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

Năm 1773, Va-lơ đã đề ra phương pháp sản xuất xút bằng cách cho axit chì vào dung dịch muối ăn đặc, theo phản ứng: 2NaCl + H O+ xPbO → 2NaO[x-1PbO].PbCl2 2 Phương pháp này không được ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC

PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH2000

TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XODA TRONG CÔNG

NGHIỆP

Sinh viên: Phạm Hoàng Nhật -20211935 Đinh Thị Lâm Oanh -20211945

Lê Thị Thu Oanh -20211946 Phùng Xuân Phong -20211956 Trần Lâm Phong -20211957 Lớp, khóa : Nhập môn KTHH – K66 GVHD : ThS Đặng Thị Tuyết Ngân

HÀ NỘI 2022

Mục Lục:

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1:Tổng quan về Sôđa 2

1.1 Khái niệm 2

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.3 Các nguồn soda trong tự nhiên 3

1.4 Tính chất vật lý 4

1.5 Tính chất hoá học 4

1.5.1 Tác dụng với nước 4

1.5.2 Tác dụng với axit mạnh 4

1.5.3 Tác dụng với base 4

1.5.4 Tác dụng với muối 4

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 mô phòng 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 quá trình sản xuất: 10

3.6.2 Điều chế muối amôn hóa: 11

3.6.3 Cacbon hóa nước muối amôn hóa: 11

3.6.4 Tái sinh amoniac: 12

3.7 Phương pháp Solvay cải tiến: 14

LỜI MỞ ĐẦU

Sô đa là mặt hàng hóa chất mà lượng tiêu thụ có xu hướng tăng, tăng tỷ lệ thuận với tỷ lệ tăng dân số và tốc độ tăng trưởng sản phẩm quốc dân của các nước

Nhu cầu sôđa ngày càng tăng khi nền công nghiệp ngày càng phát triển Vì vậy sản lượng sô đa tăng liên tục trong vòng 100 năm nay

Trên thế giới hiện nay có 9 nước có công suất sản xuất sô đa trên 1 triệu tấn/ năm là: Mỹ, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Đức, Pháp, Italia, Ba Lan và Anh

Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, sô đa có một vị trí rất quan trong Nó len lỏi vào hầu hết quá trình công nghiệp từ các ngành công nghiệp hóa chất đến công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, … đều cần sự có mặt của sô đa Nhu cầu sô đa đứng thứ 11 tính về sản lượng khi so với các hợp chất vô cơ, hữu cơ, kể cả hóa dầu Phần lớn các nước sản xuất sô đa hàng đầu thế giới đều có dân số lớn và nhu cầu cao đối với các sản phẩm tiêu dùng được sản xuất từ nguyên liệu sô đa Nhìn chung, so với các nước công nghiệp phát triển, các nước kém phát triển hơn có xu hướng có nhu cầu sô đa cao hơn và ngành sản xuất sô đa tại các nước này cũng thường đạt tốc độ tăng trưởng cao hơn

Chính vì nhu cầu cao nên sô đa được các nước trên thế giới tập trung phát triển không ngừng Để biết thêm thông tin về công dụng cũng như quá trình điều chế sô đa trong công nghiệp, nhóm chúng em xin trình bày về đề tài sản xuất sô đa trong công nghiệp 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 Sôđa

1.1 Khái niệm

Natri cacbonat, hay còn gọi là soda, là một sản phẩm khoáng chất tồn tại trong

tự nhiên ở quặng trona, nacolit và trong nước khoáng giàu natri cacbonat hoặc nước biển Soda được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp hoá 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 sản xuất thuỷ tinh Từ các thế kỉ XV và XVI người ta dùng tro của rong biến để sản xuất thuỷ tinh và xà phòng

Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, soda có một vị trí vô cùng quan trọng Nó len lỏi vào hầu hết quá trình công nghiệp từ các ngành công nghiệp hoá chất đến công nghiệp nặng, 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 vậy, 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 Năm

1773, Va-lơ đã đề ra phương pháp sản xuất xút bằng cách cho axit chì vào dung dịch muối ăn đặc, theo phản ứng:

2NaCl + H O+ xPbO → 2NaO[(x-1)PbO].PbCl2 2

Phương pháp này không được ứng dụng trong công nghiệp vì nồng độ xút tạo thành trong dung dịch rất nhỏ, mức độ chuyển hoá của phản ứng rất chậm, axit chì lại rất độc hại cho sức khỏe

⇒Phương pháp này chỉ mang tính chất lịch sử chứ không có tác dụng trong thực tiễn sản xuất

Sau đó, Lê-bơ-lan đưa ra phương pháp chế tạo soda từ muối ăn, axit sunfuric và

đá vôi Năm 1791, Lê-bơ-lan đã xây dựng nhà máy sản xuất soda theo phương pháp của mình ở gần Paris: nung hỗn hợp natri sunfat, đá vôi và than ở 1000 Co

Na SO2 4 + 2C → Na S + 2CO2 2

Na2S + CaCO → CaS + Na3 2CO3

Từ đó phương pháp Lê-bơ-lan ngày càng hoàn chỉnh và chiếm độc quyền trong công nghiệp chế tạo các hợp chất kiềm Phương pháp này tuy đã giải quyết được nhu cầu công nghiệp ở thế kỉ XVIII nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm: 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 tạo soda Năm 1865, công suất xưởng chế tạo soda theo phương pháp Solvay đạt

10 tấn/ngày Phương pháp Solvay lúc đầu chịu sự cạnh tranh mạnh từ phương pháp Lê-bơ-lan Sau đó, do tính yêu 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 được

ưu thế và phát triển mạnh Cho đến năm 1900, sản xuất soda theo phương pháp này chiếm tới 90% tổng sản lượng soda, và cho đến sau chiến tranh thế giới thứ nhất, phương pháp Lê-bơ-lan thực tế không còn tồn tại trong công nghiệp Hiện nay trong công nghiệp tồn tại chủ yếu phương pháp amoniac, còn phương pháp Lê-bơ-lan chỉ tồn tại ở một vài khâu trong quá trình cải tiến phương pháp soda từ nguyên liệu natri sunfat

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 khai thác dễ dàng:

Từ dạng rêu biển ở một số vùng đại dương miền Tây Nam Tây Ban Nha có tới 25-30% Na2CO3trong tro

Từ các hồ hoặc các mỏ ở những vùng thung lũng có mưa nhiều, không khí khô

và gần núi đá vôi Các hợp chất kiềm khi đó nằm ở dạng các muối ngậm nước:

Na CO nH2 3 2O, Na2CO 2H O.3 2

Nói chung các dạng hợp chất kiềm này ở dạng không tinh khiết, chứa nhiều hợp chất tan của các muối clorua, sunfat và các chất không tan Một số nơi trên thế giới có các hồ và mỏ lớn natri cacbonat: Magafdi ở Châu Phi, Bora, Tơ-ron ở Châu Mỹ, vùng Cát Biên ở Châu Âu, Lu-na ở Ấn Độ… Hiện nay nguồn cacbon ở trong thiên nhiên vẫn được sử dụng, khai thác và chế biến để dùng vào các ngành công nghiệp hoá chất

và luyện kim Năm 1926 ở Mỹ xây dựng nhà máy chế biến natri cacbonat thiên nhiên

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

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

1.4 Tính chất vật lý

Na CO2 3 khan là chất bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở 851 C, nóng chảyo

không 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 CO2 3 dễ tan trong nước, khi tan phát ra nhiều nhiệt do tạo thành hydrat Từ trong dung dịch:

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

2CO 10H3 2

tinh thể đơn tà trong suốt, không màu, dễ tan trong nước và nóng chảy trong nước kết tinh

Giữa khoảng 32,5-37,7 C tạo Nao

2CO 7H O3 2

Trên 37,5 C biến thành Nao

2CO H O3 2

Đến 107 C thì mất nước hoàn toàn thành soda khano

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

1.5 Tính chất hoá học

Natri cacbonat khi bị thuỷ phân trong nước tạo ra dung dịch Na2CO3 có tính bazơ làm quỳ tím chuyển màu xanh

1.5.1 Tác dụng với nước

Khi hoà tan trong nước, Na2CO3 bị phân huỷ mạnh tạo môi trường base

Na2CO3 → 2Na + CO3+

2-CO32- + H O HCO + OH2 ⇌ 3- - ⇒ Dung dịch Na2CO3 có tính bazơ yếu

1.5.2 Tác dụng với axit mạnh

Natri cacbonat khi tác dụng với axit mạnh tạo thành muối, nước và giải phóng khí CO2.

Na CO2 3 + 2HCl → 2NaCl + H O + CO2 2 ↑

1.5.3 Tác dụng với base

Natri cacbonat tác dụng với bazơ tạo thành muối mới và base mới:

Na CO2 3 + Ba(OH) → 2NaOH + BaCO2 3 ↓

1.5.4 Tác dụng với muối

Natri cacbonat tác dụng với muối tạo thành hai muối mới:

Na CO2 3 + BaCl → 2NaCl + BaCO2 3

1.5.5 Chuyển hoá qua lại với natri bicacbonat theo phản ứng

Na CO2 3+ CO + H O 2NaCl + CaCO2 2 ⇌ 3

CHƯƠNG 2: Ứng dụng của Sôđa trong quy mô công

nghiệp

Soda được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thuỷ tinh, đồ gốm, xà phòng, phẩm nhuộm, dệt, giấy, Đặc biệt soda còn được dùng như chất đầu trong điều chế nhiều hợp chất quan trọng của natri như xút ăn da, thuỷ tinh tan, cromat, đicromat, borac Na2CO3 còn dùng trong công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa Dung dịch Na2CO3

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

VD: Thuỷ tinh Soda lime

Hình 2: Thủy tinh soda lime

Ưu điểm:

Sản xuất trên lò thuỷ tinh có công nghệ điện trợ nấu đầu tiên tại Việt Nam

Sản phẩm đạt tiêu chuẩn RoHS, bảo vệ môi trường

Thuỷ tinh chất lượng cao giúp tăng hiệu suất phát quang của đèn

Có 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 tẩy rửa; 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/năm

do 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 dụng như: nông nghiệp, tác nhân làm sạch và phụ gia thực phẩm Mặc dù, đôi khi xút lỏng cũng được dùng thay thế cho soda nhưng soda vẫn là lựa chọn chính vì sẵn có và chi phí thấp

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 nhanh trong nước, tuy nhiên có mùi rất nồng Soda có tác dụng làm tăng độ pH cho nước 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 tính năng mài mòn

Natri bicacbonat với tên thường gặp trong đời sống là sô đa hay bột nở có tác dụng tạo xốp, giòn cho thức ăn và ngoài ra còn 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

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 và làm 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 mòn, 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 Sôđa

3.1 Các phương pháp tổng hợp xođa ở quy mô phòng 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 xH3 2O 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, sôđa 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 khoáng, trong đó có khoáng Na2CO3 hòa tan Trong các nguồn nước khoáng chứa sô

đa thì hồ Sirlis thuộc bang California, Mỹ có chứa 4 -6% Na2CO3 là nguồn khai thác sô

đa thiên nhiên lớn nhất thế giới do Công ty American Potash and - Chemical Corp khai thác Với công suất 160.000 tấn sô 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.Sôđa 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 khoáng dưới đất.Các loại cây chứa sôđa hàm 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 không nhiều 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

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 Na2 2CO3 thu được sẽ được bơm đến nhà máy xử lý để tách nước và lấy sản phẩm sôđa khan Một phần sôđa khan được chuyển hóa ngược lại thành NaHCO nhờ phản ứng với CO đã được tách 3 2

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 công chỉ bằng 1/3 so với phương pháp đào lấy quặng trực tiếp từ mặt đất Mặc dù sản xuất sôđa từ các khoáng thiên nhiên như trong, 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 sản xuất sôđa là công nghệ thích hợp nhất

3.3 Phương pháp Leslanc :

Nguyên lý: Ðiều chế Na2SO4 muối ăn và axit H2SO4:

2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl Sau đó nung trong lò quay cùng với than và Canxi cacbonat ở 1000 oC

Na SO2 4+ 2C +CaCO 3→ Na2SO4 + CaS + +2CO2

3.4 Phương pháp Le Blanc :

Năm 1791 Le Blanc đưa phương pháp sản xuất soda từ muối ăn, axit sufuric,

đá vôi Quá trình sản xuất soda phải qua các giai đoạn sau:

Chế tạo Na2SO4 từ NaCl và H2SO4 từ phản ứng

2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl

Cô đặc dung dịch HCl, H O, bay hơi ta được tinh thể Na2SO42

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

Na SO2 4 : CaCO : C = 1:1:0,5 ta có3

Na SO2 4 + CaCO + 2C 3 t °

→ CaS + 2CO + Na2 2CO3

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

NaOH và các muối không tan CaS đem nghiền nhỏ, hòa tan trong nước Khi đó các