Công Nghệ Sản Xuất Các Chất Vô Cơ Cơ Bản

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

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 khốilượng riêng là 1 kg/dm3, được sử dụng cho sản xuất thủy tinh Còn sôđa nhẹ có khốilượng riêng là 0,5kg/dm3, được sử dụng để sản xuất các loại hóa chất, xà phòng, chấttẩy 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 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

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 nhượcđiểm: 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 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 côngnghiệp Hiện nay trong công nghiệp tồn tại chủ yếu phương pháp amoniac, cònphương pháp Lê-bơ-lan chỉ tồn tại ở một vài khâu trong quá trình cải tiến phương phápsoda 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 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 25–30% Na2CO3 trong tro

- 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 tantới nồng độ Na2CO3 đạt 32 độ Bo-mê thì đưa lên mặt đất và đem kết tinh Muốn đượcsản 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

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 trongnước, Na2CO3

bị thủy phânlàm cho dungdịch có phảnứng kiềm (làmxanh giấy quỳtím):

Na 2 CO 3 +H 2 O = NaHCO 3 +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 nướckhoáng, 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:

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

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

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 ioncacbonat 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 raphản 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:

2 NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2OSôđa được tạo thành trong dung dịch xút, khi đạt nồng độ quá bão hòa sẽ tách khỏidung dịch dưới dạng muối ngậm nước, gọi là sôđa nặng Na2CO3.xH2O Nếu lọc kếttinh 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 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,trong đó có khoáng Na2CO3 hòa tan Trong các nguồn nước khoáng chứa sô đa thì hồSirlis thuộc bang California, Mỹ có chứa 4 - 6% Na2CO3 là nguồn khai thác sô đa thiênnhiên 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, tiêutốn nhiều nhiệt để bay hơi nước, do đó giá thành sản phẩm khá cao và khó cạnh tranhtrên thị trường hiện nay Vì vậy, sản xuất sô đa từ nguồn muối tự nhiên chỉ chiếm dưới3% 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.Bùn chứa Na2CO3 thu được sẽ được bơm đến nhà máy xử lý để tách nước và lấy sảnphẩm sôđa khan Một phần sôđa khan được chuyển hóa ngược lại thành NaHCO3 nhờphản ứng với CO2 đã được tách ra trước đó từ dung dịch ban đầu Phương pháp sảnxuất 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

Nguyên lý: Ðiều chế Na 2 SO 4 muối ăn và axít H 2 SO 4 :

2NaCl + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2HCl

Sau đó nung trong lò quay cùng với than và Canxi cacbonat ở 1000 o C

Na 2 SO 4 + 2C +CaCO 3 = Na 2 SO 4 + CaS + +2CO 2

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 thànhsản 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:

-Ðiều chế NaHCO3:

NaCl +NH3 + CO2 + H2O => NaHCO3 + NH4Cl (1)

-Từ NaHCO3 điều chế NaCO3:

2NaHCO3 <=> Na2CO3 + CO2 + H2O (2)

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 :

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

khí CO2 được sử dụng trong công nghiệp Xô Ða có hàm lượng khoảng 39 ->40% và nhiệt độ khoảng 30oC

* 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 :

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

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

và cả phản ứng tạo thành cacbonat :

2NH3 + CO2 = NH2COONH4

Khí chưng có nhiệt độ 67 - 69oC được đưa vào thiết bị làm lạnh (3) bằng nước.Sau đó đưa vào thiết bị hấp thụ (2) phần lớn NH3 và 1 phần CO2 trong khí chưng được hấp thụtrong thiết bị nay Khí lên tháp chưng (1) để tiếp tục hấp thụ khí NH3 và CO2 , sau 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 Natricacbonat - 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

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

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