Процесс Леблана - Leblanc process

Процесс Леблана
Тип процессаХимическая
Промышленный сектор (ы)Хлорно-щелочная промышленность
Сырьехлорид натрия, серная кислота, каменный уголь, карбонат кальция
Товары)кальцинированной соды, соляная кислота, сульфид кальция, углекислый газ
ИзобретательНиколя Леблан
Год изобретения1791
Разработчики)Уильям Лош, Джеймс Маспратт, Чарльз Теннант

В Процесс Леблана был ранним производственный процесс для производства кальцинированной соды (карбонат натрия ) использовался на протяжении всего 19 века, назван в честь своего изобретателя, Николя Леблан. Он состоял из двух этапов: изготовление сульфат натрия из хлорид натрия с последующей реакцией сульфата натрия с каменный уголь и карбонат кальция для производства карбоната натрия. Этот процесс постепенно устарел после разработки Сольвеевский процесс.

Фон

Кальцинированной соды (карбонат натрия ) и поташ (карбонат калия ), вместе именуемые щелочь, являются жизненно важными химическими веществами в стекло, текстиль, мыло, и бумага отрасли. Традиционным источником щелочи в Западной Европе был калий, полученный из дерево пепел. Однако к 13 веку вырубка леса делало это средство производства неэкономичным, и щелочь приходилось импортировать. Калий завозили из Северной Америки, Скандинавии и России, где все еще стояли большие леса. Кальцинированная сода была импортирована из Испании и с Канарских островов, где ее производили из пепла стеклозер растения (называемые барилла пепел в Испании), или импортированный из Сирии.[1] Кальцинированная сода из золы ветчины в основном представляла собой смесь карбоната натрия и карбоната калия. Кроме того, в Египте природный карбонат натрия, минерал Натрон, была добыта с высохших озер. В Великобритании единственным местным источником щелочи был ламинария, выброшенное на берег в Шотландии и Ирландии.[2][3]

В 1783 году король Людовик XVI Франции и Французская Академия Наук предложил приз в размере 2400 ливры для способа получения щелочи из морской соли (хлорид натрия ). В 1791 г. Николя Леблан, врач Луи Филипп II, герцог Орлеанский, запатентовал решение. В том же году он построил первый завод Leblanc для герцога в г. Сен-Дени, и это начало производить 320 тонны соды в год.[4] Ему отказали в призовых из-за французская революция.[5]

Для более поздней истории см. промышленная история ниже.

Химия

Схема реакции процесса Леблана (зеленый = реагенты, черный = промежуточные соединения, красный = продукты)

На первом этапе хлорид натрия обрабатывают серная кислота в Мангеймский процесс. Эта реакция производит сульфат натрия (называется соленый пирог) и хлористый водород:

2 NaCl + H2ТАК4 → Na2ТАК4 + 2 HCl

Этот химическая реакция был открыт в 1772 г. Шведский химик Карл Вильгельм Шееле. Вклад Леблана был вторым этапом, на котором смесь соленой лепешки и измельченного известняк (карбонат кальция ) был уменьшен нагреванием с каменный уголь.[6] Это преобразование состоит из двух частей. Во-первых, это карботермическая реакция при этом уголь, источник углерод, уменьшает то сульфат к сульфид:

Na2ТАК4 + 2 C → Na2S + 2 CO2

На втором этапе происходит реакция на получение карбонат натрия и сульфид кальция. Эта смесь называется черный ясень.

Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS

Кальцинированную соду извлекают из черной золы водой. Выпаривание этого экстракта дает твердый карбонат натрия. Этот процесс экстракции получил название выщелачивания.

Детали процесса

Хлорид натрия сначала смешивают с концентрированной серной кислотой, и смесь подвергают слабому нагреванию. Газообразный хлористый водород выделялся пузырями и сбрасывался в атмосферу до того, как были введены газопоглощающие башни. Это продолжается до тех пор, пока все, что остается, не является слитой массой. Эта масса все еще содержит достаточно хлоридов, чтобы загрязнить более поздние стадии процесса. Затем массу подвергают воздействию прямого пламени, при котором испаряется почти весь оставшийся хлорид.[7][8]

Уголь, используемый на следующем этапе, должен быть с низким содержанием азота, чтобы избежать образования цианид. Карбонат кальция в виде известняка или мела должен быть с низким содержанием магнезии и кремнезема. Весовое соотношение загрузки составляет 2: 2: 1 соленой лепешки, карбоната кальция и углерода соответственно. Он стреляет в отражательная печь примерно при 1000 ° C.[9] Иногда отражательная печь вращалась, поэтому ее называли «револьвером».

Зольный продукт обжига необходимо сразу же выщелачивать, чтобы предотвратить обратное окисление сульфидов до сульфатов.[9] В процессе выщелачивания зола полностью покрывается водой, чтобы предотвратить окисление. Чтобы оптимизировать выщелачивание растворимого материала, выщелачивание проводится в каскадные стадии. То есть чистая вода используется для сажи, уже прошедшей предыдущие стадии. Щелок с этой стадии используется для выщелачивания черной золы на более ранней стадии и так далее.[9]

Конечный щелок обрабатывается продувкой. углекислый газ через это. При этом осаждается растворенный кальций и другие примеси. Он также улетучивает сульфид, который уносится как H2S газ. Любой остаточный сульфид может быть впоследствии осажден добавлением гидроксид цинка. Щелок отделяется от осадка и испаряется с использованием отходящего тепла отражательной печи. Затем полученную золу снова растворяют в концентрированном растворе в горячей воде. Твердые вещества, которые не растворяются, отделяются. Затем раствор охлаждают для перекристаллизации почти чистого декагидрата карбоната натрия.[9]

Промышленная история

Леблан основал первую технологическую установку Leblanc в 1791 году в Сен-Дени. Тем не мение, Французские революционеры захватил завод вместе с остальной частью имения Луи Филиппа в 1794 году и опубликовал коммерческие секреты. Наполеон I вернул завод Леблану в 1801 году, но не имея средств на его ремонт и конкуренцию с другими производителями соды, которые были созданы к тому времени, Леблан совершил самоубийство в 1806 г.[5]

К началу 19 века французские производители кальцинированной соды производили от 10 до 15 тысяч тонн в год. Однако именно в Великобритании процесс Леблана получил наибольшее распространение.[5] Первый британский завод по производству соды с использованием процесса Леблана был построен семья Лоша основателей железа на Лош, Уилсон и Белл работает в Walker на Ривер Тайн в 1816 г., но крутой британский тарифы Производство соли препятствовало экономической деятельности процесса Леблана и сохраняло такие операции в небольших масштабах до 1824 года. После отмены тарифа на соль резко выросла британская содовая промышленность. В Bonnington Chemical Works возможно было самым ранним произведением,[10] и химический завод, созданный Джеймс Маспратт в Ливерпуль и Флинт, и по Чарльз Теннант возле Глазго стал одним из крупнейших в мире. Ливерпульские заводы Маспратта имели близость и транспортное сообщение с соляными шахтами Чешира, угольными месторождениями Сент-Хеленса и известняковыми карьерами Северного Уэльса и Дербишира.[11] К 1852 году годовое производство соды достигло 140 000 тонн в Великобритании и 45 000 тонн во Франции.[5] К 1870-м годам объем производства соды в Британии, составлявший 200 000 тонн в год, превышал производство всех других стран мира вместе взятых.

Проблемы с загрязнением

Технологические установки Leblanc наносили серьезный ущерб окружающей среде. Процесс образования соляной лепешки из соли и выделенной серной кислоты. солянокислый газ, и поскольку эта кислота была бесполезна в промышленности в начале 19 века, ее просто выбрасывали в атмосферу. Также были образованы нерастворимые твердые отходы с запахом. На каждые 8 ​​тонн кальцинированной соды в процессе производилось 5,5 тонн хлористый водород и 7 тонн отходов сульфида кальция. Эти твердые отходы (известные как галлигу) не имели экономической ценности, они складывались в кучи и разбрасывались на полях возле содовых заводов, где они выветривались и высвобождались. сероводород, токсичный газ, ответственный за запах тухлых яиц.

Из-за вредных выбросов содовые заводы Leblanc стали объектами судебных исков и судебных исков. В иске 1839 года против содовых заводов утверждалось, что «газ этих производств настолько вреден, что портит все, что находится под его влиянием, и в равной степени губителен для здоровья и имущества. Трава на полях в их окрестностях выжжена, сады не приносят ни фруктов, ни овощей; многие цветущие деревья в последнее время превратились в гнилые голые палки. Крупный рогатый скот и домашняя птица увядают и чахнут. Он тускнеет мебель в наших домах, и когда мы подвергаемся его воздействию, что часто случается, мы страдаем от кашель и боли в голове ... все это мы приписываем щелочам ".[12]

В 1863 году британский парламент принял первый из нескольких Щелочные действия, первый современный загрязнение воздуха законодательство. Этот акт позволил выбрасывать в атмосферу не более 5% соляной кислоты, производимой щелочными заводами. В соответствии с законодательством, содовые заводы пропускали отходящий газообразный хлористый водород через башню, заполненную уголь, где он был поглощен водой, текущей в другом направлении. Химические комбинаты обычно сбрасывали соляная кислота растворение в близлежащих водоемах, убивая рыбы и другой водный мир.

Процесс Leblanc также означал очень неприятные условия работы для операторов. Первоначально он требовал аккуратной эксплуатации и частого вмешательства оператора (в том числе тяжелого ручного труда) в процессы выделения горячих ядовитых химикатов.[13]Иногда рабочие, вычищающие продукты реакции из отражательной печи, носили ткань для рта и носа. приколы держать пыль и аэрозоли из легких.[14][15]

Это улучшилось несколько позже, поскольку процессы стали более механизированными для улучшения экономики и однородности продукта.

К 1880-м годам методы превращения соляной кислоты в хлор газ для производства отбеливание порошка и для регенерации серы в отходах сульфида кальция, но процесс Леблана оставался более расточительным и более загрязняющим, чем Сольвеевский процесс. То же самое верно, когда он сравнивается с более поздними электролитическими процессами, которые в конечном итоге заменили его для производства хлора.

Моральное устаревание

В 1861 г. бельгийский химик Эрнест Сольвей разработал более прямой процесс производства кальцинированной соды из соли и известняка за счет использования аммиак. Единственный продукт отходов этого Сольвеевский процесс был хлорид кальция, поэтому он был более экономичным и менее загрязняющим, чем метод Леблана. С конца 1870-х годов содовая на основе Solvay работает на Европейский Континент обеспечил жесткую конкуренцию на своих внутренних рынках британской газовой промышленности из Леблана. Дополнительно Бруннер Монд Завод Solvay, открытый в 1874 г. Winnington возле Northwich при условии жесткой конкуренции на национальном уровне. Производители Leblanc были не в состоянии конкурировать с кальцинированной содой Solvay, и их производство кальцинированной соды было эффективным дополнением к все еще прибыльному производству хлора, обесцвечивающего порошка и т. Д. (Нежелательные побочные продукты стали прибыльными продуктами). Развитие электролитических методов хлор производство устранило и этот источник прибыли, и последовал спад, который сдерживался только «джентльменскими договоренностями» с производителями Solvay.[16] К 1900 году 90% мирового производства соды производилось методом Сольве, а на североамериканском континенте - за счет добычи трона, открытый в 1938 году, что привело к закрытию последнего завода Solvay в Северной Америке в 1986 году. Последний завод по производству кальцинированной соды в Леблане был закрыт в начале 1920-х годов.[3] Однако из-за растворимости бикарбоната способ Сольвея не подходит для производства карбонат калия, и процесс Leblanc продолжал ограниченно использоваться для его изготовления намного позже.

Биоразнообразие

Есть веские основания утверждать, что технологические отходы Leblanc представляют собой наиболее подверженную опасности среду обитания в Великобритании, поскольку карбонат кальция и дает приют для растений, которые процветают на богатых известью почвах, известных как кальциколы. Только четыре таких объекта пережили новое тысячелетие; три охраняются как местные природные заповедники, самый крупный из которых, Nob End возле Болтон, является УОНИ и Местный заповедник - в основном из-за своей редкой орхидено-кальциколевой флоры, наиболее необычной для районов с кислыми почвами. Этот щелочной остров содержит внутри себя кислотный остров, где был отложен кислый котельный шлак, который теперь проявляется как зона с преобладанием вереска, Каллуна обыкновенная.[17]

Рекомендации

  1. ^ Аштор, Элиягу; Джевидалли, Гвидобальдо (1983). «Левантийская щелочная зола и европейская промышленность». Журнал европейской экономической истории. 12: 475–522.
  2. ^ Клоу, Арчибальд и Клоу, Нан Л. (1952). Химическая революция, (Ayer Co Pub, июнь 1952 г.), стр. 65-90. ISBN  0-8369-1909-2.
  3. ^ а б Кифер, Дэвид М. (2002). «Все дело в щелочи». 11 (1). Сегодняшний химик за работой: 45–6. Получено 22 апреля 2007. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ Афталион, Фред (1991). История международной химической промышленности. Филадельфия: Университет Пенсильвании Press. С. 11–13. ISBN  978-0-8122-1297-6.
  5. ^ а б c d Афталион, Фред (1991). История международной химической промышленности. Филадельфия: Университет Пенсильвании Press. С. 14–16. ISBN  978-0-8122-1297-6.
  6. ^ Кристиан Тиме (2000). «Карбонаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Вайнхайм: Wiley-VCH. Дои:10.1002 / 14356007.a24_299. ISBN  978-3527306732.
  7. ^ «Соляная кислота и сульфат натрия». Lenntech. Получено 22 апреля 2007.
  8. ^ Чисхолм, Хью, изд. (1911). «Щелочное производство». Британская энциклопедия. 1 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 674–685.
  9. ^ а б c d "Газированная промышленность". Леннтех. Получено 22 апреля 2007.
  10. ^ Рональдс, Б.Ф. (2019). "Боннингтонский химический завод (1822-1878): Пионерская компания по производству угольной смолы". Международный журнал истории техники и технологий. 89 (1–2): 73–91. Дои:10.1080/17581206.2020.1787807. S2CID  221115202.
  11. ^ Питер Рид, «Кислотный дождь и восстание химиков-экологов в Британии девятнадцатого века», (2014), стр. 94
  12. ^ Ньюкасл-апон-Тайн (Англия). Городской совет (1840 г.). Отчеты Совета Ньюкасла. С. 2–.
  13. ^ Рассел. Колин Арчибальд, Химия, общество и окружающая среда: новая история британской химической промышленности, Королевское химическое общество, 2000. ISBN  0-85404-599-6
  14. ^ Описано и названо «кляпом» в записанном комментарии в Музей химической промышленности катализаторов в Ранкорне (Чешир, Англия), чтобы щелочная пыль не попадала в легкие рабочих в первые годы химическая индустрия в Британии.
  15. ^ https://3darchaeology.co.uk/wp-content/uploads/2017/06/Volume-11-Issue-3.pdf (стр.7)
  16. ^ Читатель W J Imperial Chemical Industries; История Том 1 Предтечи 1870-1926 Oxford University Press 1970 SBN 19 215937 2
  17. ^ Шоу, PJA & Halton W. (1998). Классические сайты: Ноб Энд, Болтон. Британская дикая природа 10, 13-17.

внешняя ссылка