» » Термические способы получения натрия
28.04.2015

По термическим способам получения щелочных металлов имеется ряд патентов и исследований. Так, в 1940 г. В Д Поляков и А.А. Федоров упоминают о возможности получения натрия и калия из хлористой соли с использованием в качестве восстановителя карбид кальция. В 1949 г. выдан патент на получение щелочных металлов из хлоридов восстановлением их алюминием или кремнием в присутствии окиси кальция в вакууме. В 1950 г. в России выдано авторское свидетельство на термический способ получения калия и натрия восстановлением их хлоридов алюминием или кремнием в присутствии окиси кальция.
Предложенные вакуум-термические способы получения металлического натрия характеризуются следующими химическими реакциями:
Термические способы получения натрия

Принимая во внимание то, что в карбиде кальция обычно содержится окись кальция (до 40%) и что для реакции (3), эта известь является балластом, а при реализации реакции (2) окись кальция нужно вводить в качестве одного из главных компонентов, можно реакции (2) и (3) объединить в виде карбидосиликотермического метода. В этом случае в качестве восстановителя нужно применять смесь карбида кальция и ферросилиция в таких количествах, чтобы суммарную реакцию можно было выразить уравнением
Термические способы получения натрия

При термическом получении силумина и алюминия получаются фильтростатки — силикоалюминий. Этот сплав — хороший восстановитель (промежуточный между алюминием и кремнием). При применении силикоалюминия для восстановления хлорида натрия реакция представляется в следующем виде:
Термические способы получения натрия

В институте МИЦМиЗ были исследованы условия получения натрия из поваренной соли вакуум-термическим восстановлением. В качестве восстановителей были приняты карбид кальция, кремний и силицид кальция.
В результате исследований установлены условия, обеспечивающие наилучшие показатели процесса. Показано, что вакуум-термическое восстановление поваренной соли карбидом кальция или силикокальцием, в особенности при комплексном использовании последнего, вполне можно предложить в качестве промышленного способа получения натрия. Доказано, что процесс восстановления поваренной соли кремнием в присутствии извести не представляет практического интереса для получения натрия из его хлорида.
Разработан в опытно-заводском масштабе вакуум-термический способ получения натрия и его сплавов с калием. В качестве восстановителя применялись алюминиевый порошок, ферросилиций, карбид кальция, силикоалюминий и смесь ферросилиция с карбидом кальция, а в качестве исходного сырья — чистый хлористый натрий или отработанный электролит магниевых электролизеров и известь.
При проведении опытов были приняты следующие технические условия на исходные материалы
1) хлористый натрий, просушенный при температуре 200—400° и просеянный через сито 30 меш (ГОСТ 4233—48);
2) отработанный электролит из магниевых электролизеров, измельченный и просеянный через сито 30 меш, содержащий 76% KCl и 19% NaCl (остальное примеси);
3) известь, обожженная при 1200—1250° (до полного разложения известняка), размолотая и просеянная через сито 150 меш;
4) измельченные и просеянные через сито 150 меш ферросилиций, силикоалюминий и алюминий;
5) карбид кальция (отсев мелочи) размерами минус 3 мм.
Установлено, что на извлечение металла из шихты большее влияние оказывает крупность восстановителя, меньшее — крупность окиси кальция и практически не играет роли крупность хлористого натрия или его смеси с хлористым калием (при получении сплавов натрия с калием) Измельченные компоненты шихты тщательно перемешивают и прессуют в сухом состоянии при давлении 500—600 кг/см2. При этом получаются брикеты диаметром 40—70 мм и высотой 30—40 мм, уд. веса 1,8—2,0, имеющие пористость 15—18% и механическую прочность на сжатие 25—30 кг/см2. Насыпной вес таких брикетов 1,2—1,3 кг/л.
Брикеты загружают в вакуум-ретортные печи с независимым нагревом (электрическим или газовым) или в реторты, которые сами являются элементами сопротивления.
Восстановление хлористого натрия начинается при температуре около 650°. С повышением температуры скорость реакции резко возрастает, но начинает возгоняться хлористый натрий. Оптимальная температура процесса 800—850°. С повышением температуры выше 800— 850° возгон обогащается хлористым кальцием. Реакционная способность шихты значительно повышается, если в шихту добавить 4—5% фтористого кальция.
При получении металлического натрия может быть рекомендована шихта с весовым отношением CaO:NaCl = 0,83 и FeSi:NaCl = 0,34; это отвечает шихте следующего состава: 46% NaCl, 38% CaO, 16% FeSi (75% Si) с добавкой 4—5% плавикового шпата в качестве катализатора Такой состав шихты обеспечивал извлечение натрия 85%, удельный расход ферросилиция 1,0 кг/кг натрия, расход шихты 6,6 кг/кг натрия. Следует заметить, что соотношение между исходными компонентами оказывает большое влияние на показатели процесса. Окись кальция играет не меньшую роль, чем восстановитель. Попытки получить натрий без добавки в шихту окиси кальция не увенчались успехом, избыток же окиси кальция приводит к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности печей. При восстановлении отработанного электролита выход сплава составил 45%, удельный расход ферросилиция 3,4 кг/кг сплава и расход шихты 12 кг/кг сплава.
Разрежение в вакуум-ретортной печи должно быть равным 0,4—0 5 мм рт. ст. Чем ниже остаточное давление, тем ниже может быть температура, обеспечивающая успешное восстановление металла. При пониженных давлениях и повышенных температурах заметно испаряются NaCl и CaCl2.
Хлористые соли (возгон) конденсируются в твердом виде при температуре 600—650°, а металл конденсируется в жидком состоянии при температурах 100—150° в специальном конденсаторе-приемнике, откуда он разливается в соответствующие формы.
Состав шихты и температура процесса не влияют на качество получаемого металла. При применении чистых исходных материалов получаемый металл отличается высокой чистотой — 99,95%.
Процесс получения металлического натрия вакуум-термическим методом легко реализовать в промышленных масштабах, а электрические печи, работающие под соответствующим разрежением, могут быть сконструированы производительностью 450—500 кг натрия за цикл.