Способ растворения гидроксида натрия Российский патент 2022 года по МПК B01F21/00 C01D1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Твердый гидроксид натрия находит широкое применение в промышленности и в быту, например, при производстве моющих средств, в целлюлозно-бумажной промышленности, для нейтрализации кислот в химическом анализе, в качестве агента для устранения засоров канализационных труб.

Гидроксид натрия (едкий натр) выпускают в виде твердого продукта или в виде растворов. К наиболее известным маркам твердого едкого натра относятся:

1) Марка ТР. Твердый ртутный едкий натр (чешуированный) с массовой долей гидроксида натрия не менее 98.5%. Получают упариванием из ртутного раствора (РР) едкого натра марки РР с последующими сушкой и чешуированием;

2) Марка ТД. Твердый диафрагменный едкий натр с массовой долей гидроксида натрия не менее 94%. Получают упариванием из диафрагменного раствора (РД) едкого натра.

К наиболее известным маркам жидкого натра относятся:

1) Марка РР. Раствор ртутный с массовой долей гидроксида натрия не менее 42%;

2) Марка РД. Раствор диафрагменный с массовой долей гидроксида натрия не менее 44%.

Требования к маркам едкого натра изложены в ГОСТ Р 55064-2012. Натр едкий технический.

Как известно, твердый гидроксид натрия, полученный любым из описанных выше способов, пригоден для длительного хранения и не требует каких-либо специфических условий. Однако такой продукт имеет достаточно ограниченное применение. Это связано с тем, что в химическом производстве часто используется не сам гидроксид натрия, как таковой, а его концентрированные водные растворы. В то же время водные растворы щелочей обладают неудовлетворительным эксплуатационными свойствами: они создают агрессивную щелочную среду. Поэтому для длительного хранения растворов щелочей нужна специализированная тара. Кроме того, водные растворы щелочей активно поглощают из окружающий среды углекислый газ и влагу, что также отрицательно сказывается на их характеристиках.

Хорошо также известно, что растворение гидроксида натрия - это экзотермический процесс, сопровождающийся большим выделением тепла. Поэтому обычное растворение щелочи в воде требует соблюдения целого ряда мер предосторожности. К ним относится медленное добавление щелочи к воде небольшими порциями, сопровождаемое аккуратным помешиванием стеклянной палочкой до полного растворения. В случае обратного порядка смешения (т.е. воду добавляют к щелочи) происходит сильный разогрев, разбрызгивание и частичное испарение воды, что чревато серьезными химическими ожогами. Кроме того, рекомендуется ставить емкость, в которой получают раствор щелочи, в дополнительную тару с холодной водой. Воду, в которой производят растворение, также следует на 10-20% заменить кубиками льда. Дополнительные трудности обусловлены тем, что при растворении щелочи в недостаточном количестве воды образуется труднорастворимый стеклообразный сгусток.

Соответственно существует необходимость в разработке простых и безопасных способов растворения гидроксида натрия в воде для получения раствора, соответствующего всем требованиям ГОСТ Р 55064-2012.

Предложенное изобретение относится к исследованию процессов растворения, конкретно к улучшенному способу растворения гидроксида натрия.

Уровень техники

В уровне техники предложен ряд методов и устройств, направленных на получение водных растворов щелочей или других гидроксидов, позволяющих оптимизировать процесс и снизить экзотермический эффект, возникающий при растворении.

В ГОСТ 4328-77 и ГОСТ 4517-87 раствор гидроксида натрия готовят следующим образом: 50,00 г препарата помещают в фарфоровый стакан и растворяют в воде. Раствор переносят в мерную колбу, после охлаждения доводят объем раствора той же водой до метки и перемешивают. Указанный способ неприменим для получения больших количеств раствора. Так, при увеличении количеств гидроксида натрия будет пропорционально возрастать экзотермический эффект. Кроме того, при предложенном порядке смешивания возможен сильный локальный разогрев, который приведет к вскипанию воды.

В международной заявке на патент WO 2015/058236 A1 (дата публикации 30.04.2015) раскрыт способ получения водного раствора гидроксида путем смешивания порошка гидроксида натрия с водой в реакционном сосуде таким образом, чтобы реакция гидратации вызывала самопроизвольное кипение воды. Образующийся водяной пар удаляется из реакционного сосуда. Процесс ведут при дополнительном перемешивании и добавлении модификатора вязкости (уксусная кислота). Реакция прекращается после окончания процесса кипения и возвращения температуры раствора к заданным характеристикам. Как видно из описания предложенного способа, техническая проблема, заключающаяся в необходимости уменьшения экзотермического эффекта процесса растворения гидроксида в воде, не была решена раскрытым в WO 2015/058236 A1 способом. Поскольку вода в предложенном решении неконтролируемо выкипает, представляется невозможным приготовить раствор строго заданной концентрации в промышленных масштабах. Кроме того, указанные условия обязывают использовать жаропрочный резервуар, например, из термостойкого борного стекла. Эксплуатация устройства, описанного в заявке РСТ, требует дополнительной осторожности.

В заявке на патент CN 104437146A (дата публикации 25.03.2015) предложено охлаждающее устройство для растворения гидроксида натрия в воде. Устройство представляет собой цилиндрический резервуар с открытым верхом. Охлаждающая вода подается в нижнюю или в среднюю часть устройства и циркулирует по контуру резервуара. Вода для растворения подается в верхнюю часть емкости, полученный раствор гидроксида натрия отводится снизу. Предложенное устройство характеризуется рядом преимуществ. За счет быстрой циркуляции охлаждающей воды возможно добиться высокой степени охлаждения раствора гидроксида натрия. Однако для предложенного раствора не предусмотрена возможность перемешивания промежуточно образующейся суспензии. Поэтому предложенное решение вряд ли подойдет для получения растворов гидроксида натрия, соответствующих требованиям ГОСТ Р 55064-2012.

В патенте CN 210846051U раскрывается устройство для получения раствора гидроксида натрия, которое включает корпус и механизм перемешивания. Механизм перемешивания содержит двигатель, вращающийся вал, соединительные блоки, пружины, вибратор и перемешивающий вал. В устройстве также предусмотрен насос для подачи охлаждающей жидкости, при этом охлаждается нижняя часть корпуса устройства. Из недостатков предложенного решения следует отметить громоздкость устройства. Также предложенный механизм охлаждения практически не взаимодействует с самим раствором щелочи и, таким образом, выглядит недостаточным.

В авторском свидетельстве SU 1282856 A1 предложена установка, состоящая из последовательно расположенных кристаллизаторов (К) с циркуляционными контурами (ЦК), в которые направляется раствор гидроксида натрия. Изобретение пригодно для охлаждения раствором и для выделения примеси хлорида натрия из технического раствора щелочи.

Техническая проблема, которая не была решена ближайшими аналогами, заключается:

1) в необходимости эффективного охлаждения резервуара, в котором производят растворение;

2) в необходимости минимизации высокого экзотермического эффекта процесса растворения гидроксида натрия;

3) в необходимости оптимизации и масштабировании аппаратов и установок для растворения гидроксида натрия;

4) в необходимости упрощения известных способов.

Раскрытие сущности изобретения

При растворении гидроксида натрия выделяется 43 кДж/моль тепла (при условии получения бесконечно разбавленного раствора). Это достаточно значительная величина. Так, при растворении, например, 1 кг гидроксида натрия выделится 1075 кДж тепла. Если, например, стоит задача получить 50% раствор гидроксида натрия, т.е. 1 кг гидроксида натрия растворяют в 1 л воды, то, учитывая среднюю теплоемкость воды 4,2 кДж/кг*К, указанного тепла хватит, чтобы нагреть воду до кипения и частично ее испарить. Поэтому при прямом растворении гидроксида натрия в воде необходимо хорошее охлаждение смеси во избежание сильного разогрева.

Традиционно для решения указанной проблемы используют охлаждающие смеси, которые представляют собой смеси воды (льда) и неорганических солей (хлорид аммония, хлорид натрия, нитрат натрия и т.д.). Указанные составы подойдут только для внешнего охлаждения резервуара, в котором производят растворение. Поэтому такой вариант охлаждения пригоден только для случая растворения небольших количеств гидроксида натрия. По этой же причине нельзя считать пригодными и жидкий аммиак, и сухой лед. Их непосредственное добавление к раствору приведет к его загрязнению, а внешнее охлаждение неэффективно в случае растворения больших количеств гидроксида натрия.

Опытным путем было найдено, что для эффективного и быстрого растворения гидроксида натрия предпочтительно пользоваться следующим способом.

Стандартную упаковку (тару, мешок, контейнер, пластиковую коробку и т.д.) с гидроксидом натрия помещают в установку для приготовления растворов, состоящую из резервуара для растворения, накопительного резервуара для воды и циркуляционного насоса для подачи воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения. На закрытую упаковку высыпается лед в количестве 10-15% по массе от количества (массы) необходимой воды или от количества (массы) взятого гидроксида натрия. После этого упаковка прокалывается или повреждается металлическим прутом с острым наконечником. Затем вода из накопительного резервуара подается вода в резервуар для растворения. Экзотермический эффект процесса растворения уменьшается за счет плавления добавленного льда. При необходимости избыточное тепло также отводится через теплообменник, входящей в состав установки.

Также возможно добавление к обессоленной воде, в которой производят растворение, пентана, гексана или петролейного эфира. Указанные растворители не образуют азеотропов, не растворяются в воде и не смешиваются с ней. При растворении гидроксида натрия в указанной двухфазной системе органические растворители выкипают (частично или полностью) и, таким образом, отводят избыточное тепло от раствора. Тепло отводится за счет двух факторов:

1) нагревание органического растворителя до точки кипения (например, у гексана теплоемкость 2.3 кДж/кг*К);

2) вскипание органического растворителя (например, у гексана теплота испарения 310 кДж/кг).

Из этих данных можно оценить, что 1 кг гексана позволит поглотить около 450 кДж избыточного тепла. На практике отвода такого большого количества тепла не требуется, поскольку тепло отводится также за счет теплообмена c окружающей средой и за счет нагрева воды.

Максимально возможная температура в резервуаре будет определяться температурой кипения растворителя (например, петролейный эфир кипит в интервале температур 55-70°C). При необходимости пентан, гексан или петролейный эфир могут быть возвращены обратно в резервуар (если в качестве резервуара используется, например, колба с обратным холодильником) и впоследствии отделены от раствора гидроксида натрия. Отделение возможно декантацией, экстракцией или нагреванием до точки кипения.

Кроме того, возможен измененный порядок подготовки к растворению гидроксида натрия. Хорошую эффективность показывает предварительное измельчение твердого гидроксида натрия, его помещение в петролейный эфир (гексан или пентан), охлаждение полученной взвеси и медленное добавление указанной смеси к воде при перемешивании. В данном случае за счет возможности предварительного охлаждения петролейного эфира (гексана или пентана) и гидроксида натрия удается еще больше уменьшить экзотермический эффект.

Таким образом, технический результат, на достижение которого направлено предложенное решение, заключается в

1) возможности растворять гидроксид натрия в количествах от сотен грамм до нескольких тонн;

2) удобном способе производства 42-50% раствора гидроксида натрия (например, 42%, 45%, 50%, 45-50% и т.д.), соответствующего всем требованиям ГОСТ Р 55064-2012;

3) уменьшении экзотермичного эффекта процесса растворения гидроксида натрия;

4) ускорении процесса растворении гидроксида натрия;

Технический результат достигается за счет осуществления способа получения 42-50% раствора гидроксида натрия с использованием установки для приготовления растворов, включающей резервуар для растворения, накопительный резервуар для воды и насос (циркуляционный) для подачи воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения, состоит из следующих стадий:

а) очистка и обессоливание воды методами фильтрации, адсорбции примесей и обратным осмосом;

б) помещение полученной на стадии а) воды в накопительный резервуар установки для приготовления растворов, при этом воду берут из расчета 90-120% масс. % от массы гидроксида натрия;

в) помещение гранулированного гидроксида натрия в резервуар для растворения;

г) помещение льда в резервуар для растворения, при этом лед получают охлаждением, полученной на стадии а) очищенной и обессоленной воды и лед берут в количестве 10-15% масс. % от массы взятого гидроксида натрия;

д) направление воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения через насос для подачи воды;

е) обеспечение дальнейшей циркуляция полученного раствора до завершения растворения гидроксида натрия.

Стадия а): очистка и обессоливание воды фильтрацией, адсорбцией примесей и обратным осмосом

Для приготовления раствора натра едкого используется очищенная (обессоленная) вода. Очистка исходной воды до необходимых параметров осуществляется на участке водоподготовки, на котором происходит фильтрации воды от взвешенных частиц, дополнительная адсорбция примесей и дальнейшая очистка методом обратного осмоса. Вода, попадая на участок водоподготовки, проходит ряд фильтров и устройств.

1. Фильтр механической очистки воды, предпочтительно представляющий собой фильтр мешочного типа, предназначенный для очистки воды от возможных взвешенных примесей, например, пыли, песка и частичек ржавчины. Фильтр состоит из металлического корпуса из нержавеющей стали и съемного мешочного элемента из полиэстера и полипропилена. Рабочее давление фильтра 5-8 атмосфер. В процессе фильтра вредные примеси остаются внутри мешка, а очищенная жидкость направляется дальше. Например, для фильтра марки «Фильтр механической очистки 20 ВВ 5 мкм» размер микрочастиц в воде после фильтрации не превышает 5 мкм.

2. Фильтр обезжелезиватель-умягчитель предназначен для очистки воды от железа, марганца, а также карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов. В состав фильтра предпочтительно входят корпус из нержавеющей стали или полипропилена и сорбент. В качестве сорбента используют, например, сорбент марки ФероСофт B или Экотар. В их состав входят цеолит и ионообменные смолы. Очистка достигается за счет адсорбции примесей на поверхности сорбентов. Для регенерации сорбентов их промывают разбавленным раствором поваренной соли (10-15 масс. %).

3. Мембрана для обессоливания воды. Поскольку мембраны очень чувствительны к механическим примесям, вода предварительно проходит очистку на фильтре механической очистки воды и фильтре обезжелезивателе-умягчителе. Подготовленная вода под рабочим давлением проходит через мембрану для обессоливания воды, которая состоит из эфиров целлюлозы. Очистка от солей происходит благодаря обратному осмосу.

Подготовленная вода хранится в полиэтиленовых контейнерах (еврокубах).

Кроме этого вода может быть также дополнительно очищена одним из следующих методов: перегонка, седиментация, процеживание, УФ-дезинфекция, нейтрализация (подщелачивание или подкисление). Необходимый метод очистки воды определяется на основании ее качества. Очищенная и обессоленная вода согласно предложенному способу имеет следующие показатели качества (содержание возможных примесей):

Массовая доля Карбоната натрия (Na₂CO₃), % 0-0,2 Массовая доля Хлорида натрия (NaCl), % 0-0,04 Массовая доля Хлората натрия (NaClO₃), % 0-0,004 Массовая доля Сульфата натрия (Na₂SO₄), % 0-0,012 Массовая доля Оксида железа (Fe₂O₃), % 0-0,002

Стадия б) помещение воды в накопительный резервуар установки для приготовления растворов

Воду, полученную на стадии а), помещают в накопительный резервуар установки для приготовления растворов. При этом воду берут из расчета 90-120% масс. % от количества (массы) растворяемого гидроксида натрия или от общего необходимого количества воды (например, 90%, 95%, 100%, 105%, 110%, 115%, 120%, 90-100%, 90-110%, 95-105%, 105-115%). Установка для приготовления растворов включает емкость (резервуар) для растворения, накопительную емкость (резервуар) и циркуляционный насос, подающий воду из накопительной емкости в емкость для растворения и обеспечивающий дальнейшую циркуляцию полученного раствора. Примером установки для приготовления растворов является установка УПР-500 (технические характеристики установки даны далее по тексту).

Стадия в): помещение гидроксида натрия в резервуар для растворения

В предпочтительном варианте в качестве исходного сырья используют твердый гранулированный или чешуированный технический натр едкий, произведенный по мембранной, диафрагменной или ртутной технологии, с массовой долей гидроксида натрия не менее 95%. В другом предпочтительном варианте в качестве исходного сырья служит натр едкий технический твердый гранулированный или чешуированный, произведенный по мембранной, диафрагменной или ртутной технологии с показателями качества:

Массовая доля гидроксида натрия (NaOH), % 95-99,5 Массовая доля карбоната натрия (Na₂CO₃), % 0,2-2 Массовая доля хлорида натрия (NaCl), % 0-4 Массовая доля хлората натрия (NaClO₃), % 0-1 Массовая доля сульфата натрия (Na₂SO₄), % 0-0,1 Массовая доля оксида железа (Fe₂O₃), % 0-0,1

Исходный продукт помещают в резервуар для растворения установки для приготовления растворов в своей упаковке. Упаковкой может быть любая подходящая тара, например, мешок или коробка.

Стадия г): помещение льда в резервуар для растворения

К гидроксиду натрия, помещенному в резервуар, дополнительно добавляют небольшое количество льда. При экзотермическом разогревании реакционной смеси лед расплавится, что поспособствует отводу избыточного тепла. Лед получают охлаждением полученной на стадии а) очищенной и обессоленной воды, например охлаждением воды в любой подходящей морозильной камере. Следует отметить, что лед берут в количестве 10-15% масс. % от массы взятого гидроксида натрия (например, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%). После добавления льда тару или мешок с гидроксидом натрия осторожно прокалывают. Для этого используется острый наконечник на длинном металлическом пруте. Затем емкость плотно закрывают крышкой. Последующие операции проводятся в герметично закрытом пространстве, что обеспечивает отсутствие пыления и гарантирует безопасность персонала.

Стадия д): направление воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения через насос для подачи воды

Вода из накопительного резервуара направляется в резервуар для растворения. В процессе растворения гидроксид натрия частично растворяется, а добавленный лед расплавляется.

Стадия е): дальнейшая циркуляция полученного раствора до завершения растворения гидроксида натрия

Растворенный гидроксид натрия при помощи насоса направляется в накопительный резервуар.

При помощи циркуляционного насоса обеспечивается дальнейшее направление раствора через установку, что обеспечивает постепенное вымывание гидроксида натрия и его полное растворение. Среднее время стадии е) достигает 15-25 минут. Предпочтительная скорость циркуляции 30-300 оборотов в минуту.

В другом варианте способ получения 42-50% раствора гидроксида натрия без использования специальной установки для получения раствора включает следующие стадии:

а) очистка и обессоливание воды фильтрацией, адсорбцией примесей и обратным осмосом;

б) помещение полученной на стадии а) очищенной и обессоленной воды в резервуар I;

в) измельчение гранулированного гидроксида натрия или чешуированного гидроксида натрия;

г) добавление к полученному на стадии в) измельченному гидроксиду натрия неполярного органического растворителя, при этом неполярный органический растворитель представляется собой С₅-С₈-алкан, смесь С₅-С₈-алканов или петролейный эфир, неполярный органический растворитель берут в количестве из расчета 70-100 мл на каждые 100 г гидроксида натрия, взятого на стадии в);

д) добавление при перемешивании полученной на стадии г) смеси гидроксида натрия в неполярном органическом растворителе в резервуар I, при этом массовое соотношение гидроксида натрия, взятого на стадии в), и воды составляет 1:(1-1,4);

е) перемешивание полученного раствора до полного растворения гидроксида натрия.

Стадия а): очистка и обессоливание воды фильтрацией, адсорбцией примесей и обратным осмосом

Для приготовления раствора натра едкого используется очищенная (обессоленная) вода. Очистка исходной воды до необходимых параметров осуществляется на участке водоподготовки, на котором происходит фильтрация воды от взвешенных частиц, дополнительная адсорбция примесей и дальнейшая очистка методом обратного осмоса. Вода, попадая на участок водоподготовки, проходит ряд фильтров и устройств.

1. Фильтр механической очистки воды, предпочтительно представляющий собой фильтр мешочного типа, предназначенный для очистки воды от возможных взвешенных примесей, например, пыли, песка и частичек ржавчины. Фильтр состоит из металлического корпуса из нержавеющей стали и съемного мешочного элемента из полиэстера и полипропилена. Рабочее давление фильтра 5-8 атмосфер. В процессе фильтрации вредные примеси остаются внутри мешка, а очищенная жидкость направляется дальше. Например, для фильтра марки «Фильтр механической очистки 20 ВВ 5 мкм» размер микрочастиц в воде после фильтрации не превышает 5 мкм. Другим примером фильтра механической очистки может служить фильтр механический фильтр Гейзер Тайфун 20 ВВ.

2. Фильтр обезжелезиватель-умягчитель предназначен для очистки воды от железа, марганца, а также карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов. В состав фильтра предпочтительно входят корпус из нержавеющей стали или полипропилена и сорбент. В качестве сорбента используют, например, сорбент марки ФероСофт B или Экотар. В их состав входят цеолит и различные ионообменные смолы. Очистка достигается за счет адсорбции примесей на поверхности сорбентов. Для регенерации сорбентов их промывают разбавленным раствором поваренной соли (10-15 масс. %).

3. Мембрана для обессоливания воды. Поскольку мембраны очень чувствительны к механическим примесям, вода предварительно проходит очистку на фильтре механической очистки воды и фильтре обезжелезивателе-умягчителе. Подготовленная вода под рабочим давлением проходит через мембрану для обессоливания воды, которая состоит из эфиров целлюлозы. Очистка от солей происходит благодаря обратному осмосу.

Подготовленная вода хранится в полиэтиленовых контейнерах (еврокубах).

В другом предпочтительном варианте вода может быть также дополнительно очищена одним из следующих методов: перегонка, седиментация, процеживание, УФ-дезинфекция, нейтрализация (подщелачивание или подкисление). Необходимый метод очистки воды определяется на основании ее качества. Очищенная и обессоленная вода согласно предложенному способу имеет следующие показатели качества (содержание возможных примесей):

Массовая доля карбоната натрия (Na₂CO₃), % 0-0,2 Массовая доля хлорида натрия (NaCl), % 0-0,04 Массовая доля хлората натрия (NaClO₃), % 0-0,004 Массовая доля сульфата натрия (Na₂SO₄), % 0-0,012 Массовая доля оксида железа (Fe₂O₃), % 0-0,002

Стадия б): помещение полученной воды в резервуар

Обессоленную и очищенную на стадии а) воду помещают в резервуар. Под резервуаром следует понимать аппарат (устройство, агрегат, прибор) для проведения реакции растворения. Указанное устройство должно быть надежно закреплено, например, на штативе. Обязательно должна быть предусмотрена возможность перемешивания и извлечения содержимого резервуара. В предпочтительном варианте вода, помещенная в резервуар, должна занимать не более 25% его объема. В качестве резервуара для осуществления процесса растворения подойдет, например, колба с обратным холодильником и мешалкой или любая другая подходящая колба. Пригодным также можно считать стакан или аппарат с мешалкой и т.д.

Стадия в) измельчение гранулированного гидроксида натрия или чешуированного гидроксида натрия

Указанная стадия является необязательной и служит только для ускорения процесса растворения гидроксида натрия. В предпочтительном варианте в качестве исходного сырья используют твердый гранулированный или чешуированный технический натр едкий, произведенный по мембранной, диафрагменной или ртутной технологии, с массовой долей гидроксида натрия не менее 95%. В другом предпочтительном варианте в качестве исходного сырья служит натр едкий технический твердый гранулированный или чешуированный, произведенный по мембранной, диафрагменной или ртутной технологии с показателями качества:

Массовая доля гидроксида натрия (NaOH), % 95-99,5 Массовая доля ларбоната натрия (Na₂CO₃), % 0,2-2 Массовая доля хлорида натрия (NaCl), % 0-4 Массовая доля хлората натрия (NaClO₃), % 0-1 Массовая доля сульфата натрия (Na₂SO₄), % 0-0,1 Массовая доля оксида железа (Fe₂O₃), % 0-0,1

Измельчение гидроксида натрия осуществляют до фракции 0-10 мм. В предпочтительном варианте гидроксид натрия измельчают до фракции 0-5 мм или 1-5 мм. При необходимости крупные куски гидроксида натрия могут быть отсеяны. Измельчение гидроксида натрия может быть осуществлено, например, в подходящих дробилках и мельницах. В предпочтительном варианте измельчение гранулированного гидроксида натрия или чешуированного гидроксида натрия до фракции 0-5 мм осуществляют при помощи дробилки, шаровой или конусной мельницы.

Стадия г) добавление подходящего растворителя к измельченному гидроксиду натрия

К измельченному на стадии в) гидроксиду натрия добавляют подходящий органический растворитель. Указанная стадия может быть осуществлена в любом химическом стакане. Под подходящим органическим растворителем следует понимать любой неполярный органический растворитель, который не взаимодействует с гидроксидом натрия и не растворяется в воде. В предпочтительном варианте в качестве такого растворителя могут быть выбраны С₅-С₈ алканы или их смесь, в другом предпочтительном варианте указанный растворитель представляет собой пентан, гексан или петролейный эфир. При необходимости дополнительный растворитель предварительно кипятят над оксидом фосфора (V) c последующей перегонкой. В предпочтительном варианте дополнительный растворитель берут из расчета 70-100 мл растворителя на 100 г гидроксида натрия. В другом предпочтительном варианте дополнительный растворитель берут из расчета 80 мл на 100 г гидроксида натрия. Указанный растворитель временно покрывает гидроксид натрия и защищает его от воздействия углекислого газа атмосферы. В предпочтительном варианте органический растворитель предварительно охлаждают до температуры -20-0°C. Может быть также охлаждена готовая смесь гидроксида натрия и неполярного органического растворителя. Для охлаждения подойдет любой холодильник.

В другом варианте дополнительный растворитель добавляют не к гидроксиду натрия, а непосредственно к воде в резервуар. В этом случае предварительное охлаждение растворителя не требуется.

Стадия д) добавление полученной смеси неполярного органического растворителя и гидроксида натрия к воде

Добавление полученной смеси органического растворителя и гидроксида натрия к воде производят постепенно. Смесь предварительно размешивают и выливают в воду небольшими порциями. Полученный раствор дополнительно перемешивают. При этом происходит экзотермическое растворение гидроксида натрия в воде. Выделившееся тепло идет на нагрев воды и на нагрев органического растворителя. Пары органического растворителя могут быть удалены из резервуара или собраны и возвращены обратно в резервуар при помощи обратного холодильника.

Перемешивание воды, гидроксида натрия и органического растворителя может быть осуществлено любым подходящим методом: механическое перемешивание, ультразвуковое перемешивание (частота колебаний 10-200 кГц), пневматическое перемешивание (например, потоком сжатого газа), перемешивание при помощи магнитных мешалок и т.д. В предпочтительном варианте используют механическое перемешивание при помощи механической мешалки.

Для получения 42-50% раствора гидроксида натрия массовое соотношение гидроксида натрия, взятого на стадии б), и воды составляет 1:(1-1,4).

При необходимости, резервуар извне дополнительно охлаждают при помощи одного из следующих методов: погружение резервуара в воду или в смесь воды и льда; при помощи охлаждающих смесей, представляющих собой смесь льда, воды и неорганической соли (например, хлорида натрия, хлорида аммония, нитрата натрия и т.д.); при помощи жидкого азота и т.д.

Стадия е) перемешивание полученного раствора до полного растворения гидроксида натрия

Полученный раствор перемешивают до полного растворения гидроксида натрия. Перемешивание воды, гидроксида натрия и органического растворителя может быть осуществлено любым подходящим методом: механическое перемешивание, ультразвуковое перемешивание (частота колебаний 10-200 кГц), пневматическое перемешивание (например, потоком сжатого газа), перемешивание при помощи магнитных мешалок и т.д. В предпочтительном варианте используют механическое перемешивание при помощи механической мешалки.

Стадия ж) удаление остаточного органического растворителя

Необязательная стадия. В случае сохранения остаточного органического растворителя он может быть удален дополнительным нагреванием. Растворитель также может быть удален декантацией или отделен на делительной воронке.

Стадия з) охлаждение полученного раствора до комнатной температуры

Указанная стадия является необязательной. Температура полученного раствора после завершения процесса растворения в течение некоторого времени станет комнатной (20-25°C). Для ускорения процесса при необходимости резервуар извне дополнительно охлаждают при помощи одного из следующих методов: погружение резервуара в воду, в смесь воды и льда, при помощи охлаждающих смесей, представляющих собой смесь льда, воды и неорганической соли (например, хлорида натрия, хлорида аммония, нитрата натрия и т.д.).

Осуществление изобретения

Заявляемое изобретение подтверждается приведенными ниже примерами, которые не ограничивают объем настоящего изобретения.

Пример 1

Воду для получения раствора гидроксида натрия очищали от примесей и солей на станции очистки воды, в состав которой входило следующее оборудование:

- Фильтр механической очистки - Механический фильтр Гейзер Тайфун 20 ВВ 1 шт (см. Гейзер. Фильтры для воды. Инструкция по эксплуатации магистрального фильтра).

- Фильтр обезжелезиватель-умягчитель с сорбентом (см. Инструкция по монтажу и эксплуатации, Многофункциональный управляющий клапан RUNXIN, 63504Р (F63P1) и др.).

- Установка для получения обессоленной воды "Гейзер RO2-4040 LW" (см. Руководство по монтажу и эксплуатации, Устройства водоочистные обратноосмотические серии "Гейзер" типа RO ГЕЙЗЕР RO2-4040LW).

Для приготовления раствора гидроксида натрия использовали установку УПР-500, состоящую из емкости для растворения, накопительной емкости и насосной станции Grundfos MQ 3-45 (см. Руководство по техническому обслуживанию насосов модели MQ 3-35, MQ 3-45).

Технические характеристики установки УПР-500:

Количество раствора - до 500 л

Номинальная масса растворяемого ингредиента (упаковка) - до 80 кг

Размер растворного резервуара - 530 (диаметр) × 1010 (высота), объем 100 л

Габаритный размер установки - 2050 (длина) × 1610 (ширина) × 1700 (высота)

Установленная мощность (насос) - 1,5 кВт

Масса установки с заполненными резервуарами - не более 930 кг/

В накопительную емкость помещали 300 литров полученной очищенной и обессоленной воды. В емкость для растворения помещали 14 мешков с твердым чешуированным едким натром и 50 кг льда. Мешки с гидроксидом натрия прокалывали при помощи металлического прута с острым наконечником. После этого емкость для растворения закрывали и установку герметизировали. Запускали насос, обеспечивающий циркуляцию воды/раствора гидроксида натрия через емкость для растворения и накопительную емкость.

Среднее время растворения одного мешка составило 20-25 минут. Температура раствора не превысила 80°C. Примерное общее время приготовления готового 50% раствора натра едкого составило 6 часов. За 24 часа было наработано 3 тонны 50% раствора гидроксида натрия. Достигнута минимизация экзотермического эффекта за счёт порционной подачи натра едкого и добавления льда.

Пример 2

В качестве исходного сырья было взято 190 г твердого чешуированного едкого натра со следующими показателями качества:

Массовая доля гидроксида натрия (NaOH), % 98,84 Массовая доля карбоната натрия (Na₂CO₃), % 0,31 Массовая доля хлорида натрия (NaCl), % 0,007 Массовая доля диоксида кремния (SiO₂), % 0,002 Массовая доля сульфата натрия (Na₂SO₄), % 0,002 Массовая доля оксида железа (Fe₂O₃), % 0,001

Едкий натр измельчали при помощи дробилки и просеивали через сито с отверстиями 5 мм. Крупные куски гидроксида натрия измельчали дополнительно. Полученный измельченный гидроксид натрия помещали в коническую колбу на 500 мл. После этого к нему добавляли 250 мл свежеперегнанного петролейного эфира. Колбу закрывали плотной пробкой и ставили в морозильник (температура -20°C).

Очищенную и обессоленную воду (250 мл) помещали в колбу на 1 л, снабженную мешалкой и термометром. Далее при плавном размешивании к указанной воде добавляли охлажденную смесь гидроксида натрия и петролейного эфира. Всего было добавлено 4 порции с временным интервалом 3 минуты каждая. В процессе растворения гидроксида натрия петролейный эфир плавно выкипал. Температура раствора не превышала 70°C. После завершения растворения смесь переносили в делительную воронку, где отделяли раствор гидроксида натрия от остаточного петролейного эфира. Полученный раствор охлаждали до комнатной температуры.

Пример 3

Условия и режимы аналогичны примеру 2. Следует отметить следующие отличия. В качестве исходного сырья было взято 250 г твердого чешуированного едкого натра со следующими показателями качества:

Массовая доля гидроксида натрия (NaOH), % 98,2 Массовая доля карбоната натрия (Na₂CO₃), % 0,3 Массовая доля хлорида натрия (NaCl), % 0,01 Массовая доля оксида железа (Fe₂O₃), % 0,002

Петролейный эфир был взят в количестве 175 мл. В процессе растворения гидроксида натрия весь петролейный эфир выкипел. Температура раствора не превысила 75°C. Полученный раствор охлаждали до комнатной температуры. Дополнительное удаление петролейного эфира не потребовалось.

Пример 4

Условия и режимы аналогичны примеру 2. В качестве исходного сырья было взято 235 г гидроксида натрия.

В аттестованной лаборатории был исследован химический состав полученного раствора гидроксида натрия и определено его соответствие требованиям ГОСТ.

Таблица 1. Результаты исследования полученного раствора гидроксида натрия на соответствие требованиям ГОСТ Наименование показателя Норма
ГОСТ Р 55064 для
марки РМ-Б Результаты исследования Метод измерения (методика исследования) Массовая доля гидроксида натрия, % > 46,0 48,0 ГОСТ Р 55064 п. 7.5.2 Массовая доля карбоната натрия, % < 0,20 0,20 ГОСТ Р 55064 п. 7.5.2 Массовая доля хлорида натрия, % < 0,040 < 0,006 ГОСТ Р 55064 п. 7.6.2 Массовая доля хлората натрия, % < 0,0040 0,0033 ГОСТ Р 55064 п. 7.12.2 Массовая доля сульфата натрия, % < 0,012 0,002 ГОСТ Р 55064 п. 7.10.2 Массовая доля железа, % < 0,0020 0,00041 ГОСТ Р 55845 Массовая доля никеля, % < 0,00012 0,00006 ГОСТ Р 55845

Изобретение относится к получению раствора гидроксида натрия. В способе получения 42-50% раствора гидроксида натрия используют установку для приготовления растворов, включающую резервуар для растворения, накопительный резервуар для воды и циркуляционный насос для подачи воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения. Способ включает очистку и обессоливание воды; помещение очищенной и обессоленной воды в накопительный резервуар; помещение гранулированного или чешуированного гидроксида натрия в резервуар для растворения; помещение льда в резервуар для растворения; направление воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения и обеспечение циркуляции полученного раствора до завершения растворения гидроксида натрия. При этом воду берут в количестве 90-120 мас.% от массы гидроксида натрия. Лед получают охлаждением очищенной и обессоленной воды и берут в количестве 10-15 мас.% от массы гидроксида натрия. Обеспечивается уменьшение экзотермичного эффекта процесса растворения гидроксида натрия и ускорение процесса растворения гидроксида натрия. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

1. Способ получения 42-50% раствора гидроксида натрия с использованием установки для приготовления растворов, характеризующийся тем, что установка включает резервуар для растворения, накопительный резервуар для воды и циркуляционный насос для подачи воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения, состоящий из следующих стадий:

а) очистка и обессоливание воды методами фильтрации, адсорбции примесей и обратным осмосом;

б) помещение полученной на стадии а) воды в накопительный резервуар установки для приготовления растворов, при этом воду берут в количестве 90-120 масс.% от массы гидроксида натрия;

в) помещение гранулированного гидроксида натрия или чешуированного гидроксида натрия в резервуар для растворения;

г) помещение льда в резервуар для растворения, при этом лед получают охлаждением полученной на стадии а) очищенной и обессоленной воды и лед берут в количестве 10-15 масс.% от массы взятого гидроксида натрия;

д) направление воды из накопительного резервуара в резервуар для растворения через насос для подачи воды;

е) обеспечение дальнейшей циркуляция полученного раствора до завершения растворения гидроксида натрия.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что вода, полученная на стадии а), включает следующие примеси, масс.%:

карбонат натрия (Na₂CO₃) 0-0,2 хлорид натрия (NaCl) 0-0,04 хлорат натрия (NaClO₃) 0-0,004 сульфат натрия (Na₂SO₄) 0-0,012 оксид железа (Fe₂O₃) 0-0,002

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве гранулированного гидроксида натрия или чешуированного гидроксида натрия, взятого на стадии в), используют продукт, включающий, масс.%:

гидроксид натрия (NaOH) 95-99,5 карбонат натрия (Na₂CO₃) 0,2-2 хлорид натрия (NaCl) 0-4 хлорат натрия (NaClO₃) 0-1 сульфат натрия (Na₂SO₄) 0-0,1 оксид железа (Fe₂O₃) 0-0,1