Defining features in the kinetics of sodium carbonate-bicarbonate solution carbonization and the quality of the resulting sodium bicarbonate crystals

Abstract

This paper reports a study into the influence of temperature and gas consumption on the carbonization kinetics (saturation with carbon dioxide) of sodium carbonate-bicarbonate solution. The study also examined the quality and speed of crystal formation in this process. This research is predetermined by the environmental problems faced by modern enterprises that produce purified sodium bicarbonate – an insufficient degree of carbonization and, as a result, excessive air pollution with carbon dioxide, which did not participate in the reaction during the process. This study addresses these particular issues. As a result of using specialized laboratory equipment, it was found that an increase in the absorbent temperature from 79 to 85 °C leads to a decrease in the maximum degree of carbonization of the solution from 64 to 59 %. In contrast, the quality of the resulting sodium bicarbonate crystals improves but only in the range from 79 to 82 °C. With a further increase in temperature, the quality stabilizes. It is shown that the carbonization rate increases with increasing specific consumption of the absorbent (carbon dioxide) and is characterized by a negative correlation with the value of oversaturation of the absorbent in terms of NaНCO₃. The quality of sodium bicarbonate crystals decreases with increasing gas velocity. Thus, it was reasonable to assume that the established dependence of the kinetics of carbonization of Na₂CO₃ and NaНCO₃ solution on the gas velocity in the apparatus is explained by the inhibition of СО₂ absorption, which is caused by the diffusion resistance of sodium bicarbonate crystallization. To improve the quality of crystals and the productivity of carbonization by reducing the supersaturation in terms of NaНCO₃, it is recommended to introduce a seed crystal in the zone of binding of crystals in the carbonization columns.Досліджено вплив температури та витрати газу на кінетику карбонізації (насичення діоксидом вуглецю) розчину карбонат-гідрокарбонату натрію. Також у дослідженні розглядалась якість та швидкість утворення кристалів в цьому процесі. Необхідність цих досліджень обумовлена екологічними проблемами, з якими стикаються сучасні виробництва очищеного гідрокарбонату натрію – недостатня ступінь карбонізації та, як наслідок, надмірне забруднення атмосфери вуглекислим газом, що непрореагув під час чього процесу. Саме на вирішенні цих проблем і побудовані дані дослідження. В результаті використання спеціального лабораторного обладнання знайдено, що зростання температури абсорбенту від 79 до 85 °С призводить до зниження максимального ступеню карбонізації розчину з 64 до 59 %. Якість же отриманих кристалів гідрокарбонату натрію, навпроти, зростає, але тільки в інтервалі від 79 до 82 °С. При подальшому підвищенні температури якість стабілізується. Показано, що швидкість карбонізації зростає з підвищенням питомої витрати абсорбтиву (діоксиду вуглецю) та характеризується негативною кореляцією з величиною пересичення абсорбенту по NaНCO₃. Якість кристалів гідрокарбонату натрію зі зростанням швидкості газу понижується. Висловлено обґрунтоване припущення, що знайдена залежність кінетики карбонізації розчину Na₂CO₃ та NaНCO₃ від швидкості газу в апарату пояснюється гальмуванням абсорбції СО₂, яке викликане дифузійним опором кристалізації гідрокарбонату натрію. Для підвищення якості кристалів та продуктивності карбонізації шляхом зменшення пересичення по NaНCO₃ рекомендовано введення затравки в зону зав'язки кристалів у карбонізаційних колонах