Производство соды: кальцинированной, каустической
Таблица 5 показывает, что, несмотря на колебания, производство каустической соды остается достаточно стабильным, колеблясь в пределах 1100−1300 тыс. тонн в год. При этом в том же 2009 году на экспорт ушло 39% производимого объема, в то время как импорт составил менее 3%. Российский каустик импортируют в основном бывшие республики СССР: Украина (27%), Узбекистан (24%), Казахстан (16%), Азербайджан… Читать ещё >
Производство соды: кальцинированной, каустической (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 20 101.65 Химия Специализация / профиль Фармацевтическая химия Форма обучения очная Научный руководитель Канд. Географических наук, доцент Ионова Н.В.
Новосибирск 2014
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
Название | Техническое название | Формула | Плотность, г/см3 | Температура плавления, 0С | ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3 | |
Карбонат натрия декагидрат | Сода стиральная | Na2CO3· 10H2O | 1,446 | |||
Карбонат натрия | Сода кальцинированная | Na2CO3 | 2,53 | |||
Натрия гидрокарбо-нат | Сода питьевая | NaHCO3 | 2,159 | Разлагается при 60−200 | ||
Хлорид кальция | ; | CaCl2 | 2,15 | |||
Хлорид аммония | Нашатырь | NH4Cl | 1,527 | 337,6 (возгоняет-ся) | 20 (по аммиа-ку) | |
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
Название | Техническое название | формула | Плотность | Температура плавления, 0С | ПДК в воздухе рабочей зоны мг/м3 | |
Гидроксид натрия | Каустическая сода | NaOH | 2,13 г/см3 | 0,5 | ||
Хлор (газзобразный) | ; | Cl2 | 3,214 г/л | 100,95 | ||
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
Резервы, млн. тонн | Запасы, млн. тонн | ||
США | 23 000,0 | 39 000,0 | |
Ботсвана | 400,0 | NA | |
Кения | 7,0 | NA | |
Мексика | 200,0 | 450,0 | |
Турция | 200,0 | 240,0 | |
Уганда | 20,0 | NA | |
Прочие | 260,0 | 220,0 | |
Всего природной кальцинированной соды | 24 000,0 | 40 000,0 | |
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 10 689–75. 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 OHионов 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
Рисунок 6. Структура потребления каустической соды
Сода кальцинированная находит достаточно широкое применение в современном мире: от пищевых добавок до сырья в крупнотоннажных производствах. В частности на производство стекла расходуется 48% всей получаемой соды, еще 24% потребляет химическая промышленность, в то время как на бытовые нужды приходится настолько незначительный процент что он попадает на диаграмме в категорию «другие». 7]
Если говорить о соотношении потребления сортов соды в России, то в стекольной промышленности потребляется в основном декагидрат карбоната натрия (тяжелая сода), в металлургии и нефтехимии — нефелиновая. 7]
Таблица 4. Структура потребления соды по маркам (в %)
Марка соды | кристаллическая | кальцинированная | нефелиновая | |
Стекольная промышленность | ||||
Цветная металлургия | ||||
Химическая промышленность | ||||
Целлюлозно-бумажная промышленность | ||||
Рисунок 7 Структура потребления гидроксида натрия
В потреблении каустической соды на первое место выходит химия и нефтехимия (41,9%), что неудивительно. Гидроксид натрия участвует во многих органических реакциях, а так же является сырьем для производства гипохлорита натрия. На втором месте — целлюлозно-бумажная промышленность (19,3%), а на третьем — металлургия (10,2%). [7]
Не менее многообразно и применение хлора. На хлорирование воды расходуется всего 5.1% от общего объема получаемого хлора. а абсолютным лидером по его потреблению является химическая промышленность — 89,1%. При этом большая часть промышленно потребляемого хлора расходуется на производство мономеров: хлористый винил и дихлор этан (37,4%), эпихлоргидрин (11,5%). 7]
Рисунок 8. Структура потребления хлора
Факторы размещения и территориальной организации.
Факторы ориентации в содовой и хлорной промышленности различны. Это прослеживается по продуктам: сода — высоко транспортабельное сырье, гидроксид натрия и хлор — нет. Это приводит к тому, что в содовой промышленности решающим фактором размещения будет сырьевой, а в хлорной потребительский.[8]
Территориально это проявляется в том, что предприятия по производству соды расположены в районах добычи и переработки сырья, а предприятия по производству щелочей и хлора — в районах потребления и как правило связаны с другими химическими производствами: синтезом гипохлоритов, хлорсодержащих мономеров, соляной кислоты и так далее. 8]
Рисунок 9. Структура мирового производства кальцинированной соды в 2007 году
Современное состояние содовой промышленности
Рисунок 10. Динамика производства соды в России
В мире по производству кальцинированной соды лидерами являются Китай (35%), США (31%), Индия (6%)и Россия (5%). В целом за 2007 год было произведено около 47 млн. тонн соды из которой на природную приходится менее трети. 8]
Более детально можно рассмотреть, в качестве примера, современное состояние содовой промышленности в России. 8]
Как видно их рисунка объемы производства меняются незначительно и в целом неуклонно возрастают. 8]
Рисунок 11. Структура импорта соды в 2009 году
На Российском рынке кальцинированной соды не малый сегмент представлен импортной продукцией (около 16%). Основные поставщики соды — это Украина (61%) и США (34%). 8]
Экспорт российской соды состовляет примерно 25% от общего объема производства и осуществляется в основном в страны СНГ, в частности, в Казахстан. В общем объеме экспорта в 1 полугодии 2009 г. на долю этой данной страны приходится 83%. 8]
Современное состояние хлорной промышленности
Если говорить о производстве каустической соды, то целесообразно рассмотреть объемы производства как собственно гидроксида натрия, так и хлора.[9]
Таблица 5 показывает, что, несмотря на колебания, производство каустической соды остается достаточно стабильным, колеблясь в пределах 1100−1300 тыс. тонн в год. При этом в том же 2009 году на экспорт ушло 39% производимого объема, в то время как импорт составил менее 3%. Российский каустик импортируют в основном бывшие республики СССР: Украина (27%), Узбекистан (24%), Казахстан (16%), Азербайджан (10%), Эстония (4%), Литва и Латвия (по 2%). Российский каустик закупают Турция (6%), Сирия (6%), Египет (2%) и некоторые другие страны дальнего зарубежья. 9]
Таблица 5. Объемы производства, экспорта и импорта каустика
2000 год | 2001 год | 2002 год | 2003 год | 2004 год | 2005 год | 2006 год | 2007 год | 2008 год | 2009 год | ||
Производство (тыс. т) | 197,1 | 074,7 | 1232,8 | 265,5 | 296,9 | 1253,4 | 1112,5 | ||||
Экспорт (тыс. т) | 187,8 | 122,5 | 116,4 | 162,5 | 244,3 | 202,7 | 261,4 | 472,2 | 431,4 | ||
Импорт (тыс. т) | 0,2 | 3,2 | 0,4 | 0,3 | 18,4 | 13,7 | 1,9 | 22,7 | 31,4 | ||
Аналогичные выводы прослеживаются и для объемов производства хлора, с той лишь разницей, что хлор в страну не ввозится. 10]
Таблица 6: Объемы производства, экспорта и импорт хлора
Производство (тыс. т) | 1021,9 | 997,2 | 1064,0 | 1105,0 | |
Экспорт (тыс. т) | 25,2 | 24,0 | 17,1 | 12,5 | |
Рисунок 12. Структура экспорта российского хлора
Экспорт российского хлора осуществляется, так же как и гидроксина натрия, в станы СНГ, при этом 48% поставок приходилось на Украину. На втором месте Азербайджан (28%). 10]
Проблемы и перспективы развития
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 энергои 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]
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 10 689–75: Сода кальцинированная техническая из нефелинового сырья. Технические условия.
12. ГОСТ 450–77 Кальций хлористый технический. Технические условия.