Công nghệ sản xuất các chất vô cơ cơ bản

Ngoài sản xuất từ các loại quặng tự nhiên, sôđa còn được sản xuất tổng hợp từ nguyên liệu đá vôi, muối và amoniac.Quặng sôđa được tìm thấy với số lượng lớn ở Botswana, Trung Quốc TQ, Ai

KHOA CÔNG NGH Ệ HÓA H Ọ C

- o0o -

Mục Lục:

Chương 1:Tổng Quan Về Soda 2

1.1.Khái niệm 2

1.2.Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.3.Các nguồn soda trong tự nhiên 5

1.4.Tính chất của sô đa 7

1.4.1.Tính Chất Vật Lý 7

1.4.2 Tính chất hóa học: 8

Chương 2: Sản xuất sôđa 9

2.1.Sản xuất theo phương pháp hóa học 9

2.2.Khai thác sô đa thiên nhiên 10

2.3.Phương pháp Leslanc 11

2.4.Phương pháp Solvay hay phương pháp ammoniac : 11

2.4.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất: 11

2.4.2.Ðiều chế muối amôn hóa: 13

2.4.3.Cacbon hóa nước muối amôn hóa : 13

2.4.4.Tái sinh amôniac : 14

2.5 Phương pháp Solvay cải tiến 16

2.6.Phương pháp cacbonat hóa xút 17

2.7.Phương pháp LeBlanc: 18

Chương 3: Ứng dụng 19

3.1.Ứng dụng trong thủy tinh 19

3.2 Ứng dụng trong chất tẩy rửa 20

3.3 Ứng dụng trong hóa chất 21

3.4 Các ứng dụng khác 22

Sô đa là mặt hàng hóa chất mà lượng tiêu thụ có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với

tỷ lệ tăng dân số và tốc độ tăng trưởng sản phẩm quốc dân của các nước

Nhu cầu sô đa ngày càng tăng khi nền công nghiệp ngày càng phát triển vì vậy sản lượng sô đa tăng liên tục trong vòng 100 năm nay

Trên thế giới hiện có 9 nước có công suất sản xuất sô đa trên 1 triệu tấn/ năm đó là:

Mỹ, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Đức, Pháp, Italia, Ba Lan và Anh

Phần lớn các nước sản xuất sô đa hàng đầu thế giới đều có dân số lớn và nhu cầu cao đối với các sản phẩm tiêu dùng được sản xuất từ nguyên liệu sô đa Nhìn chung, so với các nước công nghiệp phát triển, các nước kém phát triển hơn có xu hướng có tốc độ gia tăng nhu cầu sô đa cao hơn và nghành sản xuất sô đa tại các nước này cũng thường đạt tốc độ tăng trưởng cao hơn

Trong hơn mười năm qua, vai trò của Trung Quốc trên thị trường sô đa thế giới đã thay đổi mạnh Đầu thập niên 1990 Trung Quốc còn phải nhập nhiều sô đa để cung cấp cho các ngành sản xuất thủy tinh, hoá chất và chất tẩy rửa Nhưng từ giữa đến cuối thập niên 1990, ngành sản xuất sô đa của Trung Quốc đã phát triển nhanh đến mức có lúc trở thành nguồn cung ứng sô đa lớn nhất cho các ngành sản xuất nội địa, vượt qua nguồn nhập khẩu từ Mỹ Năm 2002, sản lượng sô đa của Trung Quốc đạt 8,2 triệu tấn

Dự kiến năm 2003 sản lượng sô đa tại nước này sẽ tăng 5,7%, đạt 8,7 triệu tấn Có nhiều khả năng là Trung Quốc sẽ sớm vượt Mỹ để trở thành nước sản xuất sô đa lớn

Chính vì nhu cầu cao nên sô đa được các nước trên thế giới tập trung phát triển không ngừng nói chung và ở Việt Nam nói riêng Chính vì vậy nhóm chúng em đã tìm hiểu cách điều chế sô đa cơ bản Một cách nhìn tổng quát về sô đa để mọi người có thể hiểu

về nó một cách đơn giản nhất

Chương 1:Tổng Quan Về Soda

1.1.Khái niệm

Natri cacbonat, hay còn gọi là sôđa, là một sản phẩm khoáng chất tồn tại tự nhiên

ở quặng trona, nacolit và trong nước khoáng giàu natri cacbonat hoặc nước biển Sôđa được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất

Ngoài sản xuất từ các loại quặng tự nhiên, sôđa còn được sản xuất tổng hợp từ nguyên liệu đá vôi, muối và amoniac.Quặng sôđa được tìm thấy với số lượng lớn ở Botswana, Trung Quốc (TQ), Ai Cập, Ấn Độ, Kenia, Mêxicô, Pêru, Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ và Mỹ Hơn 60 loại quặng sôđa đã được phát hiện trên toàn thế giới, và những loại quặng này

đã chiếm 1/3 sản lượng toàn cầu (35 triệu tấn/năm) Còn 2/3 sản lượng là được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp.Sôđa có dạng nặng và dạng nhẹ Sôđa nặng, với khối lượng riêng là 1 kg/dm3, được sử dụng cho sản xuất thủy tinh Còn sôđa nhẹ, với khối lượng riêng là 0,5kg/dm3, được sử dụng để sản xuất các loại hóa chất, xà phòng, chất tẩy rửa Sôđa cũng được sử dụng trong các ứng dụng: loại bỏ lưu huỳnh từ khí thải của các ống khói, xử lý nước, tinh chế dầu, sản xuất chất nổ và cao su tổng hợp

Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, soda có một vị trí rất quan trọng Nó len lỏi vào hầu hết quá trình công nghiệp từ các ngành công nghiệp hoá chất đến công nghiệp

nặng, công nghiệp nhẹ…đều cần sự có mặt của soda Nhu cầu soda đứng thứ 11 tính

về sản lượng khi so với các hợp chất vô cơ, hữu cơ, kể cả hóa dầu

Bởi tầm quan trọng của mình, soda được đề cập sản xuất từ những năm 1775 Năm

1775, Viện Hàn lâm khoa học Pháp nêu giải thưởng cho phát minh tìm kiếm phương pháp sản xuất soda trong công nghiệp

Natri bicacbonat NaHCO3 ; Xô Ða tinh thể (Na2CO3.10H2O và Na2CO3.H2O)

Natricacbonat rất quan trọng thường dùng trong công nghiệp xà bông giấy xenlulozo, dệt,thủy tinh , luyện kim và nhiều nghành khác

Vì vậy phương pháp này chỉ mang tính chất lịch sử chứ không có tác dụng thực tế sản xuất

Sau đó, Lê-bơ-lan đưa ra phương pháp chế tạo soda từ muối ăn, acid sulphuric và đá vôi Năm 1791 Lê-bơ-lan đã xây dựng nhà máy sản xuất soda theo phương pháp của mình ở gần Paris.Từ đó phương pháp Lê-bơ lan ngày càng hoàn chỉnh và chiếm độc quyền trong công nghiệp chế tạo các hợp chất kiềm Phương pháp Lê-bơ-lan tuy đã giải quyết được nhu cầu công nghiệp ở thế kỷ XVIII tuy vậy vẫn tồn tại nhiều nhược điểm: sản phẩm chưa tinh khiết, quá trình sản xuất phức tạp, nặng nhọc…

Năm 1861, Solvay, kỹ sư người Bỉ đã phát minh ra phương pháp amoniac để chế tạo soda Năm 1865, công suất xưởng chế tạo soda theo phương pháp Solvay đạt 10 tấn/ngày Phương pháp Solvay lúc đầu bị sự cạnh tranh mạnh bởi phương pháp Lê-bơlan Sau đó, do tính ưu việt về sự tinh khiết của sản phẩm, giá thành thấp, điều kiện làm việc nhẹ nhàng so với phương pháp Lê-bơ-lan, không bao lâu phương pháp Solvay

đã chiếm ưu thế và được phát triển mạnh Cho đến năm 1900, sản xuất soda theo phương pháp này đã chiếm tới 90% tổng sản lượng soda, và cho đến sau chiến tranh thế giới lần

I phương pháp Lêbơ- lan thực tế không còn tồn tại trong công nghiệp Hiện nay trong công nghiệp tồn tại chủ yếu phương pháp amoniac, còn phương pháp Lê-bơ-lan chỉ tồn tại ở một vài khâu trong quá trình cải tiến phương pháp soda từ nguyên liệu natrisunphat

1.3.Các nguồn soda trong tự nhiên

Soda hay các hợp chất kiềm nói chung hình thành trong tự nhiên một cách hoàn toàn khách quan Có thể nói trong thiên nhiên có hai dạng hợp chất kiềm có thể khai thác một cách dễ dàng:

- Từ dạng rêu biển ở một số vùng đại dương miền Tây Nam Tây Ban Nha có tới 25– 30% Na2CO3 trong tro

- Từ các hồ hoặc các mỏ ở những miền thung lũng có mưa nhiều, không khíkhô và gần núi đá vôi Các hợp chất kiềm khi đó nằm ở dạng các muối ngậm nước:

ta khai thác bằng cách cho nước

nóng xuống giếng khoan hoà tan tới nồng độ Na2CO3 đạt 32 độ Bo-mê thì đưa lên mặt đất và đem kết tinh Muốn được sản phẩm tinh khiết phải hoà tan ra và kết tinh phân đoạn Nhờ đó soda khai thác ở tự nhiên vẫn có độ tinh khiết cao so với các phương pháp tổng hợp hiện nay

1.4.Tính chất của sô đa

1.4.1.Tính Chất Vật Lý

Natri Cacbonat (Na2CO3) khan là chất bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở

850oC Na2CO3 tan nhiều trong nước, quá trình tan phát ra nhiều nhiệt do sự tạo thành các hidrat Từ dung dịch ở nhiệt độ dưới 32,5oC, Na2CO3 kết tinh dưới dạng decacdirat

Na2CO3.10H2O Đây là những tinh thể trong suốt, không màu, dễ tan trong nước

Dạng kết tinh của Na 2 CO 3 Khi tan trong nước, Na2CO3 bị thủy phân làm cho dung dịch có phản ứng kiềm (làm xanh giấy quỳ tím):

Na2CO3 +H2O = NaHCO3 +NaOH

-Sôđa có dạng nặng và dạng nhẹ Sôđa nặng, với khối lượng riêng là 1 kg/dm3, được sử dụng cho sản xuất thủy tinh Còn sôđa nhẹ, với khối lượng riêng là 0,5kg/dm3, được sử dụng để sản xuất các loại hóa chất, xà phòng, chất tẩy rửa

-Công thức hóa học là Na2CO3, là muối bền trong tự nhiên thường có trong nước khoáng, nước biển và muối mỏ trong lòng đất

-Là thể màu trắng, dễ hoà tan trong nước, để ngoài không khí dễ chảy nước

-Phân tử lượng: 106 g/mol

-Có nhiệt độ nóng chảy ở 851oC (1124 K) và có nhiệt độ sôi ở 1600oC (2451K)

-Độ hòa tan trong nước là 22 g/ 100ml( 20oC)

1.4.2 Tính chất hóa học:

Vì Na2CO3 là muối của acid yếu nên có các tính chất hóa học sau:

Tác dụng với dd axit:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O

- Na2CO3 tác dụng được với nhiều axit giải phóng khí CO2

Phương trình ion rút gọn của phản ứng:

𝐶𝑂32− + 2𝐻+ = 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 ↑

Tác dụng với dd kiềm:

Na2 CO3 + Ba(OH)2 = BaCO3↓ + 2NaOH Dựa theo thuyết Bronsted đã được học, ta thấy ion cabonnat nhận proton, như vậy ion cacbonat có tính chất của một bazơ Muối Na2CO3 có tính bazơ

Na2CO3 tác dụng được với một số dung dịch bazơ hoặc muối (lưu ý điều kiện xảy ra phản ứng trao đổi ion)

Tác dụng với dd muối:

Na2CO3 + BaCl2 = BaCO3↓ + 2NaCl

Tác dụng với dd muối axit:

Na2CO3 + Ba(HSO4)2 = Na2SO4 + BaSO4↓ + H2O + CO2↑

Na2CO3 + 2NaHSO4 = 2Na2SO4 + CO2 + H2O

Bị phân li trong nước:

Na2CO3 + 2H2O = 2NaOH + H2O + CO2↑

Na2CO3 dạng dung dịch làm quỳ tím hóa xanh (do bị phân li tạo NaOH)

Chương 2: Sản xuất sôđa 2.1.Sản xuất theo phương pháp hóa học

Khi sản xuất sôđa theo phương pháp hóa học, người ta cacbonat hóa dung dịch xút (sản xuất bằng phương pháp điện phân) theo phản ứng hóa học sau: 2 NaOH + CO2

= Na2CO3 + H2O

Sôđa được tạo thành trong dung dịch xút, khi đạt nồng độ quá bão hòa sẽ tách khỏi dung dịch dưới dạng muối ngậm nước, gọi là sôđa nặng Na2CO3.xH2O Nếu lọc kết tinh đem khử nước sẽ thu được sôđa khan Na2CO3 loại thương phẩm

Phương pháp này chỉ thích hợp với những nước có điện năng rẻ, thiếu clo và thừa xút Hiện nay, sôđa sản xuất theo phương pháp hóa học chỉ chiếm dưới 10% tổng sản lượng sôđa tổng hợp trên thế giới

2.2.Khai thác sô đa thiên nhiên

Sô đa thiên nhiên nằm dưới dạng các dung dịch nước có chứa các muối khoáng, trong đó có khoáng Na2CO3 hòa tan Trong các nguồn nước khoáng chứa sô đa thì hồ Sirlis thuộc bang California, Mỹ có chứa 4 - 6% Na2CO3 là nguồn khai thác sô đa thiên nhiên lớn nhất thế giới do Công ty American Postash and - Chemical Corp khai thác Với công suất 160.000 tấn sô đa/ năm thì phải xử lý trên 4 triệu m3 nước khoáng, tiêu tốn nhiều nhiệt để bay hơi nước, do đó giá thành sản phẩm khá cao và khó cạnh tranh trên thị trường hiện nay Vì vậy, sản xuất sô đa từ nguồn muối tự nhiên chỉ chiếm dưới 3% tổng lượng sản xuất hàng năm

Sôđa có thể tồn tại trong tự nhiên dưới nhiều dạng khác nhau: trong tro của một số loại cây, trong một số hồ nước khoáng, một số mỏ khoáng dưới đất.Các loại cây chứa sôđa hàm lượng thấp không có ý nghĩa khai thác công nghiệp Người ta chỉ tách được sôđa

từ tro của chúng sau khi đốt cháy Các loại hồ nước chứa sôđa trên thế giới không nhiều

và tập trung ở những vùng ít mưa và không khí khô

Trước đây, ở Mỹ người ta sản xuất sôđa theo phương pháp khai thác đào lấy quặng, sau

đó chở đến nhà máy xử lý để tiến hành chiết, thu được sản phẩm sôđa Ngày nay, người

ta áp dụng công nghệ hòa tan để sản xuất sôđa từ quặng Trước tiên, nước nóng được bơm vào mỏ quặng, sau đó người ta bơm dung dịch lên và tiến hành tách co2 Bùn chứa

Na2CO3 thu được sẽ được bơm đến nhà máy xử lý để tách nước và lấy sản phẩm sôđa khan Một phần sôđa khan được chuyển hóa ngược lại thành NaHCO3 nhờ phản ứng với

CO2 đã được tách ra trước đó từ dung dịch ban đầu Phương pháp sản xuất này cho phép giảm nhiều giá thành sản xuất, vì chi phí nhân công chỉ bằng 1/3 so với phương pháp đào lấy quặng trực tiếp từ mặt đất

Mặc dù sản xuất sôđa từ các khoáng thiên nhiên như trona, nahcolit có nhiều ưu điểm

và giá thành hạ hơn, nhưng đối với những quốc gia không có những nguồn tài nguyên

đó mà lại có nguồn đá vôi, than đá và muối ăn dồi dào thì phương pháp Solvay để sản xuất sôđa là công nghệ thích hợp nhất

2.3.Phương pháp Leslanc

Nguyên lý :Ðiều chế Na2SO4 muối ăn và axít H2SO4 :

2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl

Sau đó nung trong lò quay cùng với than và Canxi cacbonat ở1000oC

Na2SO4 + 2C +CaCO3 = Na2SO4 + CaS + +2CO2

2.4.Phương pháp Solvay hay phương pháp ammoniac :

Nguyên liệu đầu là dung dịch NaCl, chuyển hóa bằng amôniac và khí CO2 để tạo thành sản phẩm trung gian NaHCO3

2.4.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất:

Quá trình điều chế Na2CO3 thực hiện qua 2 giai đoạn :

Phản ứng (1) tạo thành NaHCO3 có hiệu suất cao nhất 30-32% và dưới 84% CO2 được điều chế từ phản ứng nung vôi :

CaCO3 = Cao + CO2 (3)

Cao dùng dể điều chế Ca(OH)2 :

CaO + H2O = Ca(OH)2 Ca(OH)2 dùng để tái sinh NH3 từ NH4Cl tạo thành trong phản ứng (1)

* Giai đoạn 1:

Điều chế NaHCO3 bao gồm ba công đoạn +Ðiều

chế nước muối amôn

+Ðiều chế NaHCO3

+Lọc NaHCO3

*Giai đoạn 2:

-Công đoạn nung

-Công đoạn tái sinh amôniac

2.4.2.Ðiều chế muối amôn hóa:

Công đoạn này là cho nước hấp thụ NH3 để tạo thành nước muối amôn hóa Khí NH3

và CO2 tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng :

đó vào tháp rửa (5) sau khi ra khỏi tháp (5) đã hấp thụ được khoảng 21,5g/l NH3 & 8,2 g/l CO2 được đưa vào tháp (1) Dung dịch nước muối amôn hóa ra qua hệ thống làm lạnh (11) để hạ nhiệt độ xuống 30oC rồi sang công đoạn cacbon hóa

2.4.3.Cacbon hóa nước muối amôn hóa :

Trong công đoạn này, nước muối amôn có tác dụng với CO2 tạo thành huyền phù Natri cacbonat - Quá trình này được gọi là cacbon hóa

2NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3 (4)

(NH4)2CO3 + CO2 + H2O = 2NH4HCO3 (5)

Khi lượng HCO3 đủ lớn ,bắt đầu xảy ra phản ứng trao đổi ion tạo thành NaHCO3 kết tủa

NH4HCO3+ NaCl <=> NaHCO3 + NH4Cl

NaHCO3 được băng chuyền đưa vào phiễu (1) rồi vào lò nung Xô Ða (2) dài khoảng 25m

Thời gian nung khoảng 3 giờ ,lò đốt bằng mazut hoặc than Không khí dùng để đốt nhiên liệu được thổi qua thiết bị trao đổi nhiệt (3) tới 300oC ,rồi vào buồng đốt (4) NaHCO3 bị phân hủy thành Na2CO3 có hàm lượng khoảng 96 -> 98% ,sản phẩm ra lò được (5) đưa vào kho ,sau khi đã làm sạch

Sau khi phân hủy cacbonat chủ yếu có CO2 ,hơi nước và một ít NH3 và bụi Xô Ða được đưa qua xyclon (6),khí có nhiệt độ 125oC tập trung vào ống thu khí (7)được làm sạch bằng khí lò Xô Ða ra

Sau đó khí vào phía dưới tháp rửa (9) có hàm lượng CO2 khoảng 90% và nhiệt độ là 30oC được đưa vào công đoạn cacbon hóa

2.4.4.Tái sinh amôniac :

Thu hồi NH3 từ dung dịch lọc chứa NH3 dưới dạng NH4Cl , (NH4)2CO3 ,

NH4HCO3

(NH4)2CO3 -> NH3 + CO2 + H2O

2NH4Cl + Ca(OH)2 = 2NH3 + CaCl2 + 2H2O

NH3 tạo thành được tách khỏi dung dịch bằng cách chưng cất

Phương pháp Solvay có những ưu điểm như sau:

Nguyên liệu sản xuất chủ yếu là muối ăn, đá vôi, đó là những nguyên

liệu rẻ tiền, sẵn có Quy trình có thể sử dụng các loại nguyên liệu muối chất lượng khác nhau và CO2 thu hồi khi đốt nhiên liệu hoặc nung đá vôi

Các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ không cao (dưới

1000C) và áp

suất gần áp suất khí quyển

Quá trình sản xuất được thực hiện liên tục trong dòng nguyên liệu khí -

lỏng là chủ yếu, do đó dễ cơ giới hóa và tự động hóa sản xuất

Quá trình sản xuất được phân đoạn cho phép thu hồi tối đa các khí

nguyên liệu NH3, CO2 theo khí phóng không, do đó đảm bảo tổn thất NH3 nhỏ, môi trường sản xuất sạch, điều kiện lao động tốt

Công đoạn làm sạch nước muối và amôn hóa nước muối cho phép loại

triệt để các tạp chất tan làm bẩn sản phẩm sôđa, do đó chất lượng sôđa của phương pháp Solvay rất cao thỏa mãn yêu cầu sử dụng sôđa cho các ngành công nghệ truyền thống

và công nghệ cao

Với phương pháp Solvay, nếu kết hợp tốt việc sử dụng các nguyên liệu NaCl, CO2, NH3 thì có thể tạo được thế cạnh tranh về giá thành sản phẩm sôđa trong khu vực và trên thế giới

Nhưng phương pháp Solvay cũng có một số nhược điểm như sau:

Hiệu suất sử dụng nguyên liệu ban đầu thấp

Thải ra một lượng phế thải lớn cần xử lý

Chi phí năng lượng cao