一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺
阅读说明：本技术 一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺 (Process for preparing sodium carbonate crystals by wet pyrolysis of sodium bicarbonate solid ) 是由 杨仁春 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺,属于碳酸钠晶体制备技术领域。包括以下步骤：S1：向氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中,一边搅拌加热,一边缓慢加入碳酸氢钠固体；S2：加完料后,继续搅拌加热升温至90～118??°C,当没有二氧化碳气体生成时,停止加热；S3：冷却,过滤,得到一水碳酸钠晶体。本发明碳酸氢钠分解率高,能耗低,而且产物为碳酸钠固体。(The invention discloses a process for preparing sodium carbonate crystals by wet pyrolysis of sodium bicarbonate solids, and belongs to the technical field of sodium carbonate crystal preparation. The method comprises the following steps: s1: adding sodium bicarbonate solid slowly into sodium chloride-sodium carbonate double saturated solution while stirring and heating; s2: after the materials are added, continuously stirring and heating to raise the temperature to 90-118℃, and stopping heating when no carbon dioxide gas is generated; s3: cooling and filtering to obtain sodium carbonate monohydrate crystals. The sodium bicarbonate has high decomposition rate and low energy consumption, and the product is sodium carbonate solid.)
技术领域
本发明涉及碳酸钠晶体制备技术领域，具体是一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺。
背景技术
碳酸氢钠热分解制备碳酸钠，传统有如下两种工艺：
1、干法工艺。碳酸氢钠固体经过回转炉在180~220℃热解得到碳酸钠固体。该工艺碳酸氢钠热解成碳酸钠、二氧化碳和水蒸气，碳酸氢钠的理论分解率为100%，但是该工艺的热量传递方式为固-固传热，效率低，能耗大，而且尾气中二氧化碳浓度低，不便于回收利用。
2、湿法工艺。碳酸氢钠加入到介质水中形成悬浮液，在95-105℃受热分解。该方法热量传递方式固-液-固传热，传热效率高；碳酸氢钠在水溶液中以碳酸氢根离子形态存在，容易受热分解，热量利用率高，初始反应速度快，95℃时已有75%的碳酸氢钠分解，与干法比较，能耗节约50%，而且尾气中二氧化碳浓度高，便于回收利用。但是，碳酸氢钠在水溶液中受热分解是可逆反应，随着所生成的碳酸钠的量的增加，碳酸钠浓度增加，当碳酸钠浓度达到17%左右时，与残留的碳酸氢钠达到动态平衡，碳酸氢钠的理论分解率93%，但实际生产达到理论值需要很长时间，经济上不合理，通常工业上一般控制在85%左右；并且，湿法分解所得的碳酸钠是溶液态，需经蒸发浓缩得到碳酸钠固体。
然而，随着国家对“节能增效”的大力倡导，需要一种碳酸氢钠分解率高，能耗低，而且产物为碳酸钠固体的碳酸氢钠热解工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供一种碳酸氢钠分解率高，能耗低，而且产物为碳酸钠固体的碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：向氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入碳酸氢钠固体；
S2：加完料后，继续搅拌加热升温至90~118°C，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S3：冷却，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
进一步的，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：将氯化钠-碳酸钠双饱和溶液加热至60~80°C；
S3：向氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至90~118°C，保温0.5~1小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60~80°C，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
进一步的，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：将氯化钠-碳酸钠双饱和溶液加热至加热至80°C；
S3：向氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至118°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至80°C，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
进一步的，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入108重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至118°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60~80°C，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
进一步的，S1中，制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的方法：在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，搅拌形成双饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液。
进一步的，S5中，过滤后的滤液加入反应釜内，循环使用。
进一步的，通过溶液中不再有气泡冒出，来判定没有二氧化碳气体生成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，以氯化钠-碳酸钠双饱和溶液为循环介质，加入碳酸氢钠固体，加热分解为碳酸钠，在氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，碳酸钠不会溶解，以一水碳酸钠形式结晶出。
2.传统碳酸氢钠湿法工艺中，随着热解反应的进行，平衡右移，碳酸钠浓度不断增大，溶液碱性不断增强，碳酸钠浓度为17.7%时，达到平衡，反应终止。本发明采用氯化钠-碳酸钠双饱和溶液，加入了氯化钠，由于盐效应，碳酸钠溶解度减小，平衡右移持续进行，从而使一水碳酸钠从溶液中析出，因此，碳酸氢钠的分解率可达100%，另外，反应后的滤液（本质仍为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液）加入反应釜内循环利用，反应过程中不消耗氯化钠-碳酸钠双饱和溶液。
3.本发明碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，在传统湿法工艺中加入碳酸氢钠固体，并通过使用氯化钠-碳酸钠双饱和溶液，在湿法工艺形式上实现了传统干法工艺的高分解率，从而本发明具备了传统湿法工艺和干法工艺的优点，具有耗能低，分解率高，产品为固体形态的优点，而且反应过程中产生的二氧化碳浓度高，便于回收利用。
本发明碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，在传统干法、湿法工艺基础上进行结合、改进而得到的技术方案，克服了以下技术困难：1.选用氯化钠-碳酸钠双饱和溶液作用反应介质，并将其预热至60~80°C，不影响加料，加入碳酸氢钠固体后升温至90~118°C进行热解反应，反应完毕再降温至60~80°C进行过滤，从而不会对过滤设备和操作人员产生损伤；2.热解温度控制在90~118°C，一方面保证反应速率，另一方面保证热解反应结束的判定直观、准确；3.控制加入的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液和碳酸氢钠的重量份数，保证反应后的固液比控制在40~50%，从而不影响反应物的搅拌以及反应产物的过滤。因此，本发明碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺对所属领域技术人员来说是不容易想到和实现的。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
实施例一
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：向100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入108重量份的碳酸氢钠固体；
S2：加完料后，继续搅拌加热升温至90°C，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S3：冷却，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
S1中，制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的方法：在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，搅拌形成双饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液。
如图1所示，本发明的制备工艺中，氯化钠-碳酸钠双饱和溶液代替传统湿法中的水作为循环介质，加入碳酸氢钠固体后，加热热解，热解过程生成的碳酸钠以一水碳酸钠晶体形态不断析出，二氧化碳以气体形式冒出；待溶液中没有气泡冒出时，判断碳酸氢钠热解完成，冷却，过滤出一水碳酸钠，滤液仍为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液，循环利用。
在不同温度下，碳酸钠与氯化钠在双饱和溶液中的溶解度如表1所示：
表1：碳酸钠与氯化钠在双饱和溶液中的溶解度
温度（℃）
60
70
80
90
100
110
118
碳酸钠（wt%）
13.9
11.6
10.9
10.5
10.2
8.4
8.2
氯化钠（wt%）
17.8
20.3
21.2
22
22.5
23.8
24.2
水（wt%）
68.3
68.1
67.9
67.5
67.3
67.8
67.6
根据表1可知，碳酸钠在双饱和溶液中的溶解度随温度的升高而减小，而且在90~118°C，溶解度能够在10.5%以下，即碳酸氢钠在双饱和溶液中热解生成的碳酸根离子的浓度（以质量分数计）大于10.5（wt%）时，即会产生一水碳酸钠晶体析出；而传统湿法工艺中，由于介质为水，碳酸氢钠在水中会发生水解和热解（如以下反应方程式所示），随着碳酸氢钠热解反应的进行，平衡右移，碳酸钠浓度不断增大，溶液碱性不断增强，碳酸钠浓度为17.7%时，达到平衡，反应终止；当向溶液中加入氯化钠时，由于盐效应，碳酸钠溶解度减小，从溶液中析出，使得碳酸根离子的浓度永远达不到17.7%，从而热解反应持续进行，直到加入的碳酸氢钠反应完全，因此，理论上碳酸氢钠的分解率达到100%。
水解：2NaHCO3⇌2HCO3 -+2Na+
热解：2HCO3 -⇌CO3 2-+CO2+H2O
实施例二
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：向100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入108重量份的碳酸氢钠固体；
S2：加完料后，继续搅拌加热升温至118°C，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S3：冷却，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的制备方法与实施例一相同，不再赘述。
本发明实施例的制备工艺，S2中，加热升温至118°C，由于盐水的沸点高于水的沸点，且随着盐水的浓度增加，沸点也会升高，氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的沸点高于118°C，所以，在118°C时，溶液不会沸腾，也不会出现水蒸气的气泡，此时，仍能够通过不再产生二氧化碳气泡来判断热解反应完毕。
实施例三
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：向100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液中，一边搅拌加热，一边缓慢加入108重量份的碳酸氢钠固体；
S2：加完料后，继续搅拌加热升温至100°C，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S3：冷却，过滤，得到一水碳酸钠晶体。
氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的制备方法与实施例一相同，不再赘述。
实施例四
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，在80°C下搅拌，形成饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入108重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至105°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60°C，过滤，将过滤后的滤饼烘干，得到一水碳酸钠晶体。
过滤后的滤液加入反应釜内，循环使用。
通过溶液中不再有气泡冒出，来判定没有二氧化碳气体生成。
实施例五
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，在80°C下搅拌，形成饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入100重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至105°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至80°C，过滤，烘干，得到一水碳酸钠晶体。
实施例六
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，在80°C下搅拌，形成饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入80重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至105°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60~80°C，过滤，烘干，得到一水碳酸钠晶体。
实施例七
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，在80°C下搅拌，形成饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入118重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至105°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60~80°C，过滤，烘干，得到一水碳酸钠晶体。
实施例八
一种碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体的工艺，包括以下步骤：
S1：制备氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
在水中加入过量的氯化钠、碳酸钠固体，在80°C下搅拌，形成饱和溶液，过滤掉多余的氯化钠、碳酸钠固体，滤液即为氯化钠-碳酸钠双饱和溶液；
S2：取100重量份的氯化钠-碳酸钠双饱和溶液置于反应釜内，加热至80°C，进行预热；
S3：向反应釜内，一边搅拌加热，一边缓慢加入128重量份的碳酸氢钠固体；
S4：加完料后，继续搅拌加热升温至105°C，保温0.5小时，当没有二氧化碳气体生成时，停止加热；
S5：冷却至60~80°C，过滤，烘干，得到一水碳酸钠晶体。
通过对实施例一、二、三、四、五、六、七、八制得的一水碳酸钠晶体实际称重，得到下表2：
根据碳酸氢钠热解方程式，制得的
一水碳酸钠晶体重量份的理论值=碳酸氢钠固体重量份*一水碳酸钠相对分子质量/碳酸氢钠相对分子质量；
碳酸氢钠分解率=已分解的碳酸氢钠重量份/加入的碳酸氢钠总重量份
=一水碳酸钠晶体重量份的实际值*碳酸氢钠相对分子质量/（一水碳酸钠相对分子质量*碳酸氢钠固体重量份）
制得一水碳酸钠晶体时的固液比=一水碳酸钠晶体重量份的实际值/（一水碳酸钠晶体重量份的实际值+氯化钠-碳酸钠双饱和溶液的重量份）
根据表2可知：
（1）在本申请以氯化钠-碳酸钠双饱和溶液为反应介质的碳酸氢钠固体湿法热解制备碳酸钠晶体工艺中，控制反应温度在90~118°C时，不论改变原料配比，还是改变其他反应条件（如冷却温度、保温时间、是否预热等），碳酸氢钠固体的分解率均达99%以上，接近理论值；
（2）加入碳酸氢钠固体的重量份为80时，分解率最大，是因为此时的固液比相对较小，反应釜内的搅拌阻力较小，反应更加充分，而且便于过滤；加入碳酸氢钠固体的重量份为128时，分解率最小，是因为此时的固液比相对较大，反应釜内的搅拌阻力较大，反应不够充分，而且增加过滤难度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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