Размещено на http://www.allbest.ru/

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. ___________

Специальность / направление подготовки 020101.65 Химия

Специализация / профиль Фармацевтическая химия

Форма обучения очная

Научный руководитель

Канд. Географических наук, доцент Ионова Н.В.

Новосибирск 2014

Оглавление

История

Состав и продукция отросли

Сырьевая база

Технологический процесс

Основные потребители

Факторы размещения и территориальной организации.

Современное состояние содовой промышленности

Современное состояние хлорной промышленности

Проблемы и перспективы развития

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

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

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

Рисунок 1 Производство соли по регионам мира в 1995 году

Рисунок 2 структура потребления соли

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

Рисунок 3. Схема получения соды методом Сольве

2NaHCO3 >(t) Na2CO3 + CO2^ + H2O

содовый хлорный промышленность потребление

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]

В качестве примера рассмотрим способ спекания. Этот способ включает: 1) производство глинозема с получением в качестве побочных продуктов содопоташного раствора и нефелинового шлама; 2) производство соды и поташа из содопоташного раствора; 3) производство цемента из нефелинового шлама.[5]

Рисунок 4. Схема переработки содопоташного раствора

На практике применяется также схема переработки содопоташных растворов без выделения сульфата калия и хлористого калия. В этом случае содержащийся в исходном растворе сульфат калия переходит в основном в соду, а тиосульфаты и хлориды в поташ, загрязняя эти продукты.[6]

В нашей стране этот способ успешно применяется также для переработки кияалтырских уртитов без предварительного обогащения, а также может быть применен для переработки других видов нефелинового сырья.[6]

Кальцинированная сода из нефелинового сырья должна удовлетворять требованиям ГОСТ 10689-75. Основные области применения этой соды: производство глинозема и никеля, стекольная и целлюлозно-бумажная промышленности.[6]

При электрохимическом производстве каустической соды выделяют три основных метода: диафрагменный, мембранный и ртутный. При этом большинство каустической соды производится диафрагменным методом.[6]

Раствор соли в диафрагменном электролизере непрерывно подаётся в анодное пространство и протекает через, как правило, нанесённую на стальную катодную сетку асбестовую диафрагму, в которую, иногда, добавляют небольшое количество полимерных волокон.[6]

Во многих конструкциях электролизеров катод полностью погружен под слой анолита (электролита из анодного пространства), а выделяющийся на катодной сетке водород отводится из под катода при помощи газоотводных труб, не проникая через диафрагму в анодное пространство благодаря противотоку.[6]

Противоток -- очень важная особенность устройства диафрагменного электролизера. Именно благодаря противоточному потоку направленному из анодного пространства в катодное через пористую диафрагму становится возможным раздельное получение щёлоков и хлора. Противоточный поток рассчитывается так, чтобы противодействовать диффузии и миграции OH- ионов в анодное пространство.[6]

Процесс описывается следующими уравнениями:

Анод: 2Cl? -- 2е? > Cl2^

Катод: 2H2O + 2e? > H2^ + 2OH?

Суммарно: 2NaCl + 2H2O > H2^ + Cl2^ + 2NaOH

В качестве анода в диафрагменных электролизерах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их в основном заменили титановые аноды с окисно-рутениево-титановым покрытием (аноды ОРТА) или другие малорасходуемые.[6]

Полученный гидроксид натрия сливают с осадка не прореагировавших солей и отправляю на сушку и грануляцию.[6]

Рисунок 5. Ванна электролизная с опущенной диафрагмой

1-- бетонное днище; 2 -- стальной катод; 3 -- бетонная крышка; 4 -- труба для подачи рассола; 5 -- труба для отвода хлора; 6 -- графитовые аноды; 7 -- штуцер для удаления водорода; 8 -- трубка для слива электролитического щелока; 9 -- медный токоведущий стержень.

Основные потребители

Одна из острых проблем содового производства - это связанное с ним экологическое загрязнение.[11]

В традиционной технологии кальцинированной соды на 1 тонну продукта приходятся следующие отходы: хлоридные стоки(состав: 115-125 г/л СаС12, 55-58 г/л NaCl и 20-25 г/л взвеси Са(ОН)2, СаСО3 и CaSO4)- около 9,1 м3, шлам от очистки рассола, содержащий 250-300 г/л взвеси Са(ОН)2 и Mg(OH)2 - 0,l м3, шлам дистилляции, недопал при обжиге мела или известняка, отделяемый в процессе получения известковой суспензии и содержащий СаСО3, СаО и золу топлива, около 55 кг. И хотя хлорид кальция используется в других отраслях промышленности, так или иначе идет рост площадей золоотвалов.[11]

Эту проблему несколько решает способ Хоу, однако хлорид аммония как удобрение имеет ограниченное сельскохозяйственное применение, а само содовое производство получает привязку к новому сырью - аммиаку.[6]

Экологически вредным является и хлорное производство, так как его продукты - хлор и гидроксид натрия - представляют собой агрессивные вещества. Другой крупный недостаток хлорного производства - это его высокие энерго- и фондоемкость. Энергоемкось выражается в больших затратах энергии на процесс электролиза, а фондоемкость - в быстром износе специфичного оборудования. [6]

Касательно перспектив развития можно отметить, что рост объемов производства синтетической соды будет только возрастать, что опять же связано с ростом населения. Увеличиваться так же будет и производство каустической соды, что в принципе неизбежно поднимет вопрос об утилизации хлора. Последний неизбежно возникнет в виду нарастания общемировых тенденций экологизации производства и перехода к биоразлагаемым материалам. [12]

Одним из примеров подобного перехода уже стал отказ от использования хлорированных пистицидов. Другой пример отказа от использования хлора - это ведущийся в мире поиск альтернативных способов обеззараживания воды.[12]

Список литературы

1. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М., «Химия», 1992.

2. Зайцев И.Д., ткач Г.А., Стоев Н.Д. Производство соды. - М.: Химия, 1986. - 312 с.

3. Шокин И.Н., Крашенинников С.А., Технология соды: Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1975. - 287 с.

4. Позина М.Б., Балабанович Я.К. Технология глинозема и щелочей. Л., 1979.

5. Фурмер И.Э., Зайцев В.Н. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1978.

6. Шухардин С.В., Ламан Н.К., Федоров А.С. 'Техника в ее историческом развитии' - Москва: 'Наука', 1979 - с.416

7. ГОСТ 5100-85: Сода кальцинированная техническая (натрий углекислый)

8. ГОСТ 2263-79: Натр едкий технический

9. ГОСТ 2156-76: Натрий двууглекислый. Технические условия

10. ГОСТ 84-76: Натрий углекислый 10-водный

11. ГОСТ 10689-75: Сода кальцинированная техническая из нефелинового сырья. Технические условия.

12. ГОСТ 450-77 Кальций хлористый технический. Технические условия.

Размещено на Allbest.ru