Pobierz technologia chemiczna i więcej Notatki w PDF z Chemia tylko na Docsity!
Tabela 1. Nazwy potoczne produktów przemysłu sodowego [3] Wzór chemiczny Nazwa związku Nazwa potoczna
Na 2 CO 3 węglan sodu
soda soda amoniakalna soda kalcynowana
NaHCO 3 wodorowęglan sodu
soda oczyszczona bikarbonat
NaOH wodorotlenek sodu^
soda żrąca soda kaustyczna
Chemizm procesu produkcji sody kalcynowanej metodą Solvaya
rozkład termiczny kamienia wapiennego CaCO 3 = CaO + CO 2 reakcja karbonizacji 2NaCl + 2NH 3 + 2CO 2 + 2H 2 O =2NaHCO 3 + 2NH 4 Cl kalcynacja bikarbonatu 2NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O regeneracja NH3 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 =2NH 3 + 2H 2 O + CaCl 2 reakcja sumaryczna CaCO 3 + 2NaCl = Na 2 CO 3 + CaCl 2
Z reakcji sumarycznej wynika, że surowcami są jedynie wapienie i solanka, amoniak krąży tylko w obiegu jako reagent pomocniczy [3]. Produkcja sody metodą Solvaya składa się z następujących etapów: wypalanie kamienia wapiennego i gaszenie wapna, oczyszczanie solanki, absorpcja amoniaku przez solankę, karbonizacja amoniakalnego roztworu solanki, filtracja strąconego wodorowęglanu sodu, tzw. bikarbonatu, kalcynacja bikarbonatu, regeneracja amoniaku, regeneracja dwutlenku węgla.
Surowce
Sól kamienną – podstawowy surowiec sprowadza się do zakładów przemysłu sodowego rurociągami w postaci nasyconego roztworu chlorku sodu. Solanka nie powinna zawierać jonów Ca2+,^ Mg 2+,^ SO 4 2-. Dwutlenek węgla otrzymuje się przez termiczny rozkład kamienia wapiennego w piecach wapiennych wg równania: CaCO 3 = CO 2 + CaO Powstający jednocześnie tlenek wapnia wykorzystuje się w postaci wapna gaszonego, m.in. do regeneracji amoniaku. Kamień wapienny do produkcji sody nie może zawierać mniej niż 90% CaCO3. Amoniak w tym procesie jest surowcem pomocniczym, ponieważ nie jest składnikiem końcowego produktu, jedynie pośredniczy w pewnym stadium reakcji chemicznej. Amoniak jest dostarczany przez zakłady azotowe w postaci 25% wody amoniakalnej; wykorzystuje się też amoniak z regeneracji, z rozkładu NH 4 Cl.
Wypalanie wapieni, oczyszczanie solanki
Wypalanie wapieni prowadzi się w celu otrzymania wapna palonego (CaO) i dwutlenku węgla. Węglan wapnia z wapieni ulega rozkładowi:
CaCO 3 = CaO + CO 2 H = + 164 kJ
Dwutlenek węgla jest stosowany do karbonizacji solanki, a wapno palone do produkcji wodorotlenku wapnia, który wykorzystuje się do oczyszczania solanki i regeneracji amoniaku lub kieruje do procesu wytwarzania NaOH. Podana wyżej reakcja jest endotermiczna i odwracalna. Przebieg jej zależy od temperatury i ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla. Prężność równowagowa CO 2 nad węglanem wapnia jest duża już w temperaturze 898C, proces prowadzi się jednak w wyższej temperaturze (1000–1100C), aby zwiększyć szybkość reakcji. Potrzebną temperaturę osiąga się przez spalanie koksu. Warunkiem dobrego wypału jest także odpowiedni stosunek ilościowy i granulacji kamienia i koksu.
Budowa pieca
Do wypalania wapieni w wytwórniach sody stosuje się szybowy piec wapienny z nadmuchem powietrza Ściany pieca zbudowane są z trzech warstw cegieł. Wewnętrzna powierzchnia szybu wykonana jest z termicznie odpornej cegły szamotowej. Mieszanka wsadowa podawana jest do pieca przez rury wsypowe zaopatrzone w odpowiednie pokrywy i zamknięcia, wykluczające wydostawanie się gazu przy ładowaniu wsadu. Urządzenie wyładowcze składa się z żeliwnego ślimaka i karuzeli (rynny zbiorczej), dalej wapno spada między walce łamacza i ulega rozdrobnieniu na kawałki o średnicy ok. 10 cm. Do wyposażenia pieca należy także dmuchawa, wdmuchująca od dołu powietrze niezbędne do spalania koksu
Przebieg procesu wypalania wapienia
Surowiec (wapień z koksem) wsypany od góry chłodzi opuszczające piec gazy odlotowe, susząc się i podgrzewając jednocześnie; jest to przykład zastosowania zasady najlepszego wykorzystania energii. Wsad obsuwa się powoli coraz niżej aż do strefy wypalania, gdzie panują najwyższe temperatury. W strefie wypalania następuje rozkład wapienia dzięki ciepłu reakcji spalania koksu w powietrzu wdmuchiwanym od dołu. Wapno przesuwa się w dół, w dolnej strefie chłodzenia oddaje swoje ciepło wpływającemu powietrzu (zasada najlepszego wykorzystania energii). Właściwa praca pieca jest możliwa tylko przy całkowitym napełnieniu i właściwym położeniu strefy wypalania, co zależy od szybkości obsuwania się wsadu i ilości wdmuchiwanego powietrza. O dobrej pracy pieca decydują
właściwy stosunek wapienia i koksu we wsadzie i ich dobre wymieszanie, równomierny zasyp surowca, wyładowywanie wapna palonego z odpowiednią prędkością, odpowiedni nadmuch powietrza.
Gaszenie wapna
Wapno palone stosuje się do produkcji wodorotlenku wapnia. Gaszenie (lasowanie) wapna palonego polega na reakcji z wodą:
CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 H = - 66,7 kJ
Wodorotlenek wapnia otrzymuje się w aparacie bębnowym do lasowania wapna 18 na rys. 2, w postaci zawiesiny zwanej mlekiem wapiennym. Jest ono używane do regeneracji amoniaku z chlorku amonu, znajdującego się w przesączu po odfiltrowaniu wodorowęglanu sodu po procesie karbonizacji. Ze względu na wymagane duże stężenie mleka wapiennego i podwyższoną temperaturę w procesie regeneracji oraz łatwiejszy transport, do gaszenia wapna używa się wody o temperaturze 50–60C
Oczyszczanie solanki metodą sodowo-wapienną
Zakłady sodowe budowane są w pobliżu złóż soli kamiennej (chlorku sodu). W kopalniach stosuje się system podziemnego rozpuszczania soli w wodzie. Otrzymaną solankę tłoczy się rurociągami bezpośrednio do wytwórni sody. Solanka do produkcji sody metodą Solvaya nie powinna zawierać ani soli wapnia, ani soli magnezu, również soli żelaza. Podczas nasycania jej dwutlenkiem węgla i amoniakiem wytrącałyby się osady, głównie węglanów wapnia i magnezu. Osady te powodowałyby zarastanie aparatów i rurociągów. Dlatego surową solankę poddaje się oczyszczaniu. Wszystkie metody oczyszczania solanki polegają na wytrącaniu jonów Ca2+^ i Mg2+^ w postaci trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia CaCO 3 i wodorotlenku magnezu Mg(OH) 2. Zwykle stosowana jest metoda sodowo-wapienna, w której jony wapnia usuwa się za pomocą roztworu sody, a jonów magnezu za pomocą wodorotlenku wapnia:
Mg2+^ + Ca(OH)2 = Mg(OH) 2 + Ca2+
Ca2+^ + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + 2Na+
W mieszalniku przygotowuje się stężone roztwory mleka wapiennego i sody, następnie miesza się je z solanką w reaktorze 1 (rys. 2). Roztwór wraz z wytrąconymi osadami spuszcza się do odstojnika 2 (rys.2). Szlam jest produktem odpadowym, a klarowny roztwór solankiz górnej części odstojnika spływa do zbiornika solanki oczyszczonej 3 i dalej do kolumn absorpcyjnych.
Całkowita wysokość kolumny wynosi ok. 30 m. W przeciwieństwie do kolumn z wypełnieniem, kolumna karbonizacyjna jest aparatem bełkotkowym; do pewnej wysokości całkowicie wypełniona jest przepływającą przez nią cieczą, a nie zraszana tylko jak typowa kolumna z wypełnieniem. Passety zwiększają natomiast kontakt gazów z cieczą i zapobiegają osiadaniu tworzących się kryształów wodorowęglanu sodu na dnie kolumny. Prowadzenie ruchu
Obowiązkiem załogi oddziału karbonizacji jest: regulowanie przepływu cieczy przez karbonator i kolumny produkcyjne, regulowanie dopływów gazu do wszystkich kolumn, regulowanie chłodzenia kolumn i utrzymanie odpowiedniej temperatury.
Filtracja i kalcynacja wodorowęglanu sodu
Z kolumn karbonizacyjnych odpływa zawiesina kryształów wodorowęglanu sodu w ługu macierzystym (tzw. mleczko bikarbonatowe). Oddzielanie kryształów od cieczy odbywa się na obrotowych filtrach próżniowych (rysunek 6) lub na wirówkach o działaniu ciągłym (rysunek 7).
Filtracja przebiega tym lepiej, im grubsze są kryształy. Osad na filtrze płucze się wodą o temperaturze 40C. Umożliwia to dobre wypłukanie zanieczyszczeń. Stosowanie wody o temperaturze powyżej 400C jest niecelowe, gdyż rośnie rozpuszczalność NaHCO 3 (przejście NaHCO 3 do przesączu). W wyniku filtracji otrzymuje się: osad zawierający 75–80% NaHCO3, małe ilości NaCl i soli amonowych, mniej niż 15% H2O (wilgotność), przesącz zawierający sole amonowe oraz pewną ilość rozpuszczonych gazów, które powstały z rozkładu węglanów pod zmniejszonym ciśnieniem (filtr próżniowy) [3]. Przesącz z filtra próżniowego kieruje się do regeneracji amoniaku. Dokładność przemywania osadu kontroluje się analizą zawartości poszczególnych jonów w przesączu i w osadzie. Na sprawną pracę filtra dobrze wpływa równomierne przedmuchiwanie. Kilkunastominutowa przerwa w przedmuchiwaniu powoduje zatkanie porów tkaniny filtra.
Kalcynacja wodorowęglanu sodu
Ostatnią fazą procesu otrzymywania sody jest prażenie (kalcynacja) wodorowęglanu sodu, który najpierw dosusza się, a następnie poddaje termicznemu rozkładowi według reakcji:
2NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 H = +67,7 kJ
Proces suszenia i kalcynacji NaHCO 3 prowadzi się w piecu obrotowym pracującym w sposób ciągły i ogrzewanym przeponowo gazami spalinowymi z palenisk węglowych lub gazowych. Sprawdzianem pracy pieca kalcynacyjnego jest temperatura odbieranej sody. Powinna ona wynosić 150C. Stopień rozkładu NaHCO 3 jest wtedy zadowalający. Bardzo ważna jest szczelność pieca, gdyż odbierany z niego gaz powinien zawierać ok. 95% dwutlenku węgla. Gaz ten jest tłoczony do kolumn karbonizacyjnych, zawracając w ten sposób do obiegu (zasada najlepszego wykorzystania surowców). Do dolnych części kolumn karbonizacyjnych kieruje się gaz zawierający 70% CO2, stanowiący mieszaninę gazu z procesu kalcynacji i z pieców wapiennych.
Regeneracja amoniaku z ługu pofiltracyjnego
Regeneracja amoniaku z ługu pofiltracyjnego polega zarówno na termicznym rozkładzie węglanów amonu, jak i na reakcji chemicznej „uwalniającej amoniak” z NH 4 Cl. Amoniak w ługu macierzystym występuje w postaci węglanów i chlorku amonu. Węglany amonu już w temperaturze 50C zaczynają się rozkładać z wydzieleniem amoniaku i dwutlenku węgla. Rozkład chlorku amonu następuje w reakcji z wodorotlenkami. W zakładach przemysłu sodowego stosuje się do tego celu mleko wapienne otrzymywane przez gaszenie CaO. W ten sposób, oprócz CO 2 przeznaczonego do procesu karbonizacji, wykorzystuje się drugi produkt wypalania wapienia
2 NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = 2 NH 3 + CaCl 2 + 2 H 2 O
Przesącz z filtracji kierowany jest od góry na kolumnę odpędową (regeneracyjną) amoniaku 14. „Po drodze” ogrzewa się ciepłem uchodzących z kolumny gazów (NH 3 , CO 2 , para wodna). Kolumna regeneracyjna ma
