkt der Zone c), in welcher
die Bicarbonatbildung zu Ende geführt und in der abgekühlt wird, abgezogen und in zumindest einem
Punkt oberhalb des Punktes der Maximaltemperatur der Zone b) zurückgeführt wird.
Die über die Leitung 5 in die Kolonne 1 mit 14 mVh
eingespeiste Lauge enthielt 192 g/l NaCi und 112 g/l NaOH. Sie wurde mit einem Gasstrom, enthaltend 40
Vol.-% CO2 behandelt der über die Leitung 6 dem
Kolonnenboden zugeführt wurde, in einer Menge entsprechend einer NaOH Konzentration von 22 g/l in
der Lauge, die über die Leitung 8 in die Kolonne 2 geführt wurde. Der über die Leitung 11 in die Kolonne 2
eingespeiste Gasstrom enthielt 80 VoI.-% CO2. Die Gastemperatur beim Einspeisen lag jeweils bei 30° C.
In der Kolonne 2 wurden über die Leitung 26 am Kopf der Endstufe der Bicarbonatbildung und der
Abkühlung 3OmVh Suspension abgezogen und oberhalb der Zone der Bildung und Ausfällung des
Natriumbicarbonats wieder eingespeist
Die Maximaltemperatur in der Zone b) der Bildung und Ausfällung von Natriumbicarbonat betrug 48"C, die
Temperatur der am Boden der Kolonne 2 ausgetragenen Suspension 30° C
Die Ausbeute an Natriumbicarbonat betrug 88,4% bezogen auf den ursprünglichen Na2O-GeIIaIt
Die Bicarbonatsuspension ließ sich leicht dekantierer und filtrieren und war frei von Natriumchlorid und
Natriumcarbonat Die Kristalle hatten einen mittlerer Durchmesser von 100 μΓη.
Der Arbeitszyklus betrug 3 Tage, ohne dat. die Vorrichtung zusetzte; der Betrieb der Anlage ließ sich
leicht steuern. Bei Wiederholung ohne Rückspeisen dei
Suspension in der Kolonne 2 dauerte der Arbeitszykluj 2 Tage und für gleichen Durchsatz mußte eine
Maximaltemperatur von 58°C eingehalten werden.
einmal ohne Rückspeisen der Suspension untei
folgenden Arbeitsbedingungen durchgeführt:
Die eingesetzte Lauge enthielt 200 g/l NaQ unc
cd 104 g/l NaOH; die Einspeisungsmenge betrug 10 mVh.
Das Gas mit 40 VoL-% wurde bei einer Temperatui von 300C zu gleichen Teilen über die Leitungen 6, K
und 11 zugeführt In der Zone b) wurde ein«
7 8
abgezogenen Suspension betrug 30" C. Die Ausbeute an Durchmesser (Korngröße) von 170 μπι erhalten, beim
Claims (6)
1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Natriumbicarbonat durch Behandeln der NaCl-haltigen
Lauge aus einer Chloralkali-Diaphragma-Elektrolysezelle
mit COz-Gas, bei dem Natriumhydroxid
bei erhöhter Temperatur in Natriumbicarbonat überfuhrt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß man
a) in einer ersten Zone CO2 bis zur Bildung von
neutralem Natriumcarbonat einleitet
b) in einer zweiten Zone das entstandene Carbonat zunächst bei einer Maximaltemperatur
unterhalb 700C in Natriumbicarbonat überführt
und
c) schließlich in einer dritten Zone unter Kühlung auf eine Temperatur von 45° C oder darunter
die BicarbonatbQdung in der erhaltenen Suspension zu Ende führt
2. Abwandlung des Verfahrens nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bildung des
neutralen Carbonate sowie die Bildung des Bicarbonate bei einer Maximaltemperatur unter 7O0C und
die Beendigung der Ausfällung des Bicarbonate unter Kühlung auf 45° C oder darunter in einem
Reaktor durchführt und das flüssige Medium und das CO2-GaS im Gegenstrom zueinander führt
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil der
Suspension 'u zumindest einem Punkt der Zone c) abzieht und an mindestens einem Punkt oberhalb des
Punktes der Maximaitemperatur zurückfuhrt
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet
daß man in der zweiten Zone eine Maximaltemperatur von 40 bis 600C einhält
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauge aus der
Elektrolysezelle 160 bis 210 g/l Natriumchlorid und 100 bis 200 g/l Natriumhydroxid enthält
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mutterlaugen
in die 2. Zone zurückführt
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