Đồ Án Môn Học Ch2000 Tìm Hiểu Quá Trình Sản Xuất Xoda Trong Công Nghiệp.pdf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.2 MB, 20 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC

BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA VÀ THỰCPHẨM

HÀ NỘI 2022

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

1.5.5. Chuyển hoá qua lại với natri bicacbonat theo phản ứng...5

CHƯƠNG 2: Ứng dụng của Sôđa trong quy mô công nghiệp...5

2.1. Ứng dụng trong thuỷ tinh...5

2.2. Ứng dụng trong chất tẩy rửa...6

2.3. Ứng dụng trong hoá chất...6

2.4. Một số ứng dụng khác...7

CHƯƠNG 3: Sản xuất Sôđa...7

3.1. Các phương pháp tổng hợp xođa ở quy mơ phịng thí nghiệm...7

3.2. Khai thác sô đa thiên nhiên...8

3.3. Phương pháp Leslanc :...9

3.4. Phương pháp Le Blanc :...9

3.5. Phương pháp cacbonat hóa xút...10

3.6. Phương pháp Solvay hay phương pháp amoniac :...10

3.6.1. Cơ sở lý thuyết của q trình sản xuất:...10

3.6.2. Điều chế muối amơn hóa:...11

3.6.3. Cacbon hóa nước muối amơn hóa:...11

3.6.4. Tái sinh amoniac:...12

3.7. Phương pháp Solvay cải tiến:...14

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Phần lớn các nước sản xuất sô đa hàng đầu thế giới đều có dân số lớn và nhu cầucao đối với các sản phẩm tiêu dùng được sản xuất từ nguyên liệu sơ đa. Nhìn chung, sovới các nước cơng nghiệp phát triển, các nước kém phát triển hơn có xu hướng có nhucầu sơ đa cao hơn và ngành sản xuất sô đa tại các nước này cũng thường đạt tốc độtăng trưởng cao hơn.

Chính vì nhu cầu cao nên sô đa được các nước trên thế giới tập trung phát triểnkhông ngừng. Để biết thêm thông tin về công dụng cũng như q trình điều chế sơ đatrong cơng nghiệp, nhóm chúng em xin trình bày về đề tài sản xuất sơ đa trong cơngnghiệp. Một cách nhìn tổng qt về sơ đa để mọi người có thể hiểu về nó một cách đơngiản nhất.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG 1:Tổng quan về Sơđa

1.1. Khái niệm

Natri cacbonat, hay cịn gọi là soda, là một sản phẩm khoáng chất tồn tại trongtự nhiên ở quặng trona, nacolit và trong nước khoáng giàu natri cacbonat hoặcnước biển. Soda được ứng dụng nhiều trong ngành cơng nghiệp hố chất

Hình 1: Natri Cacbonat

1.2. Lịch sử hình thành và phát triển

Cách đây 4000 năm người cổ đại Ai Cập đã biết lấy soda từ các hồ muối để sảnxuất thuỷ tinh. Từ các thế kỉ XV và XVI người ta dùng tro của rong biến để sản xuấtthuỷ tinh và xà phịng.

Trong sản xuất cơng nghiệp hiện nay, soda có một vị trí vơ cùng quan trọng. Nólen lỏi vào hầu hết q trình cơng nghiệp từ các ngành cơng nghiệp hố chất đến cơngnghiệp nặng, nhẹ…. đều cần sự có mặt của soda. Nhu cầu soda đứng thứ 11 tính vềsản lượng khi so với các hợp chất vô cơ, hữu cơ, kể cả hoá dầu. Bởi vậy, soda được đềcập sản xuất từ những năm 1775. Năm 1775, Viện Hàn lâm khoa học Pháp nêu giảithưởng cho phát minh tìm kiếm phương pháp sản xuất soda trong công nghiệp. Năm1773, Va-lơ đã đề ra phương pháp sản xuất xút bằng cách cho axit chì vào dung dịchmuối ăn đặc, theo phản ứng:

2NaCl + H O+ xPbO → 2NaO[(x-1)PbO].PbCl22

Phương pháp này không được ứng dụng trong cơng nghiệp vì nồng độ xút tạothành trong dung dịch rất nhỏ, mức độ chuyển hoá của phản ứng rất chậm, axit chì lạirất độc hại cho sức khỏe.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

⇒Phương pháp này chỉ mang tính chất lịch sử chứ khơng có tác dụng trongthực tiễn sản xuất.

Sau đó, Lê-bơ-lan đưa ra phương pháp chế tạo soda từ muối ăn, axit sunfuric vàđá vôi. Năm 1791, Lê-bơ-lan đã xây dựng nhà máy sản xuất soda theo phương phápcủa mình ở gần Paris: nung hỗn hợp natri sunfat, đá vôi và than ở 1000 Co

Na SO24 + 2C → Na S + 2CO22

Na2S + CaCO → CaS + Na32CO3

Từ đó phương pháp Lê-bơ-lan ngày càng hồn chỉnh và chiếm độc quyền trongcông nghiệp chế tạo các hợp chất kiềm. Phương pháp này tuy đã giải quyết được nhucầu công nghiệp ở thế kỉ XVIII nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm: sản phẩm chưatinh khiết, quá trình sản xuất phức tạp, nặng nhọc…

Năm 1861, Solvay - kỹ sư người Bỉ - đã phát minh ra phương pháp amoniac đểchế tạo soda. Năm 1865, công suất xưởng chế tạo soda theo phương pháp Solvay đạt10 tấn/ngày. Phương pháp Solvay lúc đầu chịu sự cạnh tranh mạnh từ phương phápLê-bơ-lan. Sau đó, do tính u việt về sự thuần khiết của sản phẩm, giá thành thấp,điều kiện làm việc nhẹ nhàng, không bao lâu sau phương pháp Solvay đã chiếm đượcưu thế và phát triển mạnh. Cho đến năm 1900, sản xuất soda theo phương pháp nàychiếm tới 90% tổng sản lượng soda, và cho đến sau chiến tranh thế giới thứ nhất,phương pháp Lê-bơ-lan thực tế không cịn tồn tại trong cơng nghiệp. Hiện nay trongcơng nghiệp tồn tại chủ yếu phương pháp amoniac, còn phương pháp Lê-bơ-lan chỉtồn tại ở một vài khâu trong quá trình cải tiến phương pháp soda từ nguyên liệu natrisunfat.

1.3. Các nguồn soda trong tự nhiên

Soda hay hợp chất kiềm tồn tại trong tự nhiên, trong đó có hai dạng có thể khaithác dễ dàng:

Từ dạng rêu biển ở một số vùng đại dương miền Tây Nam Tây Ban Nha có tới25-30% Na2CO3trong tro.

Từ các hồ hoặc các mỏ ở những vùng thung lũng có mưa nhiều, khơng khí khơvà gần núi đá vơi. Các hợp chất kiềm khi đó nằm ở dạng các muối ngậm nước:Na CO .nH232O, Na2CO .2H O.32

Nói chung các dạng hợp chất kiềm này ở dạng không tinh khiết, chứa nhiều hợpchất tan của các muối clorua, sunfat và các chất không tan. Một số nơi trên thế giới cócác hồ và mỏ lớn natri cacbonat: Magafdi ở Châu Phi, Bora, Tơ-ron ở Châu Mỹ, vùngCát Biên ở Châu Âu, Lu-na ở Ấn Độ… Hiện nay nguồn cacbon ở trong thiên nhiênvẫn được sử dụng, khai thác và chế biến để dùng vào các ngành công nghiệp hoá chấtvà luyện kim. Năm 1926 ở Mỹ xây dựng nhà máy chế biến natri cacbonat thiên nhiên

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

theo phương pháp bốc hơi tự nhiên và nhân tạo dung dịch nước hồ chứa natri cacbonattới nồng độ 12-14% rồi đem kết tinh.

Những nơi có natri cacbonat nằm sâu dưới đất người ta khai thác bằng cách chonước nóng xuống giếng khoan hồ tan tới nồng độ Na2CO3 đạt 32 độ Bo-me thì đưalên mặt đất và đem kết tinh. Muốn được sản phẩm tinh khiết phải hồ tan ra và kết tinhphân đoạn. Nhờ đó soda khai thác ở tự nhiên vẫn có độ tinh khiết cao so với cácphương pháp tổng hợp hiện nay.

1.4. Tính chất vật lý

Na CO23 khan là chất bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở 851 C, nóng chảyo

khơng phân huỷ tới 853 C, cao hơn nhiệt độ này thì bắt đầu phân huỷ,o

D=2,54g/cm3 (thể rắn), M=105,9872 g/mol, điểm sôi là 1600 C (1870K), độo

hoà tan trong nước là 22g/100ml (20oC)

Na CO23 dễ tan trong nước, khi tan phát ra nhiều nhiệt do tạo thành hydrat. Từtrong dung dịch:

Dưới 32,5 C natri cacbonat kết tinh tạo Nao O. Đây là những

Đến 107 C thì mất nước hồn tồn thành soda khano

Độ tan của các hydrat chứa nhiều phân tử nước tăng theo nhiệt độ, cịnmonohydrat thì ngược lại.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Natri cacbonat tác dụng với muối tạo thành hai muối mới:Na CO23 + BaCl → 2NaCl + BaCO23

1.5.5. Chuyển hoá qua lại với natri bicacbonat theo phản ứng

dùng để tẩy sạch vết dầu mỡ bám trên các chi tiết máy trước khi sơn, tráng kim loại.

2.1. Ứng dụng trong thuỷ tinh

Soda chiếm 13 - 15% trong số nguyên liệu được đưa vào trong sản xuất thuỷtinh, nó được sử dụng để nấu thuỷ tinh, làm giảm nhiệt độ nấu chảy của cát silic trongquá trình nấu chảy và làm tăng tính mềm dẻo. Mặc dù Soda chỉ chiếm khối lượng lớnthứ hai trong sản xuất thuỷ tinh, nhưng nó lại chiếm tới 50 - 60% tổng chi phí nguyênliệu đầu vào.

VD: Thuỷ tinh Soda lime

Hình 2: Thủy tinh soda lime

Ưu điểm:

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Sản xuất trên lò thuỷ tinh có cơng nghệ điện trợ nấu đầu tiên tại ViệtNam.

Sản phẩm đạt tiêu chuẩn RoHS, bảo vệ môi trường.

Thuỷ tinh chất lượng cao giúp tăng hiệu suất phát quang của đènCó thể sản xuất theo đơn đặt hàng, đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu

2.2. Ứng dụng trong chất tẩy rửa

Soda được sử dụng làm chất độn và chất phụ gia trong xà phòng và chất tẩyrửa; đặc biệt nhu cầu soda cho chất tẩy rửa chiếm khoảng 10 - 12% trên toàn thế giới.Hiện mức tiêu thụ soda cho thị trường chất tẩy rửa đã tăng khoảng 100 nghìn tấn/nămdo giảm sử dụng perborat (vì đã được thay thế bằng peracacbonat)

Hình 3: Các loại chất tẩy rửa

2.3. Ứng dụng trong hoá chất

Soda được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm hoá chất gốc natri,chiếm 30% nhu cầu. Các sản phẩm hoá chất này được sử dụng trong nhiều ứng dụngnhư: nông nghiệp, tác nhân làm sạch và phụ gia thực phẩm. Mặc dù, đôi khi xút lỏngcũng được dùng thay thế cho soda nhưng soda vẫn là lựa chọn chính vì sẵn có và chiphí thấp.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hình 4: Phụ gia thực phẩm

2.4. Một số ứng dụng khác

Soda ứng dụng trong xử lý nước bể bơi, có dạng bột rắn, màu trắng,tan nhanhtrong nước, tuy nhiên có mùi rất nồng. Soda có tác dụng làm tăng độ pH chonước bể bơi, trả lại mức cân bằng cho nước bể bơi, tránh sự kết tủa mảng bám,không tạo môi trường cho các vi sinh vật hay hại khuẩn, rêu tảo phát triển.

Dùng để lau chùi dụng cụ nhà bếp, tẩy rửa các khu vực cần vệ sinh nhờ tínhnăng mài mịn

Natri bicacbonat với tên thường gặp trong đời sống là sơ đa hay bột nở có tácdụng tạo xốp, giịn cho thức ăn và ngồi ra cịn có tác dụng làm đẹp cho bánh.

Dùng để tạo bọt và tăng pH trong các loại thuốc sủi bọt (ví dụ thuốc nhức đầu, v.v.)

Baking soda được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm và nhiều ứng dụng khác, nhưng cần chọn mua loại tinh khiết khi dùng với thực phẩm.

Vì khi gặp nhiệt độ nóng hay tác dụng với chất có tính acid, baking soda sẽ giải phóng ra khí CO2 (carbon dioxide/khí cacbonic), do đó nó thường được dùng trong nấu ăn, tạo xốp cho nhiều loại bánh như cookies, muffin, biscuits, quẩy…, thêm vào sốt cà chua hay nước chanh để làm giảm nồng độ acid, hoặc cho vào nước ngâm đậu hay lúc nấu sẽ làm giảm thời gian chế biến, đậu mềm ngon và hạn chế tình trạng bị đầy hơi khi ăn các loại hạt đậu, đỗ. Baking soda cũng rất hiệu quả khi được dùng để chế biến các món thịt hầm hay gân, cơ bắp động vật tương tự như nấu đậu, có được điều đó là do khí cacbonic khi được giải phóng đã ngấm vào và làm mềm các loại thực phẩm.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Trong y tế, baking soda còn được dùng trung hòa acid chữa đau dạ dày; dùng làm nước xúc miệng hay sử dụng trực tiếp chà lên răng để loại bỏ mảng bám vàlàm trắng…

Ngoài sử dụng trực tiếp cho con người, soda còn được dùng lau chùi dụng cụ nhà bếp, tẩy rửa các khu vực cần vệ sinh nhờ tính năng mài mịn, tác dụng với một số chất (đóng cặn), rắc vào các khu vực xung quanh nhà để chống một số loại côn trùng.

Baking soda dùng trong thực phẩm là loại tinh khiết, có thể mua ở hiệu thuốc, nơi bán những dụng cụ làm bánh với những hãng uy tín.

CHƯƠNG 3: Sản xuất Sơđa

3.1. Các phương pháp tổng hợp xođa ở quy mơ phịng thí nghiệm

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 + CO 2→ Na2CO3+ H O2

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 Na2CO .xH32O. 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, sơđa sản xuất theo phương pháp hóa học chỉ chiếm dưới 10% tổng sản lượng sôđa tổng hợp trên thế giới.

3.2. Khai thác sô đa thiên nhiên.

Sô đa thiên nhiên nằm dưới dạng các dung dịch nước có chứa các muối khống, trong đó có khống Na2CO3 hịa tan. Trong các nguồn nước khống chứa sơ đa thì hồ Sirlis thuộc bang California, Mỹ có chứa 4 -6% Na2CO3 là nguồn khai thác sôđa thiên nhiên lớn nhất thế giới do Công ty American Potash and - Chemical Corp khaithác. Với công suất 160.000 tấn sơ 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.Sơđa 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 khống dưới đất.Các loại cây chứa sơđa hàm lượng thấp khơng có ý nghĩa khai thác cơng nghiệp. Người ta chỉ tách được sôđa từ tro của chúng sau khi

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

đốt cháy. Các loại hồ nước chứa sôđa trên thế giới không nhiều và tập trung ở những vùng ít mưa và khơng khí khơ.Trước đây, ở Mỹ người ta sản xuất sơđa 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 cơng nghệ hịa tan để sản xuất sơđa từ quặng. Trước tiên, nước nóng

Công Nghệ Sản Xuất Các Chất Vô Cơ Cơ Bản được bơm vào mỏ quặng, sau đó người ta bơm dung dịch lên và tiến hành tách CO . Bùn chứa Na22CO3 thu được sẽ được bơm đến nhà máy xử lý để tách nước và lấy sản phẩm sơđa khan. Một phần sơđa khan được chuyển hóa ngược lại thành NaHCO nhờ phản ứng với CO đã được tách 32

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 cơng chỉ bằng 1/3 so với phương pháp đào lấy quặng trực tiếp từ mặt đất. Mặc dù sản xuất sôđa từ các khống thiên nhiên như trong,nahcolit có nhiều ưu điểm và giá thành hạ hơn, nhưng đối với những quốc gia khơng có những nguồn tài ngun đó mà lại có nguồn đá vơi, than đá và muối ăn dồi dào thì phương pháp Solvay để sản xuất sơđa là cơng nghệ thích hợp nhất.

Nung nóng chảy với CaCO , C theo tỷ lệ:3

Na SO24 : CaCO : C = 1:1:0,5 ta có3

Na SO24 + CaCO + 2C 3 t °

→ CaS + 2CO + Na22CO3

Sản phẩm nung ra khỏi lò gồm hỗn hợp các muối hòa tan: Na2CO3, Na S, 2

NaOH và các muối khơng tan CaS đem nghiền nhỏ, hịa tan trong nước. Khi đó các

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

muối hòa tan sẽ chuyển vào trong dung dịch. Bã còn lại gồm các chất không tan và tạpchất được lọc đem chế biến thu hồi lưu huỳnh trong CaS. nước lọc đem cacbonat hóa bằng CO để chuyển tồn bộ Na2S, NaOH có lẫn trong dung dịch về dạng cacbonat:2

Na2S + CO + H O 22 → Na2CO3 + H S2 ↑2NaOH + CO 2→ Na2CO3 + H O (sục CO có khống chế )22

Dung dịch sau khi cacbonat hóa đem cơ đặc sẽ thu được soda tinh thể. Bã còn lại sau khi lọc chứa chủ yếu CaS đem khuấy vào nước, thổi CO2 vào ởáp lực thì lưu huỳnh giải phóng ra dưới dạng H2S:

CaS + CO2 + H2O →CaCO3 + H S2 ↑

H S thu được đem đốt nóng trong lị có axit sắt, axit nhôm làm xúc tác sẽ tạo 2

ra lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric.

Như vậy phương pháp Le Blanc tuy đã được giải quyết được nhu cầu về sử dụng soda ở thế kỷ 18 nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm, đó là sản phẩm chưa tinh khiết, q trình sản xuất nặng nhọc, kỹ thuật thủ cơng chưa thể tự động hóa, chất thải lớn gây ơ nhiễm môi trường, hiệu suất phản ứng không cao dẫn đến giá thành cao, khơng có cơ hội cạnh tranh.

3.5. Phương pháp cacbonat hóa xút

Phương pháp cacbonat hóa xút là phương pháp đơn giản nhất, chỉ cần dùng CO2 sục qua dung dịch xút sẽ thu được soda theo phản ứng:

CO2 + NaOH → Na2CO3 + H O2

Sau đó làm nguội và kết tinh Na2CO .10H32O rồi lọc tách và làm mất nước sẽ thu được soda. Tuy nhiên nguyên liệu xút lại đắt hơn soda do phải qua giai 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.

3.6. Phương pháp Solvay hay phương pháp amoniac :

Năm 1861 Solvay ( Kĩ sư người Bỉ ) đã phát minh ra phương pháp sản xuất soda từ muối ăn, đá vôi, dùng amoniac là tác nhân chuyển hóa trung gian. Nguyên liệuđầu là dung dịch NaCl, chuyển hóa bằng amoniac và khí CO để tạo thành sản phẩm 2

trung gian NaHCO3

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

Quá trình điều chế Na2CO3 thực hiện qua 2 giai đoạn:Điều chế NaHCO :3

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

NaCl + NH + CO + H O 322 → NaHCO + NH Cl (1)34

Từ NaHCO điều chế NaCO :33

2NaHCO3⇌ Na2CO3 + CO +H O (2)22

Phản ứng (1) tạo thành NaHCO có hiệu suất cao nhất 30-32% và dưới 84%. 3

CO2 được điều chế từ phản ứng nung vơi:

Theo lí thuyết thì NH khơng bị tiêu hao, do vậy trong thực tế nguyên liệu chủ 3

yếu để điều chế Na2CO3 là NaCl và đá vôi.

Dung dịch NaCl khoảng 310 - 350g/l cần phải loại bỏ các ion Ca và Mg2+2+.