Процесс Solvay

редактировать

процесс Солвея или аммиачно-содовый процесс является основным промышленным процессом производства натрия. карбонат (кальцинированная сода, Na 2CO3). Аммиачно-содовый процесс был разработан в его современной форме бельгийским химиком Эрнестом Сольве в 1860-х годах. Ингредиенты для этого легко доступны и недороги: соль рассол (из внутренних источников или из моря) и известняк (из карьеров). Мировое производство кальцинированной соды в 2005 году оценивается в 42 миллиона метрических тонн, что составляет более шести килограммов (13 фунтов) в год на каждого человека на Земле. Химические заводы, расположенные в Сольве, в настоящее время производят примерно три четверти этого предложения, а оставшаяся часть добывается из природных месторождений. Этот метод заменил процесс Леблана.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Химия
  • 3 Побочные продукты и отходы
  • 4 Связывание углерода и процесс Solvay
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

История

Название «кальцинированная сода» основано на основном историческом методе получения щелочи, который заключался в использовании воды для извлечения ее из золу некоторых растений. В результате лесных пожаров образовался калий и его преобладающий ингредиент карбонат калия (K2CO3), тогда как из золы этих специальных растений образовалась «кальцинированная сода» и ее преобладающий ингредиент карбонат натрия (Na 2CO3). Слово «сода» (от среднего латинского) первоначально относилось к некоторым растениям, которые растут в растворах соли; было обнаружено, что пепел этих растений давал полезную кальцинированную соду. Выращивание таких растений достигло особенно высокого уровня развития в XVIII веке в Испании, где растения получили название баррильи; английское слово - «barilla ». Из пепла водорослей также образуется кальцинированная сода, которая была основой огромной промышленности 18 века в Шотландии. Щелочь также добывали из высохших озер в Египте.

К концу 18 века этих источников было недостаточно для удовлетворения растущего спроса Европы на щелочь для производства мыла, текстиля и стекла. В 1791 году французский врач Николя Леблан разработал метод производства кальцинированной соды с использованием соли, известняка, серной кислоты и угля. Хотя процесс Леблана стал доминировать в производстве щелочи в начале 19 века, стоимость его вводимых ресурсов и побочных продуктов, загрязняющих его (включая хлористый водород газ), показала, что он далек от идеальный раствор.

Сообщалось, что в 1811 году французский физик Огюстен Жан Френель обнаружил, что бикарбонат натрия осаждается, когда диоксид углерода пропускается через аммиаксодержащие рассолы, что является центральной химической реакцией. к процессу Сольвея. Открытие не было опубликовано. Как отмечал Десмонд Рейли, «История эволюции аммонийно-содового процесса является интересным примером того, как открытие может быть сделано, а затем отложено в сторону и не применено в течение значительного времени после этого». Серьезное рассмотрение этой реакции как основы промышленного процесса восходит к британскому патенту, выданному в 1834 г. Х. Г. Дьяру и Дж. Хеммингу. Было несколько попыток уменьшить эту реакцию на производственную практику, но с переменным успехом.

В 1861 г. бельгийский промышленный химик Эрнест Сольвей обратил свое внимание на эту проблему; он, по-видимому, в значительной степени не знал об обширной более ранней работе. Его решение - 24-метровая газопоглощающая башня, в которой углекислый газ барботирует через нисходящий поток рассола. Это, вместе с эффективной рекуперацией и переработкой аммиака, оказалось эффективным. К 1864 году Сольвей и его брат Альфред получили финансовую поддержку и построили завод в Couillet, сегодня пригород бельгийского города Шарлеруа. Новый процесс оказался более экономичным и менее загрязняющим, чем метод Леблана, и его использование распространилось. В 1874 году компания Solvays расширила свои производственные мощности, открыв новый, более крупный завод в Нанси, Франция.

В том же году Людвиг Монд посетил Solvay в Бельгии и получил права на использование новой технологии. Он и Джон Бруннер основали фирму Brunner, Mond Co. и построили завод Solvay в Виннингтоне, около Нортвича, Чешир, Англия. Завод начал работать в 1874 году. Монд сыграл важную роль в коммерческом успехе процесса Solvay. В период с 1873 по 1880 год он внес несколько усовершенствований, удалив побочные продукты, которые могли замедлить или остановить процесс.

В 1884 году братья Солвей лицензировали американцев Уильяма Б. Когсвелла и Роуленда Хазарда на производство кальцинированной соды в США и создали совместное предприятие (Solvay Process Company ) для строительства и эксплуатации завода. завод в Солвей, Нью-Йорк.

Завод Solvay Process в Солвей, Нью-Йорк ; Канал Эри проходил через этот завод примерно до 1917 года. Из коллекции Сольвей-процесса Публичной библиотеки Сольвея, Нью-Йорк.

К 1890-м годам заводы Сольвей-процесса производили большую часть мировой соды ясень.

В 1938 году вблизи Грин-Ривер в Вайоминг были обнаружены крупные залежи минерала трона, из которых карбонат натрия можно добыть дешевле, чем производятся в процессе. После закрытия первоначального завода Solvay, штат Нью-Йорк, в 1986 году, в Северной Америке не было заводов в Solvay. Во всем остальном мире процесс Solvay остается основным источником кальцинированной соды.

Химия

Химия процесса Сольвея. Каждый кружок представляет реакцию. Процесс Сольвея как пример циклического процесса в химической промышленности (зеленый = реагенты, черный = промежуточные продукты, красный = продукты)

Процесс Сольвея приводит к получению кальцинированной соды (преимущественно карбонат натрия (Na 2CO3)) из рассола (в качестве источника хлорида натрия (NaCl)) и из известняка (в качестве источника карбоната кальция (CaCO 3)). Общий процесс таков:

2 NaCl + CaCO 3 → Na 2CO3+ CaCl 2

Фактическая реализация этой глобальной, общей реакции сложна. Упрощенное описание может быть дано с использованием четырех различных взаимодействующих химических реакций, показанных на рисунке. На первой стадии процесса диоксид углерода (CO 2) проходит через концентрированный водный раствор хлорида натрия (поваренная соль, NaCl) и аммиак ( NH 3).

NaCl + CO 2 + NH 3 + H 2 O ⟶ NaHCO 3 + NH 4 Cl {\ displaystyle {\ ce {NaCl + CO2 + NH3 + H2O ->NaHCO3 + NH4Cl}}}{\displaystyle {\ce {NaCl + CO2 + NH3 + H2O ->NaHCO3 + NH4Cl}}} --- ( I)

В промышленной практике реакция осуществляется путем пропускания концентрированного рассола (соленой воды) через две колонны. В первой аммиак пузырится через рассол и поглощается им. Во второй пузырится двуокись углерода. через аммонизированный рассол, и бикарбонат натрия (пищевая сода) осаждается из раствора. Обратите внимание, что в основном растворе NaHCO 3 менее растворим в воде, чем хлорид натрия. Аммиак (NH 3) буферизует раствор при основном (высоком) pH ; без аммиака соляная кислота побочный продукт сделает раствор кислым и остановит осаждение. Здесь NH 4 вместе с аммиачным рассолом действует как «моль эр ликер ".

Необходимый аммиачный «катализатор» реакции (I) регенерируется на более поздней стадии, и расходуется относительно мало аммиака. Диоксид углерода, необходимый для реакции (I), получают нагреванием («прокаливание ») известняка при 950–1100 ° C и прокаливанием бикарбоната натрия (см. Ниже). Карбонат кальция (CaCO 3) в известняке частично превращается в негашеную известь (оксид кальция (CaO)) и диоксид углерода:

CaCO 3 ⟶ CO 2 + CaO {\ displaystyle {\ ce {CaCO3 ->CO2 + CaO}}}{\displaystyle {\ce {CaCO3 ->CO2 + CaO}}} --- (II)

Бикарбонат натрия (NaHCO 3), который выпадает в осадок в реакции (I), отфильтровывается из горячего раствора хлорида аммония (NH 4 Cl), и раствор затем реагирует с негашеной известью (оксид кальция (CaO)), оставшейся после нагревания известняка на стадии (II

2 NH 4 Cl + CaO ⟶ 2 NH 3 + CaCl 2 + H 2 O {\ displaystyle {\ ce {2 NH4Cl + CaO ->2 NH3 + CaCl2 + H2O}}}{\displaystyle {\ce {2 NH4Cl + CaO ->2 NH3 + CaCl2 + H2O}}} --- (III)

CaO образует сильный щелочной раствор. Аммиак из реакции (III) рециркулируют обратно в исходный солевой раствор реакции (I).

Осадок бикарбоната натрия (NaHCO 3) из реакции (I) затем превращают в конечный продукт, карбонат натрия (промывочная сода: Na 2CO3), путем прокаливания. (160–230 ° C) с образованием воды и диоксида углерода в качестве побочных продуктов:

2 NaHCO 3 ⟶ Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 {\ displaystyle {\ ce {2 NaHCO3 ->Na2CO3 + H2O + CO2}}}{\displaystyle {\ce {2 NaHCO3 ->Na2CO3 + H2O + CO2}}} --- (IV)

Углекислый газ, полученный на этапе (IV), восстанавливается для повторного использования на этапе (I). При правильной конструкции и эксплуатации установка Solvay может регенерирует почти весь свой аммиак и потребляет лишь небольшое количество дополнительного аммиака, чтобы восполнить потери. Единственными основными входами в процесс Solvay являются соль, известняк и тепловая энергия, а его единственный крупный побочный продукт - хлорид кальция, который иногда продается как дорожная соль.

. В модифицированном процессе Solvay разработан китайским химиком Хоу Дэбэном в 1930-х годах, первые несколько шагов такие же, как и в процессе Сольвея. Однако CaCl 2 заменяется хлоридом аммония (NH 4 Cl). Вместо того, чтобы обрабатывать оставшийся раствор известью, в раствор закачивают диоксид углерода и аммиак, затем добавляют хлорид натрия до тех пор, пока раствор не насыщается при 40 ° C. Далее раствор охлаждают до 10 ° С. Хлорид аммония выпадает в осадок и удаляется фильтрованием, а раствор рециркулируется для получения большего количества карбоната натрия. Процесс Хоу исключает производство хлорида кальция. Побочный продукт хлорида аммония может быть очищен, использован в качестве удобрения и может иметь более высокую коммерческую ценность, чем CaCl 2, таким образом уменьшая площадь скоплений отходов.

Дополнительная информация о промышленном внедрении этого процесса доступна в отчете, подготовленном для Европейской ассоциации производителей кальцинированной соды.

Побочные продукты и отходы

Основной побочный продукт Solvay Процесс представляет собой хлорид кальция (CaCl 2) в водном растворе. В процессе присутствуют также другие отходы и побочные продукты. Не весь кальцинированный известняк превращается в негашеную известь и диоксид углерода (в реакции II); остаточный карбонат кальция и другие компоненты известняка становятся отходами. Кроме того, солевой раствор, используемый в процессе, обычно очищается от ионов магния и кальция, обычно с образованием карбонатов; в противном случае эти примеси могут привести к образованию накипи в различных реакционных сосудах и башнях. Эти карбонаты являются дополнительными отходами.

На заводах во внутренних водах, например, в Солвей, Нью-Йорк, побочные продукты складывались в «отстойники»; вес материала, осажденного на этих свалках, превышал вес произведенной кальцинированной соды примерно на 50%. Эти отходы привели к загрязнению воды, в основном кальцием и хлоридом. Пустоши в Солвей, штат Нью-Йорк, существенно увеличили соленость в близлежащем озере Онондага, которое раньше было одним из самых загрязненных озер в США и является местом загрязнения суперфонда. По мере того, как такие пустоши стареют, они начинают поддерживать растительные сообщества, которые были предметом нескольких научных исследований.

В прибрежных районах, например в Саураштра, Гуджарат, Индия, Раствор CaCl 2 может сбрасываться непосредственно в море, очевидно, без существенного ущерба для окружающей среды, основная проблема заключается в том, что место сброса находится в пределах морского национального парка залива Кач, который служит средой обитания для коралловых рифов, водорослей и водорослей. сообщество. В Осборне, Южная Австралия, отстойник теперь используется для удаления 99% CaCl 2, поскольку предыдущие выбросы заиливали судоходный канал. В Rosignano Solvay в Тоскане, Италия, известняковые отходы, производимые фабрикой Solvay, изменили ландшафт, создав «Spiagge Bianche» («Белые пляжи»). В отчете, опубликованном в 1999 году Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП), Spiagge Bianche назван в числе приоритетных очагов загрязнения в прибрежных районах Средиземного моря.

Связывание углерода и процесс Сольвея

Для связывания углерода были предложены варианты процесса Сольвея. Одна из идей состоит в том, чтобы вступить в реакцию с углекислым газом, образующимся, возможно, при сгорании угля, с образованием твердых карбонатов (таких как бикарбонат натрия), которые можно было бы хранить постоянно, что позволяет избежать выброса углекислого газа в атмосферу. Процесс Сольвея может быть изменен для получения общей реакции:

2 NaCl + CaCO 3 + CO. 2+ H. 2O → 2NaHCO 3 + CaCl 2

Для преобразования выбросов углекислого газа в карбонаты натрия были предложены варианты процесса Solvay, но связывание углерода карбонатами кальция или магния представляется более перспективным. Однако количество углекислого газа, истощенного человечеством, по сравнению с количеством, которое может быть использовано для связывания углерода с кальцием или магнием, очень мало. Более того, изменение процесса Solvay, скорее всего, добавит дополнительную энергетическую ступень, которая увеличит выбросы диоксида углерода..

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-08 09:13:18
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте