Производство соды: кальцинированной, каустической

Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

«НОВОСИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ НАУК/ 

КАФЕДРА ХИМИИ

 

 

 

 

ПРОИЗВОДСТВО СОДЫ: КАЛЬЦИНИРОВАННОЙ, КАУСТИЧЕСКОЙ

Реферат по дисциплине: экономика

 

 

 

Выполнила студентка группы 440

Морозова   Е. Е.                   ___________

                                  (подпись, дата)

Специальность / направление подготовки 020101.65 Химия

Специализация / профиль Фармацевтическая химия

Форма обучения очная

Научный руководитель

 Канд. Географических наук, доцент  Ионова Н.В. 

(ученая степень, должность, И.О.Фамилия)   

______________

(подпись)

_____________

(оценка)

«___» ________ 20__г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2014

 

 

 

Оглавление

 

 

История

Сода была известна человеку с древнейших времен. Она применялась при варке стекла, для обезжиривания шерсти, для варки мыла и при изготовлении бумаги. Широко пользовались содой и для медицинских целей.[1]

Ее добывали из содовых озер и извлекали из немногочисленных месторождений в виде минералов. Первые сведения о получении соды путем упаривания воды содовых озер относятся к 64 году нашей эры. Кроме того, «соду» получали выщелачиванием из золы некоторых растений и водорослей. Само название «сода» происходит от растения солянка содоносная, из золы которого она добывалась.[1]

В 1736 году французский химик, врач и ботаник Анри Луи Дюамель де Монсо впервые смог получить из воды содовых озер очень чистую соду. Ему удалось разделить «соду» на три разных вещества – гидроксид натрия, собственно соду и поташ.[1]

До 18 века потребности в соде удовлетворялись за счет природных запасов, однако бурный рост текстильной промышленности привел к тому, что потребности в соде резко возросли, и потребовалось решать вопрос о путях ее синтеза. Текстильная промышленность так же увеличила спрос и на гидроксид натрия и хлор. [1]

1764 год – российский  химик Эрик Густав Лаксман предложил способ получения соды спеканием сульфата натрия с древесным углем. Однако способ не нашел промышленного применения. Химически этот процесс описывается следующими уравнениями:

2Na2SO4 + 3C + 2O2 = 2Na2CO3 + CO2 + 2SO2

CaCO3 + C + Na2SO4 = Na2CO3 + 4CO + CaS

В 1791 французский врач и химик-технолог Никола Леблан, ничего не зная о способе Лаксмана, получил патент на «Способ превращения глауберовой соли в соду», предложив для получения соды сплавлять смесь сульфата натрия, мела (карбоната кальция) и древесного угля. Химически этот процесс описывается следующими уравнениями:

2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl↑.

Na2SO4 + 4C = Na2S + 4CO

Na2S + CaCO3 = Na2CO3+ CaS

Полученную соду выщелачивали из огарка водой и упаривали до кристаллического продукта. Параллельно с получением соды в качестве побочного продукта получался хлороводород, который со второй половины 19 века стали активно использовать для получения хлора и хлорной извести.[1]

Технологию производства соды по Леблану стали использовать во многих странах Европы. Первый содовый завод такого типа в России был основан промышленником М.Прангом и появился в Барнауле в 1864.[1]

Основу нового метода заложил Огюстен Жак Френель, предложивший в 1880 получать соду из каменной соли, пропуская через ее раствор аммиак и углекислый газ. А в 1838-1840 годах английские инженеры Г.Грей-Дьюаром и Д.Хеммингом предложили аммачный способ получения соды, доработанный Эрнестом Сольве.[1]

Первыми в мире заводами, использующими аммиачный способ получения соды, стали бельгийский завод в Куйе, построенный по проекту самого Сольве в 1865, и Камско-Содовый завод Лихачева в России, который начал работать в 1868.[1]

Аммиачный способ позволял получить более чистую соду при меньших затратах топлива и постепенно  вытеснил способ Леблана.[1]

В 1930-х годах китайский химик Хоу разработал еще один способ получения соды, в котором не использовался гидроксид кальция. о способу Хоу в раствор хлорида натрия при температуре 40 градусов подается диоксид углерода и аммиак. Менее растворимый гидрокарбонат натрия в ходе реакции выпадает в осадок (как и в методе Сольве). Затем раствор охлаждают до 10 градусов. При этом выпадает в осадок хлорид аммония, а раствор используют повторно для производства следующих порций соды.  Полученный в качестве побочного продукта хлорид аммония использовался как азотное удобрение в рисоводстве.[1]

Параллельно с производством кальцинированной соды развивалось  и производство гидроксида натрия. Самый первый способ его получения – известковый метод – основан на реакции известкового молока с раствором соды и был известен еще в древнем Египте. Химически этот способ описывается следующим уравнением:

Na2СО3 + Са(ОН)2 = 2NaOH + CaСО3

Метод широко использовался в 18-19 веках и базировался на производстве кальцинированной соды.[1]

Разработан так же другой способ химического получения гидроксида  натрия – ферритный, однако он не получил столь широкого распространения.  Химически этот способ описывается следующими уравнениями:

Na2СО3 + Fe2О3 = 2NaFeО2 + СО2

2NaFeО2 + xH2О = 2NaOH + Fe2O3*xH2О

Однако, потребности промышленности в хлоре и кальцинированной соде, а так же прогресс  в науке и технике привели к тому, что в конце 19 века в производстве каустической соды начинают использовать совершенно другой подход – электрохимический.[1]

Первое известное предложение вырабатывать электролитический едкий натр и хлор принадлежит русским ученым Н. Г. Глухову и Ф. Ващуку, запатентовавшим 2 декабря 1879 г. в Германии «способ для получения каустической щелочи электрохимическим путем». Анод изготовлялся из платины или из графита, катод — из железа.[1]

При разложении водных растворов хлорных солей щелочных металлов (калия или натрия) постоянным током при соблюдении определенных условий были получены одновременно три продукта: хлор, водород и едкий натр (или едкое кали).[1]

 

Состав и продукция отросли

Исторически единый процесс получения каустической и кальцинированной соды на сегодняшний день разделился на два крупных производственных направления – содовую и хлорную промышленность.

Содовая промышленность производит в виде основного продукта карбонат и гидрокарбонат натрия, кристаллическую соду. Побочные продукты содового производства – это хлориды аммония и кальция.[2]

Таблица 1. Физические свойства продуктов содового производства

Название	Техническое название	Формула	Плотность, г/см3	Температура плавления, 0С	ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3
Карбонат натрия декагидрат	Сода стиральная	Na2CO3·10H2O	1,446	32	2
Карбонат натрия	Сода кальцинированная	Na2CO3	2,53	852	2
Натрия гидрокарбо-нат	Сода питьевая	NaHCO3	2,159	Разлагается при 60-200	5
Хлорид кальция	-	CaCl2	2,15	772	2
Хлорид аммония	Нашатырь	NH4Cl	1,527	337,6 (возгоняет-ся)	20 (по аммиа-ку)

 

Продуктами хлорной промышленности на сегодняшний момент являются гидроксид натрия, соляная кислота, гипохлориты натрия и кальция. Так же в качестве продуктов можно рассматривать хлор и водород. [2]

 

Таблица 2. Физические свойства продуктов хлорной промышленности

Название	Техническое название	формула	Плотность	Температура плавления, 0С	ПДК в воздухе рабочей зоны мг/м3
Гидроксид натрия	Каустическая сода	NaOH	2,13 г/см3	323	0,5
Хлор (газзобразный)	-	Cl2	3,214 г/л	100,95	1

 

 

Сырьевая база

В качестве содового сырья до сих пор используются природные минералы соды - нахколит NaHCO3, трона Na2CO3·NaHCO3·2H2O, натрит Na2CO3·10H2O, термонатрит Na2CO3·Н2O и воды содовых озер.

Современные содовые озёра известны в Забайкалье и в Западной Сибири; большой известностью пользуется озеро Натрон в Танзании и озеро Сирлс в Калифорнии. [3]

Большие запасы троны открыты в США, штат Вайоминг. В природе залежи троны встречаются также на территории Ливии, Китая, Монголии, в степях Казахстана, Западной Сибири. Однако, они содержат более 50 % примесей, которые не позволяют получить минерал для промышленных нужд в чистом виде. [3]

Нахколит в больших количествах встречается в центральных соляных пластах озера Сирлс (Калифорния), образуя тонкие пласты совместно с другими карбонатными и сульфатными минералими, кристаллизововшимися на последней стадии осолонения.[3]

Всего на Земле известны более 60 месторождений минералов соды и в 2012 году оценивались геологической службой США в 24 млрд.тон/[3]

Таблица 3. Мировые запасы минеральной соды

	Резервы, млн. тонн	Запасы, млн. тонн
США	23000,0	39000,0
Ботсвана	400,0	NA
Кения	7,0	NA
Мексика	200,0	450,0
Турция	200,0	240,0
Уганда	20,0	NA
Прочие	260,0	220,0
Всего природной кальцинированной соды	24000,0	40000,0

 

В США природная сода удовлетворяет более 40% потребности страны в этом полезном ископаемом. В России из-за отсутствия крупных месторождений карбонат натрия из минералов не добывается.[3]

В качестве сырья для производства синтетической соды используется галит  и природные рассолы, а так же хлорид натрия, получающийся в качестве отходов при производстве калийных удобрений из сильвинита.[4]

Хлорид натрия так же является сырьем в производстве каустической соды, хлора, соляной кислоты. [4]

Добыча соли ведется различными способами. К основным относятся 4 технологии: получение хлористого натрия в растворах, выпаривание соли на солнце (озерной и морской), подземная добыча каменной соли, производство вываренной соли вакуумным методом. [4]

Хлористый натрий выпускается в основном в виде растворов и выпаренной на солнце соли: на эти виды приходится по 35% мирового производства, доля каменной соли в мировом производстве составляет около 30%.[4]

Еще одним видом сырья, пригодным для производства соды является нефелин – породообразующий минерал, алюмосиликат калия и натрия (Na,K)AlSiO4. В больших количествах получается в качестве отхода при добыче апатита. Основное направление переработки нефелина – это производство глинозема, однако попутно из него получают и соду.[4]

Технологический процесс

В настоящее время в ряде стран практически весь искусственно производящийся карбонат натрия вырабатывается по методу Сольве (включая метод Хоу как модификацию).[5]

Химически этот процесс описывается следующими уравнениями:

CaCO3 →(t) CaO + CO2↑

CaO + H2O → Ca(OH)2

NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl

2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O

2NaHCO3 →(t) Na2CO3 + CO2↑ + H2O

На практике процесс проводят, вводя в почти насыщенный раствор хлорида натрия сначала аммиак, а потом диоксид углерода. Гидрокарбонат натрия выпадает в осадок, когда диоксид углерода вводится в раствор.[5]

Аммиак, находящийся всё время в круговороте, теоретически не должен расходоваться; неизбежные практические потери NH2 компенсируются вводом в процесс аммиачной воды. 
Единственным отходом производства является хлорид кальция, не имеющий широкого промышленного применения. Но и его можно переработать, подвергнув электролизу, и полученный кальций вернуть в производство, превратив назад в гашёную известь.[5]

Преимущества аммиачного способа производства соды: относительная дешевизна, широкая распространенность и доступность извлечения необходимого сырья; незначительность температур (до 100° C), при которых осуществляются основные реакции процесса; достаточная отлаженность способа производства соды; невысокая себестоимость кальцинированной соды.[5]

В России наряду со способом Сольве соду получают нефелиновым способом. Учитывая непостоянство состава нефелинового сырья для его переработки могут быть применены различные способы.[5]