МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
на тему:
Синтез і аналіз ХТМ у виробництві гідроксиду натрію і хлору
з водного розчину хлориду натрію
2006 р .
1. Літературний огляд
2. Технологічна частина
2.1. Характеристика вихідної сировини
2.2. Характеристика готової продукції
2.3. Опис технологічної схеми
2.4. Функціональна модель
2.5. Структурна модель
2.6. Операторна модель
3. Висновок
4. Завдання
Список використаної літератури
Введення
Хімічна наука і хімічна промисловість в даний час є одними з провідних галузей, які забезпечують науково технічний прогрес у суспільстві. Інтенсивне зростання даної галузі потребує створення потужної виробничої бази в області великотоннажних реагентів. Одним з таких речовин є гідроокис натрію.
Гідроксид натрію знаходить широке застосування в найрізноманітніших галузях промисловості. Їдкий натр використовується для приготування електролітів при виробництві хімічних джерел струму, як реагент або розчинника в органічному синтезі та технології штучних волокон. У зв'язку з наявністю такого широкого споживчого спектру обрана тема є актуальною.
Метою даної роботи є розробка економічно ефективного, технологічно реалізованого та екологічно безпечного виробництва. Для вирішення цієї проблеми розглянемо реалізовані в даний час в промисловості методи виробництва їдкого натру, виберемо найбільш підходящий метод. Запропонуємо методи вдосконалення реалізованого виробництва та вирішення екологічних проблем які виникають при функціонуванні виробництва.
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
Курсова робота
з дисципліни «Загальна хімічна технологія»на тему:
Синтез і аналіз ХТМ у виробництві гідроксиду натрію і хлору
з водного розчину хлориду натрію
ЗМІСТ
Введення1. Літературний огляд
2. Технологічна частина
2.1. Характеристика вихідної сировини
2.2. Характеристика готової продукції
2.3. Опис технологічної схеми
2.4. Функціональна модель
2.5. Структурна модель
2.6. Операторна модель
3. Висновок
4. Завдання
Список використаної літератури
Введення
Хімічна наука і хімічна промисловість в даний час є одними з провідних галузей, які забезпечують науково технічний прогрес у суспільстві. Інтенсивне зростання даної галузі потребує створення потужної виробничої бази в області великотоннажних реагентів. Одним з таких речовин є гідроокис натрію.
Гідроксид натрію знаходить широке застосування в найрізноманітніших галузях промисловості. Їдкий натр використовується для приготування електролітів при виробництві хімічних джерел струму, як реагент або розчинника в органічному синтезі та технології штучних волокон. У зв'язку з наявністю такого широкого споживчого спектру обрана тема є актуальною.
Метою даної роботи є розробка економічно ефективного, технологічно реалізованого та екологічно безпечного виробництва. Для вирішення цієї проблеми розглянемо реалізовані в даний час в промисловості методи виробництва їдкого натру, виберемо найбільш підходящий метод. Запропонуємо методи вдосконалення реалізованого виробництва та вирішення екологічних проблем які виникають при функціонуванні виробництва.
1. Літературний огляд
Електроліз водного розчину хлориду натрію - одне з найважливіших великотоннажних виробництв, заснованих на процесі електролізу водних розчинів електролітів. Він дозволяє на основі однієї сировини одержати одночасно три продукти: гідроксид натрію, хлор і водень. Технологічний процес складається з трьох стадій: підготовки сировини до електролізу розчину хлориду натрію, очищення і переробки продуктів електролізу.
1.1. Підготовка сировини до електролізу
Сировиною для електролізу служить хлорид натрію у вигляді кам'яної солі, самоосадочной солі або підземного розсолу. Підготовка сировини до електролізу включає операції розчинення (при використанні твердої солі), очищення розсолу від механічних домішок і видалення іонів кальцію і магнію.
Механічні домішки видаляють відстоюванням розсолу з наступним фільтруванням осаду, а іони кальцію і магнію, які негативно впливають на процес електролізу, обробкою розсолу розчином карбонату натрію або вапняним молоком:
Сас l + Na 2 CO 3 → СаСО 3 + 2NaCl
з наступною нейтралізацією надлишкової лужності соляною кислотою. Осад карбонатів кальцію і магнію видаляють фільтруванням.
Отриманий розсіл повинен мати концентрацію солі 310 - 315 г / л, щоб забезпечити, можливо, більш низький потенціал розряду іонів при електролізі. Також існують допустимі межі вмісту іонів кальцію і магнію.
Розсіл, що надходить на електроліз, представляє багатокомпонентну систему, в якій містяться іони натрію, хлору, гідроксонію-катіон і гідроксид-аніон. Послідовність їх розряду і утворюються продукти визначаються відповідно до «правилом розряду» величиною їх потенціалів розряду, які залежать від умов електролізу і, вельми істотно, від матеріалу катода. Розрізняють два варіанти технологічного процесу електролізу водного розчину хлориду натрію: електроліз з твердим залізним катодом (діафрагмовий метод) і електроліз з рідким ртутним катодом.
Аноди електролізерів в обох випадках виготовляють з однакових матеріалів: штучного графіту, просоченого для зменшення зносу льняним маслом, або з титану, покритого шаром оксидів рутенію і титану. Аноди другого типу дозволяють вести електроліз при високій щільності струму і більш низькому напрузі. Такі умови знижують витрату електроенергії на 10-12%. Тому оксидно-рутенієвому аноди витісняють графітові: ними оснащене в даний час до 70% всіх установок електролізу.
1.2. Електроліз розчину хлориду натрію із залізним катодом
При проходженні постійного електричного струму через водний розчин хлориду натрію на залізному катоді розряджаються іони гідроксонію НзО +, потенціал розряду яких в насиченому розчині хлориду натрію, навіть при врахуванні перенапруги, становить +1,1 В, тоді як потенціал розряду іонів натрію дорівнює +2, 71 В.
У той же час, на графітовому і окіднорутеніевом анодах потенціал розряду іонів гідроксилу ОН "за рахунок високого перенапруги становить 1,9 В і перевищує потенціал розряду іонів хлору, рівний 1,6 В. Тому на подібних анодах розряджаються іони хлору.
У табл. 1. наведені потенціали розряду іонів і рівняння первинних процесів при електролізі з залізним катодом.
Теоретичне напруга розкладання одно:
V T = E k + E a = +1,1 - (-1,6) = 2,7 У
На практиці, при проведенні процесу електролізу з залізним катодом, на токоподвода електролізера підтримується напруга близько 4,0 В.
У результаті розряду іонів НзО + у катодному просторі накопичуються іони ОН і утворюється розчин гідроксиду натрію:
NaCl + H 2 O → 0,5 Cl 2 + 0,5 H 2 + NaOH
у анода в катода
Розряд іонів гідроксонію на катоді викликає зміщення рівноваги дисоціації води вправо:
2H 2 O → H 3 O + + OH -
і підвищення концентрації гідроксид-іонів у катодному просторі. При високій концентрації іонів ОН - можливе попадання їх у анодне простір і реакція розряду:
2OH - - 2ē → 0,5 O 2 + H 2 O
Внаслідок цього, хлор, що виділяється в анодному просторі, забруднюється киснем.
Вторинні процеси при електролізі з залізним катодом протікають в анодному просторі. Вони включають:
- Окислення графітового анода киснем, який утворюється при
розряді іонів гідроксиду на аноді:
C + O 2 → CO 2
C + 0,5 O 2 → CO
- Розчинення хлору в електроліті з утворенням соляної і хлорнуватистої кислот:
Cl 2 + 2H 2 O ↔ H 3 O + Cl - + HOCl
- Взаємодія компонентів при дифузії лугу в анодне простір або змішанні анодної (аноліт) і катодного (католіт) рідин з утворенням гіпохлорит-іона і хлорат-іона.
У результаті протікання вторинних процесів розчин гідроксиду натрію, отриманий електролізом з залізним катодом, завжди містить домішки гіпохлориту і хлорат натрію. Вторинні процеси знижують вихід по струму і коефіцієнт використання енергії.
Питома вага побічних вторинних процесів може бути знижений:
- Поділом катодного і анодного простору в електролізері за допомогою фільтруючого діафрагми (звідси назва методу діафрагмовий), що забезпечує односторонній рух розсолу в напрямку, протилежному руху іонів ОН - до анода і перешкоджає зворотному переміщенню їх;
- Подачею розсолу в електролізер зі швидкістю, що перевищує швидкість утворення іонів ОН - і витіснення утворюється розчину гідроксиду натрію (лугу) у катодне простір;
- Застосуванням високих температур і концентрацій розсолу, що знижує розчинність хлору в електроліті і вірогідність протікання вторинних процесів;
- Зниженням концентрації виходить з електролізера лугу, тобто зменшенням вмісту гідроксиду натрію в розчині, також знижує ймовірність вторинних процесів. Тому, процес електролізу ніколи не доводять до повного перетворення хлориду натрію, зупиняючи його при досягненні певної концентрації лугу.
Рис. 1. Залежність виходу по струму від концентрації лугу
На рис. 1. наведена залежність виходу гідроксиду натрію від концентрації його у вихідному лузі. Таким чином, оптимальними умовами процесу електролізу водного розчину хлориду натрію із залізним катодом є:
- Температура електроліту 70 - 90 ° С;
- Концентрація лугу, що виходить з електролізера 130 - 140 г / л;
- Концентрація розсолу, що надходить в електролізер 305 - 315 г / л.
У цих умовах ступінь перетворення хлориду натрію становить 0,4-0,5 дол. од.
Еектролізер (електролітична, осередок) - основний апарат у технологічному процесі виробництва їдкого натру та хлору електролізом водного розчину хлориду натрію із залізним катодом.
Діафрагмові електролізери можуть бути двох типів: з вертикально розташованими катодами з верхнім або нижнім токоподвода, або з горизонтально розташованими катодами. В даний час повсюдно використовуються електролізери перший тпа (рис 2).
Рис. 2. Електролізер вертикального типу: 1 - перфорований катод, 2 - діафрагма, 3 - катодне простір, 4 - анод, 5 - анодна простір.
Електролізер складається з герметично закритого корпусу, що виключає підсмоктування повітря і забруднення ним газоподібних продуктів електролізу, анода, катода і діафрагми. Він забезпечений пристроями для підведення розсолу і відведення лугу, хлору та водню. Катод
електролізера виготовлений з перфорованої листової сталі або сталевої сітки, натягнутої на каркас. Катод може мати різну конфігурацію. Діафрагму електролізерів виготовляють з азбесту, стійкого до слабокислою, лужному середовищі і дії хлору. Діафрагми можуть бути двох типів: листові і обложені. Листові діафрагми виготовляють з тонких аркушів азбестового картону, щільно прилеглих до катода, обложені - із спеціально підготовленого азбестового волокна, що наноситься у вигляді пульпи на поверхню катода і Насмоктувати на нього. У табл. 2. наведено характеристики найбільш поширених сучасних електролізерів з металооксидних анодами БГК-50/25 і БГК-100, що розрізняються продуктивністю.
У цеху електролізу, окремі осередки (електролізери) об'єднані у групи до 150 штук. Тоді сумарна напруга електролізу складе 3,4 · 150 = 510 В.
Різновид діафрагмового способу - більш досконалий процес електролізу в електролізерах з іонообмінної мембраною. У таких електролізерах анодне і катодне простору розділені полімерною мембраною, яка запобігає потраплянню хлориду натрію з анодного простору в яке подається розсіл, в катодне і перешкоджає переносу іонів ОН - до анода електролізера. Хлор виділяється на аноді і виводиться з анодного простору разом із збідненим розсолом. Іони натрію і частково молекули води проходять через мембрану до катода, куди подається вода в кількості, необхідній для утворення щелока заданої концентрації. Електролізери мембранного типу розрізняються числом осередків (від 40 до 80) і мають потужність до 80 тисяч тонн на рік за гідроксиду натрію. На відміну від електролізерів з азбестового діафрагмою навантаження на комірку (сила струму) значно нижче і не перевищує 7,5 кА. Тому електролізери з іонообмінної мембраною значно економічніше діафрагменних.
1.3. Електроліз розчину хлориду натрію з ртутним катодом
На ртутному катоді розряд іонів гідроксонію Н 3 О може відбуватися тільки при малих, менше 50 А / м, щільності струму. В умовах промислового електролізу водних розчинів хлориду натрію в електролізерах з ртутним катодом щільність струму становить 5-10 кА / м 2. При такій щільності струму, унаслідок перенапруження потенціал розряду іонів Н 3 О становить +2,0 В. У той же час, за рахунок розчинення виділився металевого натрію в ртуті, утворюється амальгама Natig n, що представляє якісно новий електрод, потенціал розряду натрію на якому становить +1,2 В. Тому, на катоді будуть розряджатися іони натрію.
Первинні процеси розряду на аноді при електролізі з ртутним катодом ті ж, що і при електролізі з залізним катодом. У табл. 3. наведені потенціали розряду іонів і рівняння первинних процесів при електролізі з ртутним катодом.
Теоретичне напруга розкладання одно:
V T = E k + E a = +1,2 - (-1,6) = 2,8 У
Практично, при проведенні електролізу з ртутним катодом на токоподвода електролізера підтримується напруга, рівне 4,5 В.
Вторинні процеси при електролізі водного розчину хлориду натрію з ртутним катодом зводяться до реакції:
- Розкладання амальгами натрію водою поза електролізера в разлагателе:
NaHg n + H 2 O ® - NaOH + 0,5 H 2 + nHg n
- Розчинення натрію в ртуті та освіта рідкої амальгами натрію в катодному просторі.
Так як в електролізі з ртутним катодом не відбувається розряду іонів НзО +, то концентрація іонів гідроксилу в катодному просторі електролізера не збільшується і вторинні процеси в анодному просторі відсутні.
Підсумовуючи рівняння реакцій первинних процесів і вторинних процесів утворення та розкладання амальгами натрію, отримуємо рівняння процесу електролізу, ідентичне попердню:
NaCI ® Na + 0,5 Cl
Na + nHg ® NaHg n
NaHg n + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + nHg
NaCl + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + 0,5 Cl 2
в разлагателе у анода
Електролізер, використовуваний в процесі електролізу з ртутним катодом, складається з власне електролізера (ванни) і разлагателя. Конструктивно разлагатель може бути об'єднаний в одне ціле з електролізером або винесено окремо. По дну ванни, що має невеликий ухил, безперервно рухається тонкий (товщиною 5 мм) шар ртуті, що є катодом. Утворюється в процесі електролізу рідка амальгама натрію концентрацією не більше 3 × 10 -4 мас. дол., самопливом надходить в разлагатель, куди подається вода. З разлагателя, водень, який виділяється надходить у загальний колектор, а розчин гідроксиду натрію концентрацією 0,5 мас. дол. направляється до збірки щелока. На рис. 3. наведена принципова схема електролізу з ртутним катодом.
У табл. 4. дано характеристики найбільш поширених електролізерів з ртутним катодом.
Таблиця 4
Характеристики електролізерів з ртутним катодом
Зіставлення діафрагмового і ртутного методів виробництва їдкого натру і хлору дозволяє зробити висновок, що:
- Електролізери з ртутним катодом споживають більше енергії внаслідок високої напруги розкладання, експлуатація їх складніше, капітальні витрати вище, а умови праці з-за токсичності ртуті важче. Однак у них можна отримувати більш концентровані і вільні від хлориду натрію лугу, що про легшає подальше виділення гідроксиду натрію,
- Електролізери з залізним катодом дозволяють використовувати в якості сировини підземні розсоли, тоді як у ваннах із ртутним катодом застосовується тільки чиста сіль. Їх недолік - високий (до 0,04 мас. Дол. Проти 0,0005 мас. Дол. У ртутних ваннах) утримання в лузі хлориду натрію, що утрудняє його переробку.
Собівартість гідроксиду натрію отриманого електролізом з ртутним катодом на 10-15% вище, ніж собівартість отриманого діафрагмовим методом.
Подальше вдосконалення процесу виробництва гідроксиду натрію і хлору електрохімічним методом полягає в:
- Розробці процесу, що поєднує діафрагмовий і ртутний методи, в якому твердий хлорид натрію, отриманий випарюванням зворотного щелока з діафрагмового електролізера, надходить на донасищеніе аноліта з ванн з ртутним катодом,
- Впровадження електролізерів діафрагмового типу з іонообмінної мембраною.
1.4. Переробка продуктів електролізу
Електроліз водного розчину хлориду натрію використовується для промислового виробництва гідроксиду натрію. В якості побічного продукту при цьому виходить водень.
Переробка щелока в гідроксид натрію. Електролітичний луг, одержуваний електролізом з ртутним катодом, не містить хлориду натрію. Для одержання з нього гідроксиду натрію луг упарюють до заданої концентрації і потім обезводнюють. Луг, що отримується електролізом з залізним катодом, містить 170-200 г / л хлориду натрію. Процес переробки цього щелока полягає у виділенні з нього хлориду натрію, що повертається в технологічний процес, упарюванні розчину і зневодненні отриманого плаву їдкого натру для отримання твердого продукту. Виділення хлориду натрію з лугу засноване на його ізотермічної кристалізації. Розчинність хлориду натрію у водних розчинах гідроксиду натрію знижується зі збільшенням концентрації останнього.
Тому при упарюванні щелока з нього випадає розчинений у ньому хлорид натрію. Упарювання до концентрації вище 50% мас. практичної точки зору, так як за цією межею розчинність хлориду натрію майже не змінюється. Виділився хлорид натрію після охолодження розчину відокремлюють на фільтрі, промивають і знову використовують для електролізу (зворотна сіль).
У деяких галузях промисловості використовують твердий їдкий натр. Для його отримання очищений від хлориду натрію і упарену луг зневоднюють (плавлять) в котлах, що обігріваються топковим газами, або у вакуум-випарних установках безперервної дії, що обігріваються висококиплячих органічним теплоносієм - даутермом (суміш дифенілу і діоксиду).
Технічний гідроксид натрію (їдкий натр) випускають у твердому вигляді (плавлений і у вигляді лусочок) з вмістом NaOH не менше 95% (ГОСТ 2263-71) і у вигляді водного розчину з вмістом NaOH не менше 610 г / л (ГОСТ 11078-71 ).
2. Технологічна частина
2.1. Характеристика вихідної сировини
Вихідним компонентом при виробництві їдкого натрію є хлорид натрію. При виробництві застосовують також карбонат натрію і соляна кислота.
Натрію хлорид (кухонна сіль, кам'яна сіль) NaCl, безбарвні мало гігроскопічні кристали з кубічною гранецентрірірованной гратами (а = 0,56402 нм, просторова група Fm3m, z = 4); Т ПЛ = 801 ° С, Т кип. = 1413 ° С; щільність - 2,161 г / см 3 (20 ° С); З р ° - 50,50 Дж / (моль × К); АН ° ПЛ -28,20 кДж / моль, DН ° обр - 411, 26 кДж / моль; S 0298 = 72,15 Дж / (моль × К).
У рівноважному парі міститься 83 молекулярних% NaCl і 17% Na 2 Cl 2. Розчинність у воді (г в 100 г): 35,68 (10 ° С), 35,87 (20 ° С), 36,80 (50 ° С), 38,12 (80 ° С). Розчинність в рідкому NH 3, спиртах, етиленгліколь, мурашиної кислоти, не розчинимо в соляній кислоті. В інтервалі від -21,2 до 0,15 ° С кристалізується дигідрат NaCl-2H 2 O; щільність 1,6 г / см 3; тиск водяної пари над ним змінюється від 91,77 (-21,2 ° С) до 462 , 84 Па (0,15 ° С). Насищеннний водний розчин (28,41% за масою NaCl) кипить при 108,7 ° С.
У природі хлорид натрію зустрічається у вигляді мінералу Галіт (кам'яна сіль), у воді океанів і морів, ропі соляних озер і підземних розсолах.
Хлорид натрію виробляють з природної сировини. Видобуток кам'яної солі здійснюється закритим способом (рідше - відкритим) з застосуванням підземного вилуговування. Видобуток самосадочной солі з соляних озер здійснюється механічним способом, озерну сіль промивають ропою, центрифугують і сушать. Садочние (басейнових) сіль отримують природним випаровуванням морських і озерних розсолів у системі спеціально влаштованих басейнів, в місцевостях з холодним кліматом використовують виморожування. Виварної сіль (найбільш чиста) виробляють упариванием природних або штучно отриманих та очищених розсолів у вакуум-випарних апаратах. Для технічних цілей застосовують кам'яну і самосадочную сіль, для харчових - виварної, самосадочную і садочние. Виробляють спеціальні сорти хлористого натрію: йодовану, брикетованих і ісслежівающуюся, чисту з вмістом хлористого натрію вище 99,9% за масою. Хлорид натрію - харчовий продукт, що консервує засіб, сировина для отримання Na 2 CO 3, Cl 2, NaOH, хлорного вапна та ін, його застосовують більш ніж в 1500 виробництв різних речовин і матеріалів. Світове виробництво близько 175 млн. т / рік (1980). ГДК в повітрі 1,0 мг / м 3.
Натрію карбонат (кальцинована сода) Na 2 CO 3, безбарвні кристали; до 350 ° С існує a-модифікація (див. табл. 5), в інтервалі 350-479 ° С - b з моноклінної кристалічної гратами, а вище 479 ° С - гексагональна модифікація g (а = 0,5215 нм, с = 0,6584 нм, z = 2, просторова група Р6 3 тс); DН 0 переходів a «b і b« g відповідно 0,80 і 2,1 кДж / моль; Т пл. = 858 ° С; DН ° ПЛ = 28 кДж / моль.
Гігроскопічний. Розчинність у воді = 17,69% за масою (20 ° С); DН 0 розчинення для нескінченно розведеного розчину - 26,65 кДж / моль; розчини мають сільнощелочних реакцію. Нижче 32 ° С з водних розчинів кристалізується декагідрат, в інтервалі 32-35 ° С - гексагідрат, вище 35 ° С - моногідрат, а вище 112,5 ° С - безводна сіль. У природі карбонат натрію зустрічається у вигляді грунтових розсолів, ропи в озерах і мінералів-натрона Na 2 CO3 · 10H 2 O, термонатріта Na 2 CO 3 · H 2 O, трони Na 2 CO3 · NaHCO 3 · 2H 2 O. У Росії потужність родовищ природного карбонат натрію близько 4 млн. т. Великі запаси карбонат натрію зосереджені в США, Канаді, Кенії, Мексиці, ПАР та інших
Основна кількість карбонату натрію отримують аміачно-хлоридним способом (спосіб Сольве): природний або штучно приготовлений розсіл NaCl очищають від домішок Са і Mg дією Na 2 CO 3, і Са (ОН) 2, насичують NH 3, а потім піддають карбонізації в барботажних колонах . Прокаливанием NaHCO 3 отримують Na 2 CO 3. Карбонат натрію добувають також з природних покладів, соляних розсолів. Застосовують: як компонент шихти у виробництві скла; для отримання мила та ін миючих засобів, гідроксиду Na і ін сполук Na; при варінні целюлози; для обробки бокситів у виробництві А1; для нейтралізації кислих компонентів при очищенні нафтопродуктів; для отримання пігментів, наприклад Fe 2 O 3 з FeCl 3. ГДК в повітрі 2 мг / м 3.
Соляна кислота (хлористоводнева кислота, хлороводнева кислота), розчин НС1 у воді - безбарвна рідина з різким запахом; сильна одноосновна кислота. Хлористий водень НС1 (молекулярна маса 36,461) - безбарвний газ з різким запахом, у вологому повітрі сильно димить; довжина зв'язку Н-С1 0,1274 нм, енергія дисоціації - 427,77 кДж / моль; Т кип - 85,1 ° С ( безбарвна легко рухома рідина), Т пл -114,22 ° С; кристалізується в кубічній решітці, нижче -174,15 ° С існує ромбічна модифікація; потрійна точка -114,22 ° С; щільність по повітрю 1,2679; t крит = 51,4 ° С, р Крит = 8,258 МПа, d Крит = 0,42 г / см 3; DН ПЛ = 1,9924 кДж / моль (-114,22 ° С), тиск пари (Па): 133,32 -10 "° (-200,7 ° С), 2,775-10 3 (-130,15 ° С), 10,0 x104 (-85,1 ° С), 74,0 x104 (-40 ° С), 24, 95 × 10 5 (О ° С), 76,9 × 10 5 (50 ° С).
2.2. Характеристика готового продукту
Натрію гідроксид (каустична сода) NaOH, безбарвні кристали; до 299 ° С стійка ромбічна модифікація (а = 0,33994 нм, с = 1,1377 нм), вище 299 ° С - моноклінна; DН 0 поліморфного переходу 5,85 кДж / моль; Т пл. = 323 ° С, Т кип. = 1403 ° С; щільність 2,02 г / см 3; С ° р = 59,54 Дж / (моль · К); DН ° обр = -425,88 кДж / моль, Н ° возг - 239,335 кДж / моль ( 0 До); DН ° ПЛ 7,8 кДж / моль; S ° 298 = 64,43 Дж / (моль × К). Показники заломлення: менший N p = 1,457, середній N m = 1,470, більший N g = 1,472. Розчинність (% по масі): у воді - 52,2 (20 ° С), метанолі-23, 6 (28 ° С), етанолі-14, 7 (28 ° С); DН 0 розчинення для нескінченно розведеного водного розчину - 44,45 кДж / моль; водні розчини мають сільнощелочних реакцію. Гідроксид натрію поглинає з повітря СО 2, утворюючи Na 2 CO 3. У рідкому NH 3 практично не розчиняється. j
З водних розчинів при 12,3-61,8 ° С кристалізується моногідрат (сингонія ромбічна; Т пл = 65,1 ° С; щільність 1,829 г / см 3; DН ° о6р - 734,96 кДж / моль), а в інтервалі від -28 до - 24 ° С - гептагідрат, від -24 до -17,7 ° С - пентагідрат, від -17,7 до -5,4 ° С - тетрагідрат (a-модифікація), а при -5,4 - 12,3 ° С - NaOH × 3,5 H 2 O (Т пл = 15,5 ° С); відомий також метастабільний b-NaOH × 4H 2 O. Вище 61,8 ° С кристалізується безводна сіль.
Гідроксид натрію - серйозна причина, відноситься до лугів. Зі спиртами утворює алкоголяти. Розплавлений гідроксид натрію розчиняє Na і NaH. Руйнує матеріали органічного походження (папір, шкіру та ін.) Отримують гідроксид натрію: електролізом розчинів NaCl (з одночасним отриманням С1 2) з використанням твердих електродів і проточного електроліту (60-90 ° С) або ртутного катода (до 70 ° С); взаємодією гарячого розчину Na 2 CO 3 з Са (ОН) 2; реакцією Ва (ОН) 2 з розчином Na 2 SO 4. Застосовують: для очищення нафти, масел; у виробництві паперу, мила, штучних волокон та ін; як осушувальної агент для газів і багатьох органічних рідин; водні розчини - електроліти в повітряно-цинкових елементах. Викликає важкі опіки шкіри і слизових оболонок; ГДК в повітрі 0,5 мг / м 3.
2.3. Моделі розглянутої ХТМ
2.3.1. Хімічна модель
У процесі отримання NaOH протікають електрохімічні реакції:
NaCI ® Na + 0,5 Cl
Na + nHg ® NaHg n
NaHg n + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + nHg
NaCl + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + 0,5 Cl 2
в разлагателе у анода
Висновок
У представленій роботі здійснено аналіз структури хіміко-технологічних схем електрохімічного виробництва гідроксиду натрію. Оцінено переваги і недоліки перерахованих методів. Доведено техніко-економічну перевагу застосування методу електролізу з ртутним катодом.
На підставі проведеного аналізу запропоновано модель ХТМ з виготовлення гідроксиду натрію, яка характеризується простою технологією, що включає мінімум стадій, мінімальною собівартістю продукту.
Завдяки застосуванню циркуляційної схеми побудови технологічної лінії максимально знижено витрату карбонату кальцію і соляної кислоти і вирішена проблема утилізації відходів. Всі розчинники працюють в замкнутих циклах, що так само знижує екологічну напруженість виробництва.
Список використаних джерел
1. Кутєпов А.М. Загальна хімічна технологія / А.М. Кутєпов, Т.І. Бондарева, М.Г. Беренгартен. М.: Вища школа, 1990. - 520 с.
2. Загальна хімічна технологія / Под ред. І.П. Мухленова М.: Вища школа. - 1984. - Т 1. - 419 с.
3. Розрахунки хіміко-технологічних процесів / Под ред. І.П. Мухленова, вид 2. - М.: Хімія. 1982. - 245 с.
4. Бєсков С.Д. Технологічні розрахунки / С.Д. Бєсков. М.: Вища школа, 1966, 519 с.
Електроліз водного розчину хлориду натрію - одне з найважливіших великотоннажних виробництв, заснованих на процесі електролізу водних розчинів електролітів. Він дозволяє на основі однієї сировини одержати одночасно три продукти: гідроксид натрію, хлор і водень. Технологічний процес складається з трьох стадій: підготовки сировини до електролізу розчину хлориду натрію, очищення і переробки продуктів електролізу.
1.1. Підготовка сировини до електролізу
Сировиною для електролізу служить хлорид натрію у вигляді кам'яної солі, самоосадочной солі або підземного розсолу. Підготовка сировини до електролізу включає операції розчинення (при використанні твердої солі), очищення розсолу від механічних домішок і видалення іонів кальцію і магнію.
Механічні домішки видаляють відстоюванням розсолу з наступним фільтруванням осаду, а іони кальцію і магнію, які негативно впливають на процес електролізу, обробкою розсолу розчином карбонату натрію або вапняним молоком:
Сас l + Na 2 CO 3 → СаСО 3 + 2NaCl
з наступною нейтралізацією надлишкової лужності соляною кислотою. Осад карбонатів кальцію і магнію видаляють фільтруванням.
Отриманий розсіл повинен мати концентрацію солі 310 - 315 г / л, щоб забезпечити, можливо, більш низький потенціал розряду іонів при електролізі. Також існують допустимі межі вмісту іонів кальцію і магнію.
Розсіл, що надходить на електроліз, представляє багатокомпонентну систему, в якій містяться іони натрію, хлору, гідроксонію-катіон і гідроксид-аніон. Послідовність їх розряду і утворюються продукти визначаються відповідно до «правилом розряду» величиною їх потенціалів розряду, які залежать від умов електролізу і, вельми істотно, від матеріалу катода. Розрізняють два варіанти технологічного процесу електролізу водного розчину хлориду натрію: електроліз з твердим залізним катодом (діафрагмовий метод) і електроліз з рідким ртутним катодом.
Аноди електролізерів в обох випадках виготовляють з однакових матеріалів: штучного графіту, просоченого для зменшення зносу льняним маслом, або з титану, покритого шаром оксидів рутенію і титану. Аноди другого типу дозволяють вести електроліз при високій щільності струму і більш низькому напрузі. Такі умови знижують витрату електроенергії на 10-12%. Тому оксидно-рутенієвому аноди витісняють графітові: ними оснащене в даний час до 70% всіх установок електролізу.
1.2. Електроліз розчину хлориду натрію із залізним катодом
При проходженні постійного електричного струму через водний розчин хлориду натрію на залізному катоді розряджаються іони гідроксонію НзО +, потенціал розряду яких в насиченому розчині хлориду натрію, навіть при врахуванні перенапруги, становить +1,1 В, тоді як потенціал розряду іонів натрію дорівнює +2, 71 В.
У той же час, на графітовому і окіднорутеніевом анодах потенціал розряду іонів гідроксилу ОН "за рахунок високого перенапруги становить 1,9 В і перевищує потенціал розряду іонів хлору, рівний 1,6 В. Тому на подібних анодах розряджаються іони хлору.
У табл. 1. наведені потенціали розряду іонів і рівняння первинних процесів при електролізі з залізним катодом.
Таблиця 1
Електроліз із залізним катодом
| Електрод | Потенціал розряду, У | Первинна реакція | ||
| Е р | Е пер | Е | ||
| Катод | +2,71 0,84 | - 0,26 | +2,71 +1,10 | Na + H 3 O + + ē ® 0,5 H 2 + H 2 O |
| Анод | -0,83 -1,33 | -1,07 -0,27 | -1,90 -1,60 | OH - Cl - - ē = 0,5 Cl 2 |
V T = E k + E a = +1,1 - (-1,6) = 2,7 У
На практиці, при проведенні процесу електролізу з залізним катодом, на токоподвода електролізера підтримується напруга близько 4,0 В.
У результаті розряду іонів НзО + у катодному просторі накопичуються іони ОН і утворюється розчин гідроксиду натрію:
у анода в катода
Розряд іонів гідроксонію на катоді викликає зміщення рівноваги дисоціації води вправо:
2H 2 O → H 3 O + + OH -
і підвищення концентрації гідроксид-іонів у катодному просторі. При високій концентрації іонів ОН - можливе попадання їх у анодне простір і реакція розряду:
2OH - - 2ē → 0,5 O 2 + H 2 O
Внаслідок цього, хлор, що виділяється в анодному просторі, забруднюється киснем.
Вторинні процеси при електролізі з залізним катодом протікають в анодному просторі. Вони включають:
- Окислення графітового анода киснем, який утворюється при
C + O 2 → CO 2
C + 0,5 O 2 → CO
- Розчинення хлору в електроліті з утворенням соляної і хлорнуватистої кислот:
Cl 2 + 2H 2 O ↔ H 3 O + Cl - + HOCl
- Взаємодія компонентів при дифузії лугу в анодне простір або змішанні анодної (аноліт) і катодного (католіт) рідин з утворенням гіпохлорит-іона і хлорат-іона.
У результаті протікання вторинних процесів розчин гідроксиду натрію, отриманий електролізом з залізним катодом, завжди містить домішки гіпохлориту і хлорат натрію. Вторинні процеси знижують вихід по струму і коефіцієнт використання енергії.
Питома вага побічних вторинних процесів може бути знижений:
- Поділом катодного і анодного простору в електролізері за допомогою фільтруючого діафрагми (звідси назва методу діафрагмовий), що забезпечує односторонній рух розсолу в напрямку, протилежному руху іонів ОН - до анода і перешкоджає зворотному переміщенню їх;
- Подачею розсолу в електролізер зі швидкістю, що перевищує швидкість утворення іонів ОН - і витіснення утворюється розчину гідроксиду натрію (лугу) у катодне простір;
- Застосуванням високих температур і концентрацій розсолу, що знижує розчинність хлору в електроліті і вірогідність протікання вторинних процесів;
- Зниженням концентрації виходить з електролізера лугу, тобто зменшенням вмісту гідроксиду натрію в розчині, також знижує ймовірність вторинних процесів. Тому, процес електролізу ніколи не доводять до повного перетворення хлориду натрію, зупиняючи його при досягненні певної концентрації лугу.
Рис. 1. Залежність виходу по струму від концентрації лугу
На рис. 1. наведена залежність виходу гідроксиду натрію від концентрації його у вихідному лузі. Таким чином, оптимальними умовами процесу електролізу водного розчину хлориду натрію із залізним катодом є:
- Температура електроліту 70 - 90 ° С;
- Концентрація лугу, що виходить з електролізера 130 - 140 г / л;
- Концентрація розсолу, що надходить в електролізер 305 - 315 г / л.
У цих умовах ступінь перетворення хлориду натрію становить 0,4-0,5 дол. од.
Еектролізер (електролітична, осередок) - основний апарат у технологічному процесі виробництва їдкого натру та хлору електролізом водного розчину хлориду натрію із залізним катодом.
Діафрагмові електролізери можуть бути двох типів: з вертикально розташованими катодами з верхнім або нижнім токоподвода, або з горизонтально розташованими катодами. В даний час повсюдно використовуються електролізери перший тпа (рис 2).
Рис. 2. Електролізер вертикального типу: 1 - перфорований катод, 2 - діафрагма, 3 - катодне простір, 4 - анод, 5 - анодна простір.
Електролізер складається з герметично закритого корпусу, що виключає підсмоктування повітря і забруднення ним газоподібних продуктів електролізу, анода, катода і діафрагми. Він забезпечений пристроями для підведення розсолу і відведення лугу, хлору та водню. Катод
Таблиця 2
Характеристики електролізерів з залізним катодом і металооксидних анодами| Показники | Тип електролізера | |
| БГК-50/25 | БГК-100 | |
Сила струму (навантаження на комірку), кА | 50 | 100 |
| Число осередків (електролізерів) | 1 | 1 |
| Напруга, В | 3,40 | 3,45 |
| Вихід по струму, дол. од. | 0,96 | 0,96 |
| Термін служби електродів, років | 4 | 4 |
| Концентрація NaOH в лузі, г / л | 120-140 | 120-140 |
| Концентрація хлору, Проте про. дол. | 0,965 | 0,975 |
| Концентрація водню, Проте про, дол. | 0,995 | 0,995 |
| Продуктивність по 100% NaOH, т / добу | 1,72 | 3,44 |
Різновид діафрагмового способу - більш досконалий процес електролізу в електролізерах з іонообмінної мембраною. У таких електролізерах анодне і катодне простору розділені полімерною мембраною, яка запобігає потраплянню хлориду натрію з анодного простору в яке подається розсіл, в катодне і перешкоджає переносу іонів ОН - до анода електролізера. Хлор виділяється на аноді і виводиться з анодного простору разом із збідненим розсолом. Іони натрію і частково молекули води проходять через мембрану до катода, куди подається вода в кількості, необхідній для утворення щелока заданої концентрації. Електролізери мембранного типу розрізняються числом осередків (від 40 до 80) і мають потужність до 80 тисяч тонн на рік за гідроксиду натрію. На відміну від електролізерів з азбестового діафрагмою навантаження на комірку (сила струму) значно нижче і не перевищує 7,5 кА. Тому електролізери з іонообмінної мембраною значно економічніше діафрагменних.
1.3. Електроліз розчину хлориду натрію з ртутним катодом
На ртутному катоді розряд іонів гідроксонію Н 3 О може відбуватися тільки при малих, менше 50 А / м, щільності струму. В умовах промислового електролізу водних розчинів хлориду натрію в електролізерах з ртутним катодом щільність струму становить 5-10 кА / м 2. При такій щільності струму, унаслідок перенапруження потенціал розряду іонів Н 3 О становить +2,0 В. У той же час, за рахунок розчинення виділився металевого натрію в ртуті, утворюється амальгама Natig n, що представляє якісно новий електрод, потенціал розряду натрію на якому становить +1,2 В. Тому, на катоді будуть розряджатися іони натрію.
Первинні процеси розряду на аноді при електролізі з ртутним катодом ті ж, що і при електролізі з залізним катодом. У табл. 3. наведені потенціали розряду іонів і рівняння первинних процесів при електролізі з ртутним катодом.
Таблиця 3
Електроліз з ртутним катодом
| Електрод | Потенціал розряду, У | Первинна реакція | ||
| Е р | Е пер | Е | ||
| Катод | +2,71 0,84 | - 0,26 | +2,71 +1,10 | Na + + ē ® Na H 3 O + |
| Анод | -0,83 -1,33 | -1,07 -0,27 | -1,90 -1,60 | OH - Cl - - ē = 0,5 Cl 2 |
V T = E k + E a = +1,2 - (-1,6) = 2,8 У
Практично, при проведенні електролізу з ртутним катодом на токоподвода електролізера підтримується напруга, рівне 4,5 В.
Вторинні процеси при електролізі водного розчину хлориду натрію з ртутним катодом зводяться до реакції:
- Розкладання амальгами натрію водою поза електролізера в разлагателе:
NaHg n + H 2 O ® - NaOH + 0,5 H 2 + nHg n
- Розчинення натрію в ртуті та освіта рідкої амальгами натрію в катодному просторі.
Так як в електролізі з ртутним катодом не відбувається розряду іонів НзО +, то концентрація іонів гідроксилу в катодному просторі електролізера не збільшується і вторинні процеси в анодному просторі відсутні.
Підсумовуючи рівняння реакцій первинних процесів і вторинних процесів утворення та розкладання амальгами натрію, отримуємо рівняння процесу електролізу, ідентичне попердню:
NaCI ® Na + 0,5 Cl
Na + nHg ® NaHg n
NaHg n + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + nHg
в разлагателе у анода
Електролізер, використовуваний в процесі електролізу з ртутним катодом, складається з власне електролізера (ванни) і разлагателя. Конструктивно разлагатель може бути об'єднаний в одне ціле з електролізером або винесено окремо. По дну ванни, що має невеликий ухил, безперервно рухається тонкий (товщиною 5 мм) шар ртуті, що є катодом. Утворюється в процесі електролізу рідка амальгама натрію концентрацією не більше 3 × 10 -4 мас. дол., самопливом надходить в разлагатель, куди подається вода. З разлагателя, водень, який виділяється надходить у загальний колектор, а розчин гідроксиду натрію концентрацією 0,5 мас. дол. направляється до збірки щелока. На рис. 3. наведена принципова схема електролізу з ртутним катодом.
У табл. 4. дано характеристики найбільш поширених електролізерів з ртутним катодом.
Таблиця 4
Характеристики електролізерів з ртутним катодом
| Показник | Тип електролізера | |
| Р-101 | Р-300 | |
| Сипа струму (навантаження), кА | 150 | 300 |
| Напруга, В | 4,6 | 4,7 |
| Вихід по струму, дол. од. | 0,95 | 0,95 |
| Витрата енергії на 1 т Cl 2, кВт × год | 3620 | 3680 |
| Продуктивність по Сl 2, т / добу | 4,5 | 9,04 |
- Електролізери з ртутним катодом споживають більше енергії внаслідок високої напруги розкладання, експлуатація їх складніше, капітальні витрати вище, а умови праці з-за токсичності ртуті важче. Однак у них можна отримувати більш концентровані і вільні від хлориду натрію лугу, що про легшає подальше виділення гідроксиду натрію,
- Електролізери з залізним катодом дозволяють використовувати в якості сировини підземні розсоли, тоді як у ваннах із ртутним катодом застосовується тільки чиста сіль. Їх недолік - високий (до 0,04 мас. Дол. Проти 0,0005 мас. Дол. У ртутних ваннах) утримання в лузі хлориду натрію, що утрудняє його переробку.
Собівартість гідроксиду натрію отриманого електролізом з ртутним катодом на 10-15% вище, ніж собівартість отриманого діафрагмовим методом.
Подальше вдосконалення процесу виробництва гідроксиду натрію і хлору електрохімічним методом полягає в:
- Розробці процесу, що поєднує діафрагмовий і ртутний методи, в якому твердий хлорид натрію, отриманий випарюванням зворотного щелока з діафрагмового електролізера, надходить на донасищеніе аноліта з ванн з ртутним катодом,
- Впровадження електролізерів діафрагмового типу з іонообмінної мембраною.
1.4. Переробка продуктів електролізу
Електроліз водного розчину хлориду натрію використовується для промислового виробництва гідроксиду натрію. В якості побічного продукту при цьому виходить водень.
Переробка щелока в гідроксид натрію. Електролітичний луг, одержуваний електролізом з ртутним катодом, не містить хлориду натрію. Для одержання з нього гідроксиду натрію луг упарюють до заданої концентрації і потім обезводнюють. Луг, що отримується електролізом з залізним катодом, містить 170-200 г / л хлориду натрію. Процес переробки цього щелока полягає у виділенні з нього хлориду натрію, що повертається в технологічний процес, упарюванні розчину і зневодненні отриманого плаву їдкого натру для отримання твердого продукту. Виділення хлориду натрію з лугу засноване на його ізотермічної кристалізації. Розчинність хлориду натрію у водних розчинах гідроксиду натрію знижується зі збільшенням концентрації останнього.
Тому при упарюванні щелока з нього випадає розчинений у ньому хлорид натрію. Упарювання до концентрації вище 50% мас. практичної точки зору, так як за цією межею розчинність хлориду натрію майже не змінюється. Виділився хлорид натрію після охолодження розчину відокремлюють на фільтрі, промивають і знову використовують для електролізу (зворотна сіль).
У деяких галузях промисловості використовують твердий їдкий натр. Для його отримання очищений від хлориду натрію і упарену луг зневоднюють (плавлять) в котлах, що обігріваються топковим газами, або у вакуум-випарних установках безперервної дії, що обігріваються висококиплячих органічним теплоносієм - даутермом (суміш дифенілу і діоксиду).
Технічний гідроксид натрію (їдкий натр) випускають у твердому вигляді (плавлений і у вигляді лусочок) з вмістом NaOH не менше 95% (ГОСТ 2263-71) і у вигляді водного розчину з вмістом NaOH не менше 610 г / л (ГОСТ 11078-71 ).
2. Технологічна частина
2.1. Характеристика вихідної сировини
Вихідним компонентом при виробництві їдкого натрію є хлорид натрію. При виробництві застосовують також карбонат натрію і соляна кислота.
Натрію хлорид (кухонна сіль, кам'яна сіль) NaCl, безбарвні мало гігроскопічні кристали з кубічною гранецентрірірованной гратами (а = 0,56402 нм, просторова група Fm3m, z = 4); Т ПЛ = 801 ° С, Т кип. = 1413 ° С; щільність - 2,161 г / см 3 (20 ° С); З р ° - 50,50 Дж / (моль × К); АН ° ПЛ -28,20 кДж / моль, DН ° обр - 411, 26 кДж / моль; S 0298 = 72,15 Дж / (моль × К).
У рівноважному парі міститься 83 молекулярних% NaCl і 17% Na 2 Cl 2. Розчинність у воді (г в 100 г): 35,68 (10 ° С), 35,87 (20 ° С), 36,80 (50 ° С), 38,12 (80 ° С). Розчинність в рідкому NH 3, спиртах, етиленгліколь, мурашиної кислоти, не розчинимо в соляній кислоті. В інтервалі від -21,2 до 0,15 ° С кристалізується дигідрат NaCl-2H 2 O; щільність 1,6 г / см 3; тиск водяної пари над ним змінюється від 91,77 (-21,2 ° С) до 462 , 84 Па (0,15 ° С). Насищеннний водний розчин (28,41% за масою NaCl) кипить при 108,7 ° С.
У природі хлорид натрію зустрічається у вигляді мінералу Галіт (кам'яна сіль), у воді океанів і морів, ропі соляних озер і підземних розсолах.
Хлорид натрію виробляють з природної сировини. Видобуток кам'яної солі здійснюється закритим способом (рідше - відкритим) з застосуванням підземного вилуговування. Видобуток самосадочной солі з соляних озер здійснюється механічним способом, озерну сіль промивають ропою, центрифугують і сушать. Садочние (басейнових) сіль отримують природним випаровуванням морських і озерних розсолів у системі спеціально влаштованих басейнів, в місцевостях з холодним кліматом використовують виморожування. Виварної сіль (найбільш чиста) виробляють упариванием природних або штучно отриманих та очищених розсолів у вакуум-випарних апаратах. Для технічних цілей застосовують кам'яну і самосадочную сіль, для харчових - виварної, самосадочную і садочние. Виробляють спеціальні сорти хлористого натрію: йодовану, брикетованих і ісслежівающуюся, чисту з вмістом хлористого натрію вище 99,9% за масою. Хлорид натрію - харчовий продукт, що консервує засіб, сировина для отримання Na 2 CO 3, Cl 2, NaOH, хлорного вапна та ін, його застосовують більш ніж в 1500 виробництв різних речовин і матеріалів. Світове виробництво близько 175 млн. т / рік (1980). ГДК в повітрі 1,0 мг / м 3.
Натрію карбонат (кальцинована сода) Na 2 CO 3, безбарвні кристали; до 350 ° С існує a-модифікація (див. табл. 5), в інтервалі 350-479 ° С - b з моноклінної кристалічної гратами, а вище 479 ° С - гексагональна модифікація g (а = 0,5215 нм, с = 0,6584 нм, z = 2, просторова група Р6 3 тс); DН 0 переходів a «b і b« g відповідно 0,80 і 2,1 кДж / моль; Т пл. = 858 ° С; DН ° ПЛ = 28 кДж / моль.
Гігроскопічний. Розчинність у воді = 17,69% за масою (20 ° С); DН 0 розчинення для нескінченно розведеного розчину - 26,65 кДж / моль; розчини мають сільнощелочних реакцію. Нижче 32 ° С з водних розчинів кристалізується декагідрат, в інтервалі 32-35 ° С - гексагідрат, вище 35 ° С - моногідрат, а вище 112,5 ° С - безводна сіль. У природі карбонат натрію зустрічається у вигляді грунтових розсолів, ропи в озерах і мінералів-натрона Na 2 CO3 · 10H 2 O, термонатріта Na 2 CO 3 · H 2 O, трони Na 2 CO3 · NaHCO 3 · 2H 2 O. У Росії потужність родовищ природного карбонат натрію близько 4 млн. т. Великі запаси карбонат натрію зосереджені в США, Канаді, Кенії, Мексиці, ПАР та інших
Основна кількість карбонату натрію отримують аміачно-хлоридним способом (спосіб Сольве): природний або штучно приготовлений розсіл NaCl очищають від домішок Са і Mg дією Na 2 CO 3, і Са (ОН) 2, насичують NH 3, а потім піддають карбонізації в барботажних колонах . Прокаливанием NaHCO 3 отримують Na 2 CO 3. Карбонат натрію добувають також з природних покладів, соляних розсолів. Застосовують: як компонент шихти у виробництві скла; для отримання мила та ін миючих засобів, гідроксиду Na і ін сполук Na; при варінні целюлози; для обробки бокситів у виробництві А1; для нейтралізації кислих компонентів при очищенні нафтопродуктів; для отримання пігментів, наприклад Fe 2 O 3 з FeCl 3. ГДК в повітрі 2 мг / м 3.
Соляна кислота (хлористоводнева кислота, хлороводнева кислота), розчин НС1 у воді - безбарвна рідина з різким запахом; сильна одноосновна кислота. Хлористий водень НС1 (молекулярна маса 36,461) - безбарвний газ з різким запахом, у вологому повітрі сильно димить; довжина зв'язку Н-С1 0,1274 нм, енергія дисоціації - 427,77 кДж / моль; Т кип - 85,1 ° С ( безбарвна легко рухома рідина), Т пл -114,22 ° С; кристалізується в кубічній решітці, нижче -174,15 ° С існує ромбічна модифікація; потрійна точка -114,22 ° С; щільність по повітрю 1,2679; t крит = 51,4 ° С, р Крит = 8,258 МПа, d Крит = 0,42 г / см 3; DН ПЛ = 1,9924 кДж / моль (-114,22 ° С), тиск пари (Па): 133,32 -10 "° (-200,7 ° С), 2,775-10 3 (-130,15 ° С), 10,0 x104 (-85,1 ° С), 74,0 x104 (-40 ° С), 24, 95 × 10 5 (О ° С), 76,9 × 10 5 (50 ° С).
Натрію гідроксид (каустична сода) NaOH, безбарвні кристали; до 299 ° С стійка ромбічна модифікація (а = 0,33994 нм, с = 1,1377 нм), вище 299 ° С - моноклінна; DН 0 поліморфного переходу 5,85 кДж / моль; Т пл. = 323 ° С, Т кип. = 1403 ° С; щільність 2,02 г / см 3; С ° р = 59,54 Дж / (моль · К); DН ° обр = -425,88 кДж / моль, Н ° возг - 239,335 кДж / моль ( 0 До); DН ° ПЛ 7,8 кДж / моль; S ° 298 = 64,43 Дж / (моль × К). Показники заломлення: менший N p = 1,457, середній N m = 1,470, більший N g = 1,472. Розчинність (% по масі): у воді - 52,2 (20 ° С), метанолі-23, 6 (28 ° С), етанолі-14, 7 (28 ° С); DН 0 розчинення для нескінченно розведеного водного розчину - 44,45 кДж / моль; водні розчини мають сільнощелочних реакцію. Гідроксид натрію поглинає з повітря СО 2, утворюючи Na 2 CO 3. У рідкому NH 3 практично не розчиняється. j
З водних розчинів при 12,3-61,8 ° С кристалізується моногідрат (сингонія ромбічна; Т пл = 65,1 ° С; щільність 1,829 г / см 3; DН ° о6р - 734,96 кДж / моль), а в інтервалі від -28 до - 24 ° С - гептагідрат, від -24 до -17,7 ° С - пентагідрат, від -17,7 до -5,4 ° С - тетрагідрат (a-модифікація), а при -5,4 - 12,3 ° С - NaOH × 3,5 H 2 O (Т пл = 15,5 ° С); відомий також метастабільний b-NaOH × 4H 2 O. Вище 61,8 ° С кристалізується безводна сіль.
Гідроксид натрію - серйозна причина, відноситься до лугів. Зі спиртами утворює алкоголяти. Розплавлений гідроксид натрію розчиняє Na і NaH. Руйнує матеріали органічного походження (папір, шкіру та ін.) Отримують гідроксид натрію: електролізом розчинів NaCl (з одночасним отриманням С1 2) з використанням твердих електродів і проточного електроліту (60-90 ° С) або ртутного катода (до 70 ° С); взаємодією гарячого розчину Na 2 CO 3 з Са (ОН) 2; реакцією Ва (ОН) 2 з розчином Na 2 SO 4. Застосовують: для очищення нафти, масел; у виробництві паперу, мила, штучних волокон та ін; як осушувальної агент для газів і багатьох органічних рідин; водні розчини - електроліти в повітряно-цинкових елементах. Викликає важкі опіки шкіри і слизових оболонок; ГДК в повітрі 0,5 мг / м 3.
2.3. Моделі розглянутої ХТМ
2.3.1. Хімічна модель
У процесі отримання NaOH протікають електрохімічні реакції:
NaCI ® Na + 0,5 Cl
Na + nHg ® NaHg n
NaHg n + H 2 O ® NaOH + 0,5 H 2 + nHg
в разлагателе у анода
Висновок
У представленій роботі здійснено аналіз структури хіміко-технологічних схем електрохімічного виробництва гідроксиду натрію. Оцінено переваги і недоліки перерахованих методів. Доведено техніко-економічну перевагу застосування методу електролізу з ртутним катодом.
На підставі проведеного аналізу запропоновано модель ХТМ з виготовлення гідроксиду натрію, яка характеризується простою технологією, що включає мінімум стадій, мінімальною собівартістю продукту.
Завдяки застосуванню циркуляційної схеми побудови технологічної лінії максимально знижено витрату карбонату кальцію і соляної кислоти і вирішена проблема утилізації відходів. Всі розчинники працюють в замкнутих циклах, що так само знижує екологічну напруженість виробництва.
Список використаних джерел
1. Кутєпов А.М. Загальна хімічна технологія / А.М. Кутєпов, Т.І. Бондарева, М.Г. Беренгартен. М.: Вища школа, 1990. - 520 с.
2. Загальна хімічна технологія / Под ред. І.П. Мухленова М.: Вища школа. - 1984. - Т 1. - 419 с.
3. Розрахунки хіміко-технологічних процесів / Под ред. І.П. Мухленова, вид 2. - М.: Хімія. 1982. - 245 с.
4. Бєсков С.Д. Технологічні розрахунки / С.Д. Бєсков. М.: Вища школа, 1966, 519 с.