На первом стадии карбонизации большая часть диоксида углерода связывается в карбомат аммония:

,

который затем гидролизуется

с образованием пересыщенного по НСО3– раствора. Затем из пересыщенного раствора кристаллизуется гидрокарбонат натрия, образующийся по реакции:

Кристаллизация гидрокарбоната натрия подчиняется общим закономерностям и зависит, прежде всего, от температуры, пересыщения и скорости перемешивания раствора. Необходимо отметить, приведенная схема только условно отображает процесс.

Процесс насыщения аммонизированного рассола диоксидом углерода является экзотермическим. Поэтому выделяющееся тепло необходимо отвести, чтобы обеспечить требуемые степени карбонизации раствора и утилизации натрия.

Наиболее простое кинетическое уравнение процесса карбонизации имеет вид:

где – количество диоксида углерода, поглощенного в единицу времени единицей поверхности раствора, моль/м3;

– концентрация активного компонента (не связанного в хлорид и углеаммонийные соли аммиака), н.д.;

– константа, включающая константу Генри и частичный коэффициент абсорбции для жидкостной пленки;

– давление диоксида углерода над метастабильным раствором, кПа;

– парциальное давление CO2 в карбонизующем газе, кПа.

Следует отметить, что температурный режим влияет на процесс образования кристаллов NaHCO3. Для получения крупных кристаллов правильной формы, которые не забивают поверхность вакуум-фильтров и малорастворимые в процессе фильтрации, необходимо поддерживать температуру 60–72 °С в зоне образования и в начальных период роста кристаллов. В процессе дальнейшего роста кристаллов температура уже не оказывает существенного влияния на рост кристаллов. При нормальном росте кристаллов образуются кристаллы типа "бочка", при ухудшении процесса кристаллизации образуются длинные кристаллы склонные к образованию сростков в виде снопов – кристаллы "друза". Такие кристаллы забивают вакуум-фильтры и способствуют тому, что в осадке гидрокарбонат натрия содержится больше воды, чем в кристаллах типа "бочка".

На основе горизонтальной проекции изотермической диаграммы растворимости для 15 °С в системе NaCl–NH4Cl–NH4HCO3–NaHCO3, изученной П.П. Федотьевым (см. рис. 1.1), можно определить оптимальные условия для проведения процесса карбонизации [6]. Они находятся вблизи точки Р1 и линии P1–IV.

Выпавший осадок гидрокарбоната натрия отфильтровывают, и далее его подвергают прокаливанию с получением соды (уравнение 1.5). Температура разложения гидрокарбоната натрия составляет 160–180 °С. Эта операция протекает в отделении кальцинации. Выделяющийся диоксид углерода используется в процессе карбонизации.

I–Р2 – растворы, насыщенные NaHCO3 и NaCl; P2–P1 – растворы, насыщенные NaHCO3 и NaCl; P1–IV – растворы, насыщенные NaHCO3 и NH4HCO3;

P1 – раствор, насыщенный NaHCO3, NH4HCO3 и NH4Cl; Р2 – раствор, насыщенный NaCl, NH4C1 и NaHCO3.

Рис. 1.1 – Диаграмма системы NaCl–NH4Cl–NH4HCO3–NaHCO3

Аммиак обычно регенерируют из хлорида аммония и возвращают в производство. С этой целью раствор, содержащий хлорид аммония подвергают обработке известковым молоком (уравнение 1.4). Образующийся аммиак отгоняют из раствора и направляют на абсорбцию.