生產倍半碳酸鈉的相圖分析

尹小春，丁珊修

（1.青島海灣設計研究院，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

生產倍半碳酸鈉的相圖分析

尹小春1，丁珊修2

（1.青島海灣設計研究院，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）

詳細介紹了用純堿和小蘇打生產倍半碳酸鈉的理論基礎，繪制了N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系常用溫度范圍內的相圖，并計算了倍半碳酸鈉生產過程的物料平衡，對生產過程具有指導意義。

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晶或結晶性粉末，相對密度2.1 1 2，易溶于水及酸，水溶液呈強堿性，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據［1］。

表1 N a2C O3－N a H C O3－H2O溶解度數據

（續(xù)表）

（續(xù)表）

筆者將以上數據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，N a2C O3－N a HC O3－H2O三元體系可能結晶出水合鹽即一水堿N a2C O3·H2O或水合復鹽即倍半碳酸鈉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），對這一體系的相圖進行分析。

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

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

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)域內時，體系只有液相，沒有固相析出。區(qū)域D B E D是小蘇打的結晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內時，固相為小蘇打N a HC O3，液相為D E曲線上的某一點，該點就是體系總組分點與B點連接的直線延長至與D E曲線相交的那個點。區(qū)域E BHE是小蘇打和倍半碳酸鈉共飽和結晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內時，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是倍半碳酸鈉的結晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內時，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，該點就是體系總組分點與H點連接的直線延長至與E F曲線相交的那個點。區(qū)域FHK F是一水堿和倍半碳酸鈉共飽和結晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內時，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是一水堿的結晶區(qū)，系統(tǒng)總組分落在該區(qū)域內時，固相為一水堿N a2C O3·H2O，液相為F G曲線上的某一點，該點就是體系總組分點與C點連接的直線延長至與F G曲線相交的那個點。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，由于是固體物質的簡單混合，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，說明一水堿是Ⅰ型水合物；復鹽射線AH與H點的溶解度曲線E F不相交，說明倍半碳酸鈉是異成分復鹽［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倍半碳酸鈉不宜采用高溫下制成飽和溶液，低溫下結晶的傳統(tǒng)方法，因為液相區(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品較少。

2 倍半碳酸鈉生產流程

筆者根據相圖原理，設計一個用純堿、小蘇打生產倍半碳酸鈉的流程。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品。

2.1 生產過程在相圖上的表述

考慮母液加熱和保溫的難易程度，選擇生產溫度為6 0℃。

圖7 生產過程相圖描述

第一步，我們將母液配制到F點，這是母液中純堿含量能達到的最大值。如果在F點母液中再加純堿，就會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)的總組成點變?yōu)橐合郋點。

第四步，往E點母液中逐漸加入純堿，純堿會完全溶解，倍半碳酸鈉逐漸析出，液相成分由E點向F點方向沿曲線E F移動。體系的總組成點將沿直線E C向C點移動，到M點，停止加純堿，分離出固相H，系統(tǒng)的總組成點恢復為液相F點，可循環(huán)再進行第一步。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品倍半碳酸鈉。

2.2 物料平衡

在以下的計算中，我們假設所有的物料為1 0 0 %純凈，假設固液分離不損失母液。圖7中各點的組成和有關直線段的長度列于表2、表3。

表2 圖7中各點組成

表3 圖7中各直線段長度

以1 0 0 0k g組成為F點的母液作為計算基準。

1）F點母液配制所需各組分量

根據F點的成分，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，因為加入的是無水的小蘇打和純堿，而產品倍半碳酸鈉中含兩分子水。下一次循環(huán)要補充母液F 1 1 4.9 5k g，以保證第二次循環(huán)產量不變。

6）計算結果

可見，1 0 0 0k g母液F經過一次循環(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；得到產品倍半碳酸鈉3 5 8＋1 3 2.9 9＝4 9 0.9 9k g。在計算誤差范圍內，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，說明物料是平衡的。

7）N點的情況

［1］ 呂秉玲，林志祥.純堿生產相圖分析［M］.北京：化學工業(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用［M］.天津：天津大學出版社，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化學工程專業(yè)。注冊化工師，青島海灣設計研究院院長，主要從事設計工作。