Metoda Solvaya [historia i autorzy]

Metoda Solvaya – metoda otrzymywania węglanu sodu opracowana w latach 60. XIX w. przez Ernesta Solvaya. Proces ten polega na wykorzystaniu ciągu następujących reakcji chemicznych:

  1. CaCO3 → CaO + CO2,
  2. NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl,
  3. 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O – (kalcynacja),
  4. 2NH4Cl + CaO → 2NH3 + H2O + CaCl2,

co sumarycznie daje:

CaCO3 + 2NaCl → Na2CO3 + CaCl2.

Ze względu na wykorzystanie amoniaku w procesie, soda otrzymana metodą Solvaya nazywana jest "sodą amoniakalną".

Surowce

Z reakcji sumarycznej wynika, że surowcami są węglan wapnia i sól kamienna (chlorek sodu), amoniak jest surowcem pomocniczym, koks używany jako paliwo do wypalania wapna palonego z wapniaka. Natomiast w procesie Leblanca surowcem głównym jest węgiel.

Do produkcji 1t sody amoniakalnej zużywa się:

  • NaCl (w postaci solanki) 1525-1555 kg,
  • CaCO3 (w postaci wapniaka) 1206-1370 kg,

oraz, jako materiały pomocnicze:

  • koks do wypalania wapna 98-105 kg,
  • węgiel do kalcynacji NaHCO3 120-140 kg,
  • woda amoniakalna 4-8 kg.

Proces wytwarzania

Proces wytwarzania sody amoniakalnej składa się z następujących głównych procesów i operacji:

  • przygotowanie solanki,
  • nasycanie solanki amoniakiem w celu otrzymania solanki amoniakalnej,
  • wypalanie wapna z kamienia wapiennego z jednoczesnym wytworzeniem gazów zawierających CO2,
  • nasycanie solanki amoniakalnej CO2 (karbonizacja),
  • oddzielenie kryształów NaHCO3 od ługu macierzystego,
  • suszenie wilgotnego NaHCO3 i jego rozkład termiczny (kalcynacja),
  • regeneracja NH3 z ługów macierzystych przez zmieszanie z mlekiem wapiennym i ogrzewanie.
Przygotowanie solanki
Stosuje się solanki naturalne, które dosyca się solą w razie potrzeby. Najczęściej używa się solanek wytworzonych przez ługowanie wodą pokładów soli. Solanki takie mają zanieczyszczenia w postaci soli Mg, Ca, K, itp. Aby oddzielić zanieczyszczenia solankę poddaje się procesowi analogicznemu do chemicznej metody zmiękczania wody. Strącające się osady CaCO3 i Mg(OH)2 oddziela się w odstojnikach.
Nasycenie solanki amoniakiem
NH3 bardzo dobrze rozpuszcza się w solance ze znacznym efektem cieplnym. W miarę wzrostu stężenia amoniaku wzrasta objętość solanki. Ponieważ rozpuszczalność soli w wodzie amoniakalnej maleje, to aby nie dopuścić do wytrącenia kryształów stosuje się solankę nie całkowicie wysyconą (około 310g NaCl na 1l). Do nasycania solanki NH3 stosuje się wysokie wieże absorpcyjne wypełnione koksem lub kolumny półkowe.
Wypalanie wapna
Wapno palone otrzymuje się w taki sam sposób jak przy produkcji materiałów wiążących, tj w procesie kalcynowania wapnia.
Wysycanie solanki amoniakalnej za pomocą CO2 (karbonizacja)
Solanka amoniakalna zawierająca pewną ilość CO2 w stanie związanym jest nasycana CO2 w kolumnach karbonizacyjnych w przeciwprądzie. Kolumny karbonizacyjne mają budowę półkową. W dolnej części półki przedzielone są chłodnicami rurkowymi. Średnica kolumny 1,8-2,8 metra a wysokość do 30 metrów. Z powodu osadzania się kryształów NaHCO3 po kilkudziesięciu godzinach pracy kolumna karbonizacyjna zarasta i trzeba przerywać jej pracę aby ją oczyścić. Z tego powodu kolumny karbonizacyjne łączy się w baterie 4-7 sztuk i kolejno poddaje płukaniu polegającym na przepuszczaniu przez nie całej ilości solanki, którą następnie kieruje się do pozostałych kolumn.
Jednocześnie dla polepszenia efektu płukania wprowadza się do kolumny pewną ilość gazu z pieców wapiennych, dzięki czemu w kolumnie płukanej następuje wstępna karbonizacja solanki. Gazy zawierające CO2 pochodzą z dwóch źródeł: z wypalania wapna około 40% i rozkładu NaHCO3 60%. Gazy uboższe w CO2 wprowadza się w połowie wysokości kolumny, a gazy bardziej stężone wprowadza się od dołu kolumny. Ciśnienie słupa cieczy u dołu kolumny wynosi 0,3 MPa, wpływa to korzystnie na proces karbonizacji.
Oddzielanie kryształów NaHCO3 od ługu macierzystego
Z kolumn karbonizacyjnych wypływa zawiesina kryształów NaHCO3 w ługu macierzystym (tzw. mleczko bikarbonatowe). Oddzielenie kryształów od cieczy odbywa się metodą filtracji na filtrach obrotowych lub przez odwirowanie w wirówkach o działaniu ciągłym.
Kalcynowanie NaHCO3
Aby otrzymać sodę bezwodną osad NaHCO3 należy osuszyć a następnie poddać termicznemu rozkładowi:
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O.
Proces suszenia i kalcynacji prowadzi się metodą ciągłą w obrotowych suszarniach bębnowych, suszarnia ogrzewana jest parą wodną lub rzadziej spalinami. Bęben stalowy o średnicy 2,5 m i długości do 25 m. Ponieważ gazy pokalcynacyjne zawracane są do procesu produkcyjnego to ogrzewanie suszarki (kalcynatora) odbywa się przeponowo. Wilgotny NaHCO3 ma tendencję do przywierania do rur grzewczych, aby zapobiec temu zjawisku obniża się jego wilgotność, zawracając część wysuszonego produktu i mieszając go z wilgotnym NaHCO3 przed wejściem do kalcynatora.
Regeneracja amoniaku
W ługach macierzystych po karbonizacji NH3 znajduje się w postaci następujących związków:
  • NH3 (aq),
  • (NH4)2CO3 i NH4HCO3,
  • NH4Cl.
Związki te różnią się trwałością termiczną. Z amoniakalnego roztworu (NH4)2CO3 i NH4HCO3 amoniak można odzyskać przez ogrzewanie roztworu do temperatury około 70 °C, NH4Cl rozkłada się pod działaniem Ca(OH)2. Obie te operacje prowadzi się w instalacji do regeneracji amoniaku. Instalacja ta składa się z aparatów do sporządzania mleka wapiennego, wymienników ciepła, kolumn odpędowych.
Ług macierzysty razem z popłuczynami z filtrów ogrzewa się do temperatury około 65 °C i wprowadza do górnej części kolumny odpędowej. W tym momencie następuje odpędzenie amoniaku z lotnych związków amonowych. Następnie gorącą ciecz miesza się z mlekiem wapiennym w osobnym mieszalniku i wprowadza do dolnej części kolumny odpędowej a odprowadza się roztwór odpadkowy. Gazy zawierające NH3 i CO2 po ochłodzeniu kieruje się do absorpcji w solance. W ten sposób zamyka się obieg amoniaku. Straty amoniaku pokrywa się przez wprowadzenie stężonej wody amoniakalnej do kolumny odpędowej.

Odpady

Gorąca ciecz odpływająca z kolumn odpędowych w procesie produkcji sody amoniakalnej kierowana jest do wielkich osadników ziemnych, w których osadza się zawiesina, a klarowny roztwór soli odprowadza się do zbiorników wodnych. Ciecz z kolumn odpędowych ma następujący skład (kg/m³):

  • NaCl – 56,
  • CaCl2 – 112,
  • Ca(OH)2, CaCO3, CaSO4, SiO2 – 21.

Do osadników ziemnych kieruje się osady z oczyszczania solanki i osad CaCO3 z kaustyfikacji sody i ewentualnie inne odpady. Osadniki te noszą nazwę „białych mórz”.

„Białe morza” stanowią poważny problem ekologiczny, powodują one bowiem silne zasolenie okolicznych wód gruntowych i skażenie naturalnych zbiorników wodnych oraz gleby chlorkiem wapnia. W Stanach Zjednoczonych "białe morza" powstałe z odpadów najdłużej działającej fabryki Solvay'a (w Solvay, Nowy Jork) spowodowały skażenie Jeziora Onondaga, które jest zaliczane obecnie do najbardziej zatrutych jezior w tym kraju.. Po zamknięciu tej fabryki w 1989 r. w Stanach Zjednoczonych nie produkuje się już sody tą metodą, w wielu innych krajach metoda ta jest jednak wciąż stosowana. Większość fabryk stosujących tę technologię lokuje się nad brzegami oceanów, dzięki czemu oczyszczoną wstępnie solankę można odprowadzać wprost do morza i nie ma potrzeby tworzenia „białych mórz”. W ten sposób funkcjonuje m.in. wielka fabryka w Saurashtra, Gudźarat, Indie, i w Osborne, w Australii.

W Polsce największe zgromadzenie „białych mórz” występuje w okolicach Jaworzna. Z czasem wokół „białych mórz” tworzy się specyficzny, nienaturalny ekosystem, który był przedmiotem kilku publikacji naukowych. Przykładem udanego zagospodarowania i rekultywacji terenów po byłej fabryce sody są tereny po Krakowskich Zakładach Sodowych Solvay (m.in. centrum handlowe, tereny rekreacyjne Osadniki Sodowe Solvay, Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się”).

Pokaż ten artykuł na Wikipedia.pl

Tekst udostępniany na licencji Creative Commons: uznanie autorstwa, na tych samych warunkach, z możliwością obowiązywania dodatkowych ograniczeń. Zobacz szczegółowe informacje o warunkach korzystania.
Zasady zachowania poufności. O Wikipedii. Korzystasz z Wikipedii tylko na własną odpowiedzialność. Materiał pochodzący z Wikipedii został zmodyfikowany poprzez ograniczenie liczby przypisów. Wikipedia® is a registered tradmark of the Wikimedia Foundation.

Kategorie dla tego artykułu