Tiểu luận quy trình sản xuất soda

Chương 1: Tổng Quan Về Soda 1.1.Khái niệmNatri cacbonat, hay còn gọi là sôđa, là một sản phẩm khoáng chất tồn tại tựnhiên ở quặng trona, nacolit và trong nước khoáng giàu natri cacbonat

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Mục Lục:

Chương 1:Tổng Quan Về Soda 3

1.1.Khái niệm 3

1.2.Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.3.Các nguồn soda trong tự nhiên 6

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 9

2.3.Phương pháp Leslanc 10

2.4.Phương pháp Solvay hay phương pháp ammoniac : 10

2.4.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất: 10

2.4.2.Ðiều chế muối amôn hóa: 10

2.4.3.Cacbon hóa nước muối amôn hóa : 11

2.4.4.Tái sinh amôniac : 12

2.5 Phương pháp Solvay cải tiến 14

2.6.Phương pháp cacbonat hóa xút 16

2.7.Phương pháp LeBlanc: 16

Chương 3: Ứng dụng 18

3.1.Ứng dụng trong thủy tinh 18

3.2 Ứng dụng trong chất tẩy rửa 19

3.3 Ứng dụng trong hóa chất 20

3.4 Các ứng dụng khác 21

LỜI MỞ ĐẦU

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 sảnlượng sô đa tăng liên tục trong vòng 100 năm nay Trên thế giới hiện có 9 nước cócông 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 caođối với các sản phẩm tiêu dùng được sản xuất từ nguyên liệu sô đa Nhìn chung, so vớicác nước công nghiệp phát triển, các nước kém phát triển hơn có xu hướng có tốc độgia tăng nhu cầu sô đa cao hơn và nghành sản xuất sô đa tại các nước này cũng thườngđạt tốc độ tăng trưởng cao hơn

Trong hơn mười năm qua, vai trò của Trung Quốc trên thị trường sô đa thế giới đãthay đổi mạnh Đầu thập niên 1990 Trung Quốc còn phải nhập nhiều sô đa để cung cấpcho các ngành sản xuất thủy tinh, hoá chất và chất tẩy rửa Nhưng từ giữa đến cuốithập niên 1990, ngành sản xuất sô đa của Trung Quốc đã phát triển nhanh đến mức cólúc trở thành nguồn cung ứng sô đa lớn nhất cho các ngành sản xuất nội địa, vượt quanguồn 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 Cónhiều khả năng là Trung Quốc sẽ sớm vượt Mỹ để trở thành nước sản xuất sô đa lớnnhất thế giới

Chính vì nhu cầu cao nên sô đa được các nước trên thế giới tập trung phát triển khôngngừng nói chung và ở Việt Nam nói riêng Chính vì vậy nhóm chúng em đã tìm hiểucách 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 tựnhiên 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 nguyênliệu 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 sảnxuất bằng phương pháp tổng hợp Sôđa có dạng nặng và dạng nhẹ Sôđa nặng với khối

tẩy rửa Sôđa cũng được sử dụng trong các ứng dụng: loại bỏ lưu huỳnh từ khí thải củacác 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 vàohầu hết quá trình công nghiệp từ các ngành công nghiệp hoá chất đến công nghiệpnặng, 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 phươngpháp sản xuất soda trong công nghiệp

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

Sodium carbonate (Cacbonat natri)

1.2.Lịch sử hình thành và phát triển

Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, soda có một vị trí rất quan trọng Nó lenlỏi vào hầu hết quá trình công nghiệp từ các ngành công nghiệp hoá chất đến côngnghiệp 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 hoá dầu Bởi tầmquan trọng của mình, soda được đề cập sản xuất từ những năm 1775 Năm 1775, ViệnHàn lâm khoa học Pháp nêu giải thưởng cho phát minh tìm kiếm phương pháp sảnxuất soda trong công nghiệp Năm 1773 Va-lơ đã đề ra phương pháp sản xuất xút bằngcách cho acid chì vào dung dịch muối ăn đặc, theo phản ứng:

2NaCl + H 2 O + xPbO = 2NaO[(x-1)PbO].PbCl 2

Phương pháp này không được ứng dụng trong công nghiệp vì nồng độ xút tạo thànhtrong dung dịch rất nhỏ, mức độ chuyển hoá của phản ứng rất chậm, acid chì lại rấtđộc, hại cho sức khoẻ.

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

Sau đó, Lê-bơ-lan đưa ra phương pháp chế tạo soda từ muối ăn, acid sulphuric và đávôi Năm 1791 Lê-bơ-lan đã xây dựng nhà máy sản xuất soda theo phương pháp củamình ở gần Paris.Từ đó phương pháp Lê-bơ lan ngày càng hoàn chỉnh và chiếm độcquyền trong công nghiệp chế tạo các hợp chất kiềm Phương pháp Lê-bơ-lan tuy đãgiải quyết được nhu cầu công nghiệp ở thế kỷ XVIII tuy vậy vẫn tồn tại nhiều nhược

Năm 1861, Solvay, kỹ sư người Bỉ đã phát minh ra phương pháp amoniac để chế tạosoda Năm 1865, công suất xưởng chế tạo soda theo phương pháp Solvay đạt 10tấn/ngày Phương pháp Solvay lúc đầu bị sự cạnh tranh mạnh bởi phương pháp Lê-bơ-lan Sau đó, do tính ưu việt về sự tinh khiết của sản phẩm, giá thành thấp, điều kiệnlàm việc nhẹ nhàng so với phương pháp Lê-bơ-lan, không bao lâu phương phápSolvay đã chiếm ưu thế và được phát triển mạnh Cho đến năm 1900, sản xuất sodatheo phương pháp này đã chiếm tới 90% tổng sản lượng soda, và cho đến sau chiếntranh 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 phápLê-bơ-lan chỉ tồn tại ở một vài khâu trong quá trình cải tiến phương pháp soda từnguyên 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 hoàntoàn khách quan Có thể nói trong thiên nhiên có hai dạng hợp chất kiềm có thể khaithác một cách dễ dàng:

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

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

Na 2 CO 3 nH 2 O, Na 2 CO 3 NaHCO 3 2H 2 O.

Nói chung các dạng hợp chất kiềm này ở dạng không tinh khiết, chứa nhiều hợp chấttan của các muối clorua, Sunphat và các chất không tan Một số nơi trên thế giới cócác hồ và mỏ lớn natricacbonat: Magafdi ở Châu Phi, Bora, Tơ-ron ở châu Mỹ, vùngCát Biên, Segadin ở Châu Âu, Lu-na ở Ấn Độ Hiện nay nguồn cacbonat trong thiênnhiên vẫn được sử dụng, khai thác và chế biến để dùng vào các ngành công nghiệp hoáchất và luyện kim Năm 1926 ở Mỹ xây dựng nhà máy chế biến natricacbonat thiênnhiên theo phương pháp bốc hơi tự nhiên và nhân tạo dung dịch nước hồ chứanatricacbonat tới nồng độ 12-14% rồi đem kết tinh Những nơi có natricacbonat nằmsâu dưới đất người ta khai thác bằng cách cho nước nóng xuống giếng khoan hoà tan

sản phẩm tinh khiết phải hoà tan ra và kết tinh phân đoạn Nhờ đó soda khai thác ở tựnhiên 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

Dạng kết tinh của Na 2 CO 3

xanh giấy quỳ tím):

Na 2 CO 3 +H 2 O = NaHCO 3 +NaOH

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

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

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

1.4.2 Tính chất hóa học:

Tác dụng với dd axit:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O

Phương trình ion rút gọn của phản ứng:

Tác dụng với dd kiềm:

Na 2 CO 3 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + 2NaOH

Dựa theo thuyết Bronsted đã được học, ta thấy ion cabonnat nhận proton, như vậy ion

phản ứng trao đổi ion)

Tác dụng với dd muối:

Na 2 CO 3 + BaCl 2 = BaCO 3 ↓ + 2NaCl

Tác dụng với dd muối axit:

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 dịchxút (sản xuất bằng phương pháp điện phân) theo phản ứng hóa học sau:

Sôđa được tạo thành trong dung dịch xút, khi đạt nồng độ quá bão hòa sẽ tách khỏi

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 sảnlượng 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,

thiên nhiên lớn nhất thế giới do Công ty American Postash and - Chemical Corp khaithác 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 cạnhtranh trên thị trường hiện nay Vì vậy, sản xuất sô đa từ nguồn muối tự nhiên chỉchiếm 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 loạicây, trong một số hồ nước khoáng, một số mỏ khoáng dưới đất.Các loại cây chứa sôđahàm 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 khôngnhiều 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.

xuất này cho phép giảm nhiều giá thành sản xuất, vì chi phí nhân công chỉ bằng 1/3 sovới 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 sảnxuất sôđa là công nghệ thích hợp nhất

2.3.Phương pháp Leslanc

2.4.Phương pháp Solvay hay phương pháp ammoniac:

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

được điều chế từ phản ứng nung vôi :

Dung dịch NaCl khoảng 350-.310g/l cần phải loại bỏ các ion Ca2+ và Mg2+.

* Giai đoạn 1:

+Ðiều chế nước muối amôn

*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 :

và cả phản ứng tạo thành cacbonat :

Khí chưng có nhiệt độ 67 - 69oC được đưa vào thiết bị làm lạnh (3) bằng nước.Sau đó

2.4.3.Cacbon hóa nước muối amôn hóa:

cacbonat - Quá trình này được gọi là cacbon hóa

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

Hiệu suất tạo thành NaHCO3 phụ thuộc vào nồng độ trong khí và vào nhiệt độ

25m

Thời gian nung khoảng 3 giờ ,lò đốt bằng mazut hoặc than Không khí dùng để đốtnhiên liệu được thổi qua thiết bị trao đổi nhiệt (3) tới 300oC ,rồi vào buồng đốt (4)

được (5) đưa vào kho ,sau khi đã làm sạch

sạch bằng khí lò Xô Ða ra

2.4.4.Tái sinh amôniac :

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

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 nguyênliệu rẻ tiền, sẵn có Quy trình có thể sử dụng các loại nguyên liệu muối chất lượng

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

trường sản xuất sạch, điều kiện lao động tốt

 Công đoạn làm sạch nước muối và amôn hóa nước muối cho phép loạitriệt để các tạp chất tan làm bẩn sản phẩm sôđa, do đó chất lượng sôđa của phươngpháp Solvay rất cao thỏa mãn yêu cầu sử dụng sôđa cho các ngành công nghệ truyềnthống và công nghệ cao

 Với phương pháp Solvay, nếu kết hợp tốt việc sử dụng các nguyên liệu

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

 Đầu tư cơ bản cho xây dựng khá lớn.

Ở quy trình Solvay, nguyên liệu NaCl không được tận dụng triệt để vì hiệu suấtchuyển hóa tối đa chỉ đạt 73%, còn lại 27% NaCl theo dung dịch nước lọc ra ngoài bãi

ngoài theo dung dịch sau tái sinh Vì vậy, khi sản xuất sôđa theo phương pháp Solvay

các chất không sử dụng Do đó, khi xây dựng nhà máy sản xuất sôđa cần phải lưu ýđến diện tích chứa chất thải

2.5 Phương pháp Solvay cải tiến

Để khắc phục nhược điểm về bãi thải của phương pháp Solvay truyền thống, đã

có một số nước như Trung Quốc nghiên cứu cải tiến phương pháp Solvay truyền thống

các quá trình khác thay đổi không giống nhau

hóa và bổ sung NaCl rắn cho đủ nồng độ yêu cầu

Như vậy, quá trình sản xuất sôđa theo phương pháp Solvay cải tiến sẽ không có chấtthải lỏng như phương pháp Solvay truyền thống Tuy nhiên, phương pháp Solvay cải

vậy, sản xuất sôđa theo Solvay cải tiến công nghệ sẽ gọn hơn và không phải đầu tư cho

ở nhiệt độ cao Nhưng nhà máy sản xuất sôđa theo phương pháp Solvay cải tiến cần

Với phương pháp tuần hoàn dung dịch NaCl, cần phải bổ sung NaCl rắn có độ sạchyêu cầu theo các chỉ số sau:

thay đổi khi dùng muối rắn NaCl vào sản xuất sôđa thay cho dung dịch nước muốisạch.

2.6.Phương pháp cacbonat hóa xút.

qua dung dịch xút sẽ thu được sô đa theo phản ứng:

đoạn điện phân, cô đặc dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng nên giá thành của xút cao,chỉ những nước có giá điện năng rẻ mới có thể sử dụng phương pháp này Tỷ lệ sô đa

đi từ xút hiện nay trên thế giới chiếm dưới 10% tổng lượng sô đa sản xuất và sức cạnhtranh kém.

2.7.Phương pháp LeBlanc:

phương pháp amoniac do kĩ sư người Bỉ tên E Solvay (1838 – 1922) đề ra năm 1864.Các quá trình được diễn tả bằng phản ứng:

Các sản phẩm phụ sau phản ứng được chế hóa lại để sử dụng lại trong quá trình điềuchế Natri Cacbonat

Chương 3: Ứng dụng

Muối Natri Cacbonat được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thủy tinh,

đồ gốm, xà phòng, phẩm nhuộm, giấy,…, đặc biệt được dùng như chất đầu trong điềuchế nhiều hợp chất quan trọng của natri như xút ăn da, borac, thủy tinh tan, cromat và

3.1.Ứng dụng trong thủy tinh

Sôđa chiếm 13 - 15% trong số nguyên liệu được đưa vào cho sản xuất thủy tinh, nóđược sử dụng để nấu thủy tinh, làm giảm nhiệt độ nấu chảy của cát silic trong quátrình nấu chảy và làm tăng tính mềm dẻo Mặc dù sôđa chỉ là vật liệu có khối lượnglớn thứ hai trong sản xuất thủy tinh, nhưng nó lại chiếm tới 50 - 60% tổng chi phínguyên liệu đầu vào

VD:Thủy tinh Soda lime

Th y tinh Soda lime