Сольвеевский процесс - Solvay process

В Сольвеевский процесс или аммиачно-содовый процесс это основной производственный процесс по производству карбонат натрия (кальцинированная сода, Na2CO3). Аммиачно-содовый процесс был разработан бельгийским химиком в его современной форме. Эрнест Сольвей в течение 1860-х гг.[1] Ингредиенты для этого доступны и недороги: соль. рассол (из внутренних источников или из моря) и известняк (из карьеров). Мировое производство кальцинированной соды в 2005 году оценивалось в 42 миллиона метрических тонн.[2] 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.

История

Смотрите также: щелочь, поташ, кальцинированной соды, Процесс Леблана, и трона

Название «кальцинированная сода» основано на основном историческом методе получения щелочи, который заключался в использовании воды для извлечения ее из пепла определенных растений. В результате лесных пожаров образовался калий и его основной ингредиент карбонат калия (K2CO3), тогда как из золы этих специальных растений образовалась «кальцинированная сода» и ее основной ингредиент. карбонат натрия (Na2CO3). 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 18 веке в Испании, где растения получили название Barrilla; английское слово "барилла ".[3][4][5] Прах ламинария также производили кальцинированную соду и были основой огромной промышленности 18 века в Шотландии.[6] 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.[7] В 1791 году французский врач Николя Леблан разработал метод производства кальцинированной соды с использованием соли, известняк, серная кислота, и уголь. Хотя Процесс Леблана стали доминировать в производстве щелочи в начале 19 века, за счет затрат на ее вводимые ресурсы и загрязняющих побочных продуктов (включая хлористый водород gas) показало, что это далеко не идеальное решение.[7][8]

Сообщалось, что в 1811 г. французский физик Огюстен Жан Френель обнаружил, что бикарбонат натрия осаждается, когда диоксид углерода барботируется через аммиаксодержащие рассолы, что является центральной химической реакцией в процессе 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».[9] 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 проблему; он, по-видимому, в значительной степени не знал об обширной более ранней работе.[8] 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 Солвей и его брат Альфред получили финансовую поддержку и построили завод в г. Couillet, сегодня пригород бельгийского городка Шарлеруа. Новый процесс оказался более экономичным и менее загрязняющим, чем метод Леблана, и его использование распространилось. В 1874 году Solvays расширили свои производственные мощности новым, более крупным заводом в Нэнси, Франция.

В том же году, Людвиг Монд посетил Solvay в Бельгии и получил права на использование новой технологии. Он и Джон Бруннер сформировал фирму Бруннер, Монд и Ко., и построил завод Solvay в г. Winnington, около Northwich, Чешир, Англия. Завод начал работу 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 Сольвей лицензировали американцев Уильяма Б. Когсвелла и Роуленда Хазарда на производство кальцинированной соды в США и создали совместное предприятие (Компания Solvay Process ) построить и эксплуатировать завод в Солвей, Нью-Йорк.

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

К 1890-м годам заводы Solvay-процесса производили большую часть мировой кальцинированной соды.

В 1938 г. крупные месторождения минерала трона были обнаружены возле Зеленая река в Вайоминг из которого карбонат натрия может быть извлечен дешевле, чем произведенный этим способом. После закрытия первоначального завода Solvay, штат Нью-Йорк, в 1986 году, ни один завод Solvay не работал в Северная Америка. Во всем остальном мире процесс Solvay остается основным источником кальцинированной соды.

Химия

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

Процесс Solvay приводит к получению кальцинированной соды (преимущественно карбонат натрия (Na2CO3)) от рассол (как источник хлорид натрия (NaCl)) и от известняк (как источник карбонат кальция (CaCO3)).[8] Общий процесс:

2 NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2

Реальная реализация этой глобальной общей реакции сложна.[10][11][12] Упрощенное описание может быть дано с использованием четырех различных взаимодействующих химических реакций, показанных на рисунке. На первом этапе процесса углекислый газ (CO2) проходит через концентрированный водный раствор хлорида натрия (поваренная соль, NaCl) и аммиак (NH3).

---(Я)

В промышленной практике реакцию проводят, пропуская концентрированный рассол (соленую воду) через две башни. В первом случае аммиак пузырится через рассол и поглощается им. Во втором случае углекислый газ пузырится через аммиачный рассол и бикарбонат натрия (пищевая сода) выпадает в осадок из раствора. Обратите внимание, что в основной решение, NaHCO3 менее растворим в воде, чем хлорид натрия. Аммиак (NH3) буферы решение на базовом (высоком) pH; без аммиака, соляная кислота побочный продукт сделает решение кислый, и остановите осадки. Здесь NH4 вместе с аммиачным рассолом действует как «маточный раствор».

Необходимый аммиачный «катализатор» для реакции (I) регенерируется на более поздней стадии, и расходуется относительно мало аммиака. Диоксид углерода, необходимый для реакции (I), получают путем нагревания ("прокаливание ") известняка при 950–1100 ° C и прокаливанием бикарбоната натрия (см. ниже). Карбонат кальция (CaCO3) в известняке частично превращается в негашеная известь (оксид кальция (CaO)) и диоксид углерода:

--- (II)

Бикарбонат натрия (NaHCO3), который выпадает в реакцию (I), отфильтровывают от горячего хлорида аммония (NH4Cl), и раствор затем реагирует с негашеная известь (оксид кальция (CaO)), оставшийся после нагревания известняка на стадии (II).

--- (III)

CaO является сильным щелочным раствором. Аммиак из реакции (III) рециркулируют обратно в исходный солевой раствор реакции (I).

Бикарбонат натрия (NaHCO3) осадок реакции (I) затем превращается в конечный продукт, карбонат натрия (промывочная сода: Na2CO3), от прокаливание (160–230 ° C) с образованием воды и углекислого газа в качестве побочных продуктов:

--- (IV)

Диоксид углерода со стадии (IV) восстанавливается для повторного использования на стадии (I). При правильном проектировании и эксплуатации установка Solvay может регенерировать почти весь свой аммиак и потребляет лишь небольшое количество дополнительного аммиака для компенсации потерь. Единственными основными ингредиентами в процессе Solvay являются соль, известняк и термальная энергия, и его единственным основным побочным продуктом является хлорид кальция, который иногда продается как дорожная соль.

В модифицированном процессе Сольве, разработанном китайским химиком Хоу Дебанг в 1930-х годах первые несколько шагов совпадают с процессом Сольвея. Однако CaCl2 заменяется хлорид аммония (NH4Cl). 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 большую коммерческую ценность, чем CaCl.2, тем самым уменьшая площадь мусорных ям.

Дополнительная информация о промышленном внедрении этого процесса доступна в отчете, подготовленном для Европейской ассоциации производителей кальцинированной соды.[11]

Побочные продукты и отходы

Основным побочным продуктом процесса Solvay является хлорид кальция (CaCl2) в водном растворе. В процессе присутствуют также другие отходы и побочные продукты.[11] 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 внутренних растениях, таких как Солвей, Нью-Йорк, побочные продукты были захоронены в «мусорных ящиках»; 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 Солве, Нью-Йорк, значительно увеличили соленость в соседних Озеро Онондага, которое раньше было одним из самых загрязненных озер в США.[13] и является суперфонд участок загрязнения.[14] По мере того, как такие пустоши стареют, они начинают поддерживать растительные сообщества, которые были предметом нескольких научных исследований.[15][16]

В приморских местах, например, в Саураштра, Гуджарат, Индия,[17] CaCl2 раствор может быть сброшен прямо в море, по-видимому, без существенного ущерба для окружающей среды, основная проблема заключается в том, что место сброса находится в пределах морского национального парка залива Кутч, который служит средой обитания для коралловых рифов, морских водорослей и сообщества морских водорослей. В Осборн, Южная Австралия,[18] отстойник теперь используется для удаления 99% CaCl2 так как прежний слив заиливал 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.[19].

Связывание углерода и процесс Solvay

Варианты процесса Сольве были предложены для связывание углерода. 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.[20][21] Процесс Сольвея может быть изменен для получения общей реакции:

2 NaCl + CaCO3 + CO
2 + ЧАС
2О → 2NaHCO3 + CaCl2

Для преобразования выбросов углекислого газа в карбонаты натрия были предложены варианты процесса Solvay, но связывание углерода карбонатами кальция или магния представляется более перспективным.[сомнительный – обсудить] 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, что увеличит выбросы диоксида углерода.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Закон, Джонатан ЛоуДжонатан; Ренни, Ричард Ренни Ричард (2020-03-19), Закон, Джонатан; Ренни, Ричард (ред.), «Сольвеевский процесс», Словарь по химии, Издательство Оксфордского университета, Дои:10.1093 / acref / 9780198841227.001.0001, ISBN  978-0-19-884122-7, получено 2020-10-08
  2. ^ Kostick, Деннис (2006). "Кальцинированной соды", глава в Ежегодник полезных ископаемых 2005 г., Геологическая служба США. См. Таблицу I.
  3. ^ Барилла, используемая для производства кальцинированной соды, относится к любому из нескольких кустистых растений, которые хорошо приспособлены для роста на солончаках и распространены в Испании и Италии. Пепел этих растений может содержать до 30% карбоната натрия. Основными видами для производства кальцинированной соды были "солянки " Соляная сода или Сальсола Кали, но можно использовать и несколько других видов.
  4. ^ Перес, Хоакин Фернандес (1998). «От баррильи до фабрики Solvay в Торрелавеге: производство солянки в Испании», Антилия: Испанский журнал истории естественных наук и технологий, Vol. IV, ст. 1. ISSN 1136-2049. Архивировано WebCite из этот исходный URL на 2008-03-01.
  5. ^ Грив М. (1931). Современный травяной, ISBN  0-486-22798-7 & 0486227995. См. Раздел стеклозер. Проверено 21 октября 2005 года.
  6. ^ Хотерсолл, Сьюзен (2012). «Шотландская индустрия водорослей и ее археология» (PDF). Исторический Аргайл: 32–36.
  7. ^ а б Кифер, Дэвид М. «Все дело в щелочи». Сегодняшний химик за работой. 11 (1): 45–6. Архивировано 7 ноября 2002 года.CS1 maint: неподходящий URL (ссылка на сайт) Онлайн-версия заархивирована на WebCite с этот исходный URL на 2008-03-12.
  8. ^ а б c Кифер, Дэвид М. (февраль 2002 г.). «Кальцинированная сода в стиле Сольве». Сегодняшний химик за работой. 11 (2): 87–88, 90. Архивировано 20 января 2003 года.CS1 maint: неподходящий URL (ссылка на сайт) Онлайн-версия заархивирована на WebCite с этот исходный URL на 2008-03-12.
  9. ^ Рейли, Десмонд (декабрь 1951). «Соли, кислоты и щелочи в XIX веке. Сравнение достижений Франции, Англии и Германии». Исида. 42 (4): 287–296. Дои:10.1086/349348. JSTOR  226807. PMID  14888349.
  10. ^ Спейт, Джеймс (2001). Справочник по химическому процессу и дизайну. Макгроу Хилл. Дои:10.1036/0071374337. ISBN  978-0-07-137433-0.
  11. ^ а б c «Справочный документ по передовым методам обработки (BREF) для кальцинированной соды», отчет, подготовленный Европейская ассоциация производителей кальцинированной соды, Март 2004 г. Архивировано на WebCite с этот исходный URL на 2008-03-01.
  12. ^ Мур, Джон Т. Эдд (2005). Химия стала проще. Бродвейские книги. стр.190. ISBN  978-0-7679-1702-5.
  13. ^ Партнерство по озеру Онондага. Проверено 14 октября 2006.
  14. ^ Агентство по охране окружающей среды США, суперфонд ID NYD986913580. Проверено 14 октября 2006.
  15. ^ Cohn, E.V.J .; Ростанский, А .; Токарска-Гузик, Б .; Trueman, I.C .; Возняк, Г. (2001). «Флора и растительность на старом заводе Solvay в Явожно (Верхняя Силезия, Польша)». Acta Soc. Бот. Pol. 70 (1): 47–60. Дои:10.5586 / asbp.2001.008.
  16. ^ Михаленко, Эдуард М. (1991). «Почвообразование и сукцессия микросообщества беспозвоночных в незрелых почвах, образованных хлорщелочными отходами», докторская диссертация. Колледж экологических наук и лесного хозяйства Нью-Йоркского государственного университета.
  17. ^ «Технология в индийской промышленности кальцинированной соды», Отчет о состоянии технологий № 148 (октябрь 1995 г.), Отдел научных и производственных исследований, Министерство науки и технологий Индии. Архивировано WebCite из этот исходный URL на 2008-03-01.
  18. ^ Penrice Soda Holdings Limited. Проверено 14 октября 2006.
  19. ^ ЮНЕП. Координационная группа Средиземноморского плана действий, Программа координированного мониторинга и исследований загрязнения Средиземноморья, ВОЗ (1999). «Выявление приоритетных очагов загрязнения и уязвимых зон Средиземноморья» (PDF). Серия технических отчетов MAP (124). Получено 11 сентября 2020.
  20. ^ Huijgen, W.J.J. and Comans, R.N.J. (Февраль 2003 г.). «Связывание двуокиси углерода путем карбонизации минералов: обзор литературы», Отчет ECN C-03-016,Центр энергетических исследований Нидерландов. Проверено 14 октября 2006.
  21. ^ Лакнер, Клаус С. (2002). «Карбонатная химия для связывания ископаемого углерода». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды. 27 (1): 193–232. Дои:10.1146 / annurev.energy.27.122001.083433.

дальнейшее чтение

внешние ссылки