生產(chǎn)倍半碳酸鈉的相圖分析

尹小春，丁珊修

（1.青島海灣設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 2 6 6 0 4 3；2.青島堿業(yè)股份有限公司，山東 青島 2 6 6 0 4 3）

專論與綜述

生產(chǎn)倍半碳酸鈉的相圖分析

尹小春1，丁珊修2

（1.青島海灣設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 2 6 6 0 4 3；2.青島堿業(yè)股份有限公司，山東 青島 2 6 6 0 4 3）

詳細(xì)介紹了用純堿和小蘇打生產(chǎn)倍半碳酸鈉的理論基礎(chǔ)，繪制了N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系常用溫度范圍內(nèi)的相圖，并計(jì)算了倍半碳酸鈉生產(chǎn)過程的物料平衡，對(duì)生產(chǎn)過程具有指導(dǎo)意義。

倍半碳酸鈉；溶解度；三元體系相圖

倍半碳酸鈉又名碳酸鈉鹽（2∶3）、碳酸氫三鈉、碳酸鈉碳酸氫鈉二水合物，英文名S O D I UM S E SQU I C AR B ONAT E D I HY D R AT E。倍半碳酸鈉是白色針狀或片狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，相對(duì)密度2.1 1 2，易溶于水及酸，水溶液呈強(qiáng)堿性，但較碳酸鈉弱；分子式為N a2C O3·N a HC O3·2 H2O，分子量2 2 6；C A S號(hào)5 3 3－9 6－0。倍半碳酸鈉是一種新型浴劑和洗滌劑。

倍半碳酸鈉可以用天然堿石加工獲得。本文介紹一種用純度較高的純堿和小蘇打制造高品質(zhì)倍半碳酸鈉的方法。

1 N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系相圖

表1是N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系不同溫度下的溶解度數(shù)據(jù)［1］。

表1 N a2C O3－N a H C O3－H2O溶解度數(shù)據(jù)

（續(xù)表）

（續(xù)表）

筆者將以上數(shù)據(jù)繪制成等邊三角形相圖，分別示于圖1～圖6 。

從圖1～圖6可以看出，在4 5℃～1 0 0℃范圍內(nèi)，N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系可能結(jié)晶出水合鹽即一水堿N a2C O3·H2O或水合復(fù)鹽即倍半碳酸鈉N a2C O3·N a HC O3·2 H2O。

我們以6 0℃下N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系相圖為例（圖3），對(duì)這一體系的相圖進(jìn)行分析。

三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A、B、C分別代表三種純物質(zhì)：水H2O、小蘇打N a HC O3、純堿N a2C O3。H點(diǎn)代表倍半碳酸鈉N a2C O3·N a HC O3·2 H2O；K點(diǎn)代表一水堿N a2C O3·H2O。

D點(diǎn)是純小蘇打在純水中的溶解度，G點(diǎn)是一水堿在純水中的溶解度。E點(diǎn)是小蘇打和倍半碳酸鈉在三元體系中的共飽和點(diǎn)；F點(diǎn)是一水堿和倍半碳酸鈉在三元體系中的共飽和點(diǎn)。

曲線D E是純小蘇打在三元體系中的溶解度線；曲線E F是倍半碳酸鈉在三元體系中的溶解度線；曲線F G是一水堿在三元體系中的溶解度線。

區(qū)域A D E F GA是液相區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，體系只有液相，沒有固相析出。區(qū)域D B E D是小蘇打的結(jié)晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，固相為小蘇打N a HC O3，液相為D E曲線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)就是體系總組分點(diǎn)與B點(diǎn)連接的直線延長(zhǎng)至與D E曲線相交的那個(gè)點(diǎn)。區(qū)域E BHE是小蘇打和倍半碳酸鈉共飽和結(jié)晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，固相為小蘇打N a HC O3和倍半碳酸鈉N a2C O3·N a HC O3·2 H2O的混合物，液相總為E點(diǎn)不變，固相中小蘇打和倍半碳酸鈉的百分含量隨體系總組分的變化而變化。區(qū)域EHF E是倍半碳酸鈉的結(jié)晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，固相為倍半碳酸鈉N a2C O3·N a HC O3·2 H2O，液相為E F曲線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)就是體系總組分點(diǎn)與H點(diǎn)連接的直線延長(zhǎng)至與E F曲線相交的那個(gè)點(diǎn)。區(qū)域FHK F是一水堿和倍半碳酸鈉共飽和結(jié)晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，固相為一水堿N a2C O3·H2O和倍半碳酸鈉N a2C O3·N a HC O3·2 H2O的混合物，液相總為F點(diǎn)不變，固相中一水堿和倍半碳酸鈉的百分含量隨體系總組分的變化而變化。區(qū)域F KG F是一水堿的結(jié)晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，固相為一水堿N a2C O3·H2O，液相為F G曲線上的某一點(diǎn)，該點(diǎn)就是體系總組分點(diǎn)與C點(diǎn)連接的直線延長(zhǎng)至與F G曲線相交的那個(gè)點(diǎn)。區(qū)域BHK C B是固體小蘇打、固體倍半碳酸鈉、固體一水堿、固體純堿的混合區(qū)域，由于是固體物質(zhì)的簡(jiǎn)單混合，沒有相平衡，所以在相圖上，這一區(qū)域沒有意義。

相圖中沒有純堿的溶解度曲線，只有其水合鹽一水堿的溶解度曲線，說(shuō)明一水堿是Ⅰ型水合物；復(fù)鹽射線AH與H點(diǎn)的溶解度曲線E F不相交，說(shuō)明倍半碳酸鈉是異成分復(fù)鹽［2］。

從相圖中還可以看出，溫度由4 5℃變化到1 0 0℃，液相區(qū)A D E F GA變化并不明顯。所以，用純堿和小蘇打生產(chǎn)倍半碳酸鈉不宜采用高溫下制成飽和溶液，低溫下結(jié)晶的傳統(tǒng)方法，因?yàn)橐合鄥^(qū)變化小，意味著每次升溫、降溫后，單位體積的母液獲得的產(chǎn)品較少。

2 倍半碳酸鈉生產(chǎn)流程

筆者根據(jù)相圖原理，設(shè)計(jì)一個(gè)用純堿、小蘇打生產(chǎn)倍半碳酸鈉的流程。在恒溫條件下，通過不斷添加純堿、小蘇打，就可以不斷從母液中取出倍半碳酸鈉產(chǎn)品。

2.1 生產(chǎn)過程在相圖上的表述

考慮母液加熱和保溫的難易程度，選擇生產(chǎn)溫度為6 0℃。

圖7 生產(chǎn)過程相圖描述

第一步，我們將母液配制到F點(diǎn)，這是母液中純堿含量能達(dá)到的最大值。如果在F點(diǎn)母液中再加純堿，就會(huì)有一水堿和倍半碳酸鈉的混合物析出。

第三步，從體系中分離出固相H，系統(tǒng)的總組成點(diǎn)變?yōu)橐合郋點(diǎn)。

第四步，往E點(diǎn)母液中逐漸加入純堿，純堿會(huì)完全溶解，倍半碳酸鈉逐漸析出，液相成分由E點(diǎn)向F點(diǎn)方向沿曲線E F移動(dòng)。體系的總組成點(diǎn)將沿直線E C向C點(diǎn)移動(dòng)，到M點(diǎn)，停止加純堿，分離出固相H，系統(tǒng)的總組成點(diǎn)恢復(fù)為液相F點(diǎn)，可循環(huán)再進(jìn)行第一步。分別控制好純堿和小蘇打的加入量，維持母液平衡，就可以不斷地得到產(chǎn)品倍半碳酸鈉。

2.2 物料平衡

在以下的計(jì)算中，我們假設(shè)所有的物料為1 0 0 %純凈，假設(shè)固液分離不損失母液。圖7中各點(diǎn)的組成和有關(guān)直線段的長(zhǎng)度列于表2、表3。

表2 圖7中各點(diǎn)組成

表3 圖7中各直線段長(zhǎng)度

以1 0 0 0k g組成為F點(diǎn)的母液作為計(jì)算基準(zhǔn)。

1）F點(diǎn)母液配制所需各組分量

根據(jù)F點(diǎn)的成分，將1 3k g小蘇打、3 0 7k g純堿加入6 8 0k g水中，溶解后即得到1 0 0 0k g組成為F點(diǎn)的母液。

2）F中加入小蘇打量

由杠桿規(guī)則：

WB＝1 0 0 0×1 3.4 1／7 4.0 8＝1 8 1.0 2k g，即往母液F中加入小蘇打1 8 1.0 2k g，體系總質(zhì)量為1 1 8 1.0 2k g。

3）加小蘇打后分離出倍半碳酸鈉量

解下列方程：

第一次結(jié)晶可析出倍半碳酸鈉3 5 8k g，得到母液E 8 2 3.0 2k g。

4）E中加入純堿量

由杠桿規(guī)則：

WC＝8 2 3.0 2×1 5.2 6／6 4.4＝1 9 5.0 2k g，即往母液E中加入純堿1 9 5.0 2k g，體系總質(zhì)量為8 2 3.0 2＋1 9 5.0 2＝1 0 1 8.0 4k g。

5）加純堿后分離出倍半碳酸鈉量

解下列方程：

第二次結(jié)晶可析出倍半碳酸鈉1 3 2.9 9k g，得到母液F 8 8 5.0 5k g。經(jīng)過一次循環(huán)后，母液F萎縮了1 0 0 0－8 8 5.0 5＝1 1 4.9 5k g。這是正常的，因?yàn)榧尤氲氖菬o(wú)水的小蘇打和純堿，而產(chǎn)品倍半碳酸鈉中含兩分子水。下一次循環(huán)要補(bǔ)充母液F 1 1 4.9 5k g，以保證第二次循環(huán)產(chǎn)量不變。

6）計(jì)算結(jié)果

可見，1 0 0 0k g母液F經(jīng)過一次循環(huán)，加入小蘇打1 8 1.0 2k g；加入純堿1 9 5.0 2k g；萎縮母液F 1 1 4.9 5k g；得到產(chǎn)品倍半碳酸鈉3 5 8＋1 3 2.9 9＝4 9 0.9 9k g。在計(jì)算誤差范圍內(nèi)，1 8 1.0 2＋1 9 5.0 2＋1 1 4.9 5≈4 9 0.9 9k g。

小蘇打收入量：

1 8 1.0 2＋1 1 4.9 5×1.3 0%＝1 8 2.5 1k g。

純堿收入量：

1 9 5.0 2＋1 1 4.9 5×3 0.7 0%＝2 3 0.3 1k g。

水分收入量：

1 1 4.9 5×6 8%＝7 8.1 7k g。

小蘇打支出量：

4 9 0.9 9×3 7.1 7%＝1 8 2.5 0k g。

純堿支出量：

4 9 0.9 9×4 6.9 0%＝2 3 0.2 7k g。

水分支出量：

4 9 0.9 9×1 5.9 3%＝7 8.2 2k g。

各組分收入和支出量都在誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明物料是平衡的。

7）N點(diǎn)的情況

［1］ 呂秉玲，林志祥.純堿生產(chǎn)相圖分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1 9 9 1

［2］ 牛自得，程芳琴，李寶存，陳俠.水鹽體系相圖及其應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2 0 0 2

T Q 1 1 4.1

C

1 0 0 5－8 3 7 0（2 0 1 2）0 5－0 3－0 5

2 0 1 2－0 2－2 4

尹小春，1 9 8 9年畢業(yè)于上海華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。注冊(cè)化工師，青島海灣設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng)，主要從事設(shè)計(jì)工作。