А.Г. Прохоров, Л.Г. Гайсин, К.В. Ткачев ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУЛЬФИДА НАТРИЯ Екатеринбург Издательство Уральского университета 2004 2 УДК 661.833.511 П844 Прохоров А.Г., Гайсин Л.Г., Ткачев К.В. П 844 Химия и технология сульфида натрия. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2004. – 244 с. ISBN 5-7525-1291-3 В книге систематизированы сведения о физико-химических свойствах сульфида натрия, исходных и промежуточных соединений, используемых и образующихся в технологическом процессе, водных и безводных систем, содержащих сульфид натрия. Обобщен многолетний отечественный опыт промышленного производства сульфида натрия с использованием шахтных печей. Описаны основные стадии технологического процесса, их физико-химические основы и аппаратурное оформление, материальные и тепловые балансы. Освещены вопросы контроля производства и охраны окружающей среды. Рассмотрены тенденции развития производства сульфида натрия как у нас, так и за рубежом. Приведены сведения об областях потребления, объемах производства и качестве продукта. Кратко изложена технология производства гидросульфида и полисульфидов натрия. Книга предназначена для инженерно-технических работников промышленных предприятий, связанных с производством и потреблением сульфида натрия, специалистов научно-исследовательских и проектных организаций, а также может быть полезна студентам, аспирантам и преподавателям вузов, специализирующимся в технологии неорганических веществ. Ил. 67. Табл. 27. Библиогр.: 312 назв. © Прохоров А.Г., Гайсин Л.Г., Ткачев К.В., 2004 © Издательство Уральского университета, 2004 ISBN 5-7525-1291-3 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ...........................................................................................................6 Введение................................................................................................................. 7 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФИДА НАТРИЯ ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ, ПОТРЕБЛЕНИИ И КАЧЕСТВЕ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ................................................................................ 10 ГЛАВА 2. ОБЗОР СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ............................... 15 2.1. Восстановление сульфата натрия твердыми углеродистыми материалами......................................................................................................... 15 2.2. Восстановление сульфата натрия газообразными восстановителями.... 20 2.3. Абсорбция сероводорода гидроксидом натрия......................................... 23 2.4. Электролитический (амальгамный) способ .............................................. 24 2.5. Обменное разложение сульфида бария сульфатом, карбонатом и гидроксидом натрия ............................................................................................ 25 ЧАСТЬ ВТОРАЯ СВОЙСТВА СУЛЬФИДА НАТРИЯ И ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ И ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ЕГО ТЕХНОЛОГИИ ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ......................................................... 28 3.1. Сульфид натрия ............................................................................................ 28 3.2. Гидросульфид и полисульфиды натрия..................................................... 31 3.3. Сульфат, сульфит и тиосульфат натрия..................................................... 33 3.4. Карбонат, бикарбонат и гидроксид натрия ............................................... 37 3.5. Соли бария .................................................................................................... 38 3.6. Газообразные соединения ........................................................................... 40 3.7. Твердые углеродистые материалы ............................................................. 42 ГЛАВА 4. ВОДНЫЕ И БЕЗВОДНЫЕ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩИЕ СУЛЬФИД НАТРИЯ .... 44 4.1. Водные системы ........................................................................................... 44 4.1.1. Система Na2S-H2O ......................................................................... 44 4.1.2. Система Na2S - Na2SO4 - H2O ....................................................... 45 4.1.3. Система Na2S - Na2СO3 - H2O ....................................................... 47 4.1.4. Система Na2S – BaS - H2O ............................................................ 47 4.2. Безводные системы Na2S – Na2SO4 и Na2S – Na2CO3 ............................... 50 ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФИДА НАТРИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШАХТНЫХ ПЕЧЕЙ ГЛАВА 5. ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ И ГОТОВЫЙ ПРОДУКТ. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА, РАСХОД СЫРЬЯ И ЭНЕРГОРЕСУРСОВ, МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОИЗВОДСТВА ......................................................................................... 52 ГЛАВА 6. БРИКЕТИРОВАНИЕ СУЛЬФАТА НАТРИЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЕ ШИХТЫ ...... 58 6.1. Описание технологической схемы. Оборудование .................................. 59 6.2. Теория процесса. Обзор исследований ...................................................... 60 4 ГЛАВА 7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СУЛЬФАТА НАТРИЯ .................................................. 62 7.1. Описание. Оборудование ............................................................................ 62 7.2. Физико-химические основы процесса ....................................................... 65 7.2.1. Развитие теории восстановления сульфата натрия.................... 65 7.2.2. Термодинамический анализ основных и побочных реакций. Графическое изображение условий равновесия в системе Na2S-Na2SO4-C-CO-CO2. Экспериментальное исследование условий равновесия в системе Na2S-Na2SO4-CO-CO2 ............... 70 7.2.3. Кинетика восстановления сульфата натрия металлургическим и нефтяным коксом. Аналитическая зависимость для скорости процесса. Развитие вторичных процессов. Влияние пористости восстановителя .......................................................... 91 7.3. Развитие тепловых и химических процессов по высоте шахтной печи. Материальный и тепловой балансы шахтной печи ....................................... 104 ГЛАВА 8. ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ПЕЧНОГО ПЛАВА .................................................... 114 8.1. Описание стадии. Оборудование.............................................................. 114 8.2. Влияние различных факторов на процесс выщелачивания................... 115 ГЛАВА 9. ОЧИСТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ШАХТНОЙ ПЕЧИ . 116 9.1. Описание стадии. Оборудование.............................................................. 116 9.2. Обзор исследований по очистке газов от H2S и SO2 и выбор рационального способа применительно к газам шахтных печей ........... 117 ГЛАВА 10. ФИЛЬТРАЦИЯ ШЛАМОВЫХ ПУЛЬП ...................................................... 122 10.1. Описание стадии. Оборудование............................................................ 122 10.2. Влияние различных факторов на процесс фильтрации ....................... 123 ГЛАВА 11. УПАРКА ПРОДУКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ. ГРАНУЛЯЦИЯ ПРОДУКТА 124 11.1. Описание стадии. Оборудование............................................................ 124 11.2. Варианты аппаратурного оформления процессов грануляции растворов и водного плава сульфида натрия.................................................................... 126 ГЛАВА 12. КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ................................ 132 ГЛАВА 13. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА, СТОЧНЫЕ ВОДЫ И ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ. ПУТИ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ....................................................................... 134 ГЛАВА 14. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ...... 136 ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ГЛАВА 15. КОНВЕРСИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ......................... 138 15.1. Общие сведения........................................................................................ 138 15.2. Экспериментальные и опытные работы ................................................ 143 15.3. Промышленный процесс производства сульфида натрия конверсионным способом ................................................................................ 154 ГЛАВА 16. ВАРИАНТЫ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССА КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУЛЬФАТА НАТРИЯ .............................................................................................. 161 16.1. Вращающиеся барабанные печи............................................................. 162 5 16.2. Циклонные печи ....................................................................................... 163 16.3. Электропечи.............................................................................................. 166 16.4. Циклонно-электротермический способ ................................................. 167 ГЛАВА 17. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СУЛЬФАТА НАТРИЯ ГАЗООБРАЗНЫМИ ВОССТАНОВИТЕЛЯМИ ........................................................................ 169 17.1. Низкотемпературный метод.................................................................... 169 17.2. Высокотемпературный метод ................................................................. 170 ГЛАВА 18. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ГИДРОСУЛЬФИДА И ПОЛИСУЛЬФИДОВ НАТРИЯ ................................................................. 177 ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................183 ПРИЛОЖЕНИЕ I. Сводка термодинамических характеристик веществ ....184 ПРИЛОЖЕНИЕ II. Температурная зависимость изменения изобарноизотермичесокго потенциала реакций образования соединений из элементов .............................................186 ПРИЛОЖЕНИЕ III. Значения коэффициентов в уравнениях температурных измерений изобарно-изотремических потенциалов реакций образования сульфида натрия, побочных соединений в процессе восстановления сульфата натрия (упрощенные уравнения) ..................190 Литература..........................................................................................................194