Каустическая сода

СОДЕРЖАНИЕ

1 ВВЕДЕНИЕ	5
2 ПРИМЕНЕНИЕ  КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ	7
3 ФИЗИЧЕСКИЕ  И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ  СОДЫ	9
3.1 Физические свойства	9
3.2 Химические свойства	9
4 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ  КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ	13
4.1 Известковый  метод	13
4.2 Ферритный метод	13
4.3 Электрохимические методы производства гидрооксида натрия	14
4.3.1 Диафрагменный  метод	14
4.3.2 Мембранный метод	17
4.3.3 Ртутный метод с жидким катодом	18
5 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗВЕСТКОВОГО   МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЕ КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ	20
5.1 Отделение  и промывка шлама	21
5.2 Концентрирование  слабых щелоков	23
5.3 Плавка едкого натра	23
6 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЕДКОГО    НАТРА ИЗВЕСТКОВЫМ СПОСОБОМ (ОТДЕЛЕНИЕ КАУСТИФИКАЦИИ)	25
7 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ  БАЛАНСОВ ГАСИТЕЛЯ-КАУСТИФИКАТОРА И КАУСТИФИКАТОРА	27
7.1 Материальный  баланс гасителя-каустификатора	27
7.2 Материальный  баланс каустификатора	30
8 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА	32
9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ	34
10 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК	35
ПРИЛОЖЕНИЕ  А
ПРИЛОЖЕНИЕ  Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

 

 

 

    

 

 

1 ВВЕДЕНИЕ

В начале XIX века развитие производства каустической соды (NaOH) было тесно связано с развитием производства кальцинированной соды. Эта взаимосвязь была обусловлена тем, что сырьем для химического способа получения NaOH служила кальцинированная сода, которая в виде содового раствора каустифицировалась известковым молоком. А сырьем для получения кальцинированной соды могут быть природные вещества содержащие Na и CO₂, Кроме того, для получения соды применяют ряд вспомогательных материалов – аммиак, топливо, воду и пар. Природные источники кальцинированной соды незначительны (минералы натрон, термонатрит, трона). Na₂CO₃ получают главным образом насыщением NH₃ и СО₂ раствора NaCl и дальнейшим нагреванием до 140-160 ºС, а также из нефелина. Содовые озера и содовые отложения расположены главным образом в Западной Сибири и Кулундинской степи (Петуховская и Михайловская группа озер). А крупнейшие залежи нефелина находятся в Хибинах на Кольском полуострове в виде апатитово - нефелиновой породы. Имеются также залежи нефелиновых руд на Урале, в Средней Азии, Казахстане, Кемеровской области, на Украине, в Армении.

Одновременно  в конце XIX века стали быстро развиваться электрохимические методы получения NаОН электролизом водных растворов NaCl. Хлорид натрия (поваренная соль) широко распространена в природе как в твердом виде (пласты каменной соли, самосадочная соль соляных озер), так и в виде растворов (морская вода, соляные озера, соляные источники). Известные месторождения поваренной соли: Артемовско-Славянское, Верхнекамское и Яр-Бишкадакское месторождение в Башкирии. Верхнекамское месторождение характеризуется также громадными залежами сильвинита. Сильвинит является минералом, содержащим смесь NaCl (70-75 %) и KCl. Отход производства хлорида калия, содержащий в сухом виде до 97 % NaCl, 1 % KCl и примеси солей кальция и магния, используют для производства соды. 

Целью данного  курсового проекта является изучение производства

каустической  соды, ее физических и химических свойств, расчет материальных балансов гасителя-каустификатора и каустификатора в соответствии с выданным заданием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ПРИМЕНЕНИЕ  КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ

Сода каустическая (едкий натр) представляет собой белые кристаллы плотностью 2,13 г/см³. Температура плавления соединения составляет 322 °C, температура кипения 1390 °C. По своим химическим свойствам, каустическая сода является сильным основанием, относящимся к щелочам. Сода каустическая применяется в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, медицинской, пищевой промышленности, цветной металлургии, текстильной промышленности, в производстве вискозного шелка и отбеливании тканей, в анилинокрасочной промышленности, в мыловарении, в производстве алюминия и металлического натрия, растворимого стекла, щелочных аккумуляторов, в процессах водоподготовки и других областях народного хозяйства.

В химической промышленности сода каустическая используется для  производства органических красителей, синтетического фенола, глицерина, инсектицидов, различных химикатов и полупродуктов, лекарственных средств, пластмасс и др., для очистки нефти, нефтепродуктов и минеральных масел. В черной металлургии применяется для удаления серы из стали, в целлюлозно-бумажной – для обработки целлюлозы, бумажной массы.

Успешно сода каустическая применяется в металлургии при  производстве алюминия. В автомобильной  промышленности ее используют в производстве щелочных аккумуляторов, в химической в технологических процессах изготовления трилона Б и, конечно, большое значение имеет сода каустическая при производстве самых разнообразных моющих средств: от обычного мыла до стиральных порошков различных видов. Растворы каустической соды используются для дезинфекции во многих отраслях. Нашел применение этот ценный продукт химического производства и в пищевой промышленности, с помощью соды каустической осуществляется рафинирование растительного масла и некоторых других продуктов.

3 ФИЗИЧЕСКИЕ  И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ

3.1 Физические свойства

 Каустическая  сода или едкий натр или  гидрат окиси натрия NaOH – белое твердое вещество. Если оставить кусок едкого натра на воздухе, то он вскоре расплывается, так как притягивает влагу из воздуха. Едкий натр хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Раствор едкого натра мылок на ощупь.

Термодинамика растворов ΔH^° растворения для бесконечно разбавленного водного раствора −44,45 кДж/моль.

Из водных растворов  при 12,3-61,8 ºC кристаллизуется моногидрат (сингония ромбическая), температура плавления 65,1 ºC; плотность 1,829 г/см³; ΔH°_обр − 425,6 кДж/моль), в интервале от -28 до -24 ºC – гептагидрат, от -24 до -17,7 ºC – пентагидрат, от -17,7 до -5,4 ºC – тетрагидрат (α-модификация), от -5,4 до 12,3 ºC. Растворимость в метаноле 23,6 г/л (t = 28 ºC), в этаноле 14,7 г/л (t = 28 ºC). NaOH·3,5Н₂О (температура плавления 15,5 ºC);

3.2 Химические свойства

Гидроксид натрия (едкая щёлочь) – сильное химическое основание (к сильным основаниям относят гидроксиды, молекулы которых полностью диссоциируют в воде).

Водные  растворы NaOH имеют сильную щелочную реакцию  (pH 1 %-ного раствора = 13). Основными методами определения щелочей в растворах являются реакции на гидроксид-ион (OH⁻), (cфенолфталеином – малиновое окрашивание и метиловым оранжевым (метилоранжем) – жёлтое окрашивание). Чем больше гидроксид-ионов находится в растворе, тем сильнее щёлочь и тем интенсивнее окраска индикатора.

Гидроксид натрия вступает в реакции:

1. Нейтрализации с различными веществами в любых агрегатных состояниях, от растворов и газов до твёрдых веществ:

- c кислотами – с образованием солей и воды:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

H₂S + 2NaOH = Na₂S + 2H₂O (при избытке NaOH)

H₂S + NaOH = NaHS + H₂O (кислая соль, при отношении 1:1)

(в целом такую реакцию  можно представить простым ионным уравнением, реакция протекает с выделением тепла (экзотермическая реакция): OH⁻ + H₃O⁺ → 2H₂O.)

- с амфотерными оксидами которые обладают как основными, так и кислотными свойствами, и способностью реагировать с щелочами, как с твёрдыми при сплавлении:

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O

так и с растворами:

ZnO + 2NaOH_{(раствор)} + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] _{(раствор)}

(Образующийся  анион называется тетрагидроксоцинкат-ионом,  а соль, которую можно выделить  из раствора — тетрагидроксоцинкатом натрия. В аналогичные реакции гидроксид натрия вступает и c другими амфотерными оксидами)

- с амфотерными гидроксидами:

Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Al(OH)₆]

2) Обмена с солями в растворе:

2NaOH +CuSO₄ → Cu (OH)₂↓ + Na₂SO₄,

2Na⁺ + 2OH⁻ + Cu²⁺ + SO₄²⁻ → Cu(OH)₂↓+ Na₂SO₄

Гидроксид натрия используется для осаждения гидроксидов металлов. К примеру, так получают гелеобразный гидроксид алюминия, действуя гидроксидом натрия насульфат алюминия в водном растворе, при этом избегая избытка щёлочи и растворения осадка. Его и используют, в частности, для очистки воды от мелких взвесей.

6NaOH + Al₂(SO₄)₃ → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄.

6Na⁺ + 6OH⁻ + 2Al³⁺ + SO₄²⁻ → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄.

3) С неметаллами:

например, с фосфором — с образованием гипофосфита натрия:

4Р + 3NaOH + 3Н₂О → РН₃ + 3NaH₂РО₂.

3S + 6NaOH → 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O

- с галогенами:

2NaOH + Cl₂ → NaClO + NaCl + H₂O(дисмутация хлора)

2Na⁺ + 2OH⁻ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2O²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → NaClO + NaCl + H₂O

6NaOH + 3I₂ → NaIO₃ + 5NaI + 3H₂O

4) С металлами: гидроксид натрия вступает в реакцию с алюминием, цинком, титаном. Он не реагирует с железом и медью (металлами, которые имеют низкийэлектрохимический потенциал). Алюминий легко растворяется в едкой щёлочи с образованием хорошо растворимого комплекса — тетрагидроксиалюмината натрия и водорода:

2Al⁰+ 2NaOH + 6H₂O → 3H₂↑ + 2Na[Al(OH)₄]

2Al⁰+ 2Na⁺ + 8OH⁻ + 6H⁺ → 3H₂↑ + 2Na⁺[Al³⁺(OH)⁻₄]⁻

5) С эфирами, амидами и алкилгалогенидами (гидролиз):

Гидролиз эфиров: с жирами (омыление), такая реакция необратима, так как получающаяся кислота со щёлочью образует мыло и глицерин. Глицерин впоследствии извлекается из подмыльных щёлоков путём вакуум-выпарки и дополнительной дистилляционной очистки полученных продуктов. Этот способ получения мыла был известен на Ближнем Востоке с VII века:

(C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa

В результате взаимодействия жиров с гидроксидом натрия получают твёрдые мыла (они используются для  производства кускового мыла), а  с гидроксидом калия либо твёрдые, либо жидкие мыла, в зависимости  от состава жира.

6) С многоатомными спиртами – с образованием алкоголятов:

HO-CH₂-CH₂ОН + 2NaOH → NaO-CH₂-CH₂-ONa + 2Н₂O

7) Со стеклом: в результате длительного воздействия горячей гидроокиси натрия поверхность стекла становится матовой (выщелачивание силикатов):

SiO₂ + 4NaOH → (2Na₂O)·SiO₂ + 2H₂O.

 

 

 

4 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ  КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ

Гидроксид натрия может получаться в промышленности химическими и электрохимическими методами.

К химическим методам получения  гидроксида натрия относятся известковый и ферритный.

Химические методы получения  гидроксида натрия имеют существенные недостатки: расходуется большое  количество энергоносителей, получаемый едкий натр сильно загрязнен примесями.

В настоящее время эти  методы почти полностью вытеснены электрохимическими методами производства.

4.1 Известковый метод

Известковый метод  получения гидроксида натрия заключается  во взаимодействии раствора соды с  известковым молоком при температуре  около 80°С. Этот процесс называется каустификацией; он проходит по реакции:

Na₂CО₃ + Са (ОН)₂ = 2NaOH + CaCО₃

В результате реакции получается раствор гидроксида натрия и осадок карбоната кальция. Карбонат кальция  отделяется от раствора, который упаривается  до получения расплавленного продукта, содержащего около 92 % (масс.) NaOH. Затем NaOH плавят и разливают в железные барабаны, где он застывает.

4.2 Ферритный метод

Ферритный метод  получения гидроксида натрия состоит  из двух этапов:

1. Na₂CО₃ + Fe₂О₃ = 2NaFeО₂ + CО₂
2. 2NaFeО₂ + xH₂О = 2NaOH + Fe₂O₃xH₂О

Первая реакция представляет собой процесс спекания кальцинированной соды с окисью железа при температуре 1100-1200 °С. При этом образуется спек – феррит натрия и выделяется двуокись углерода. Далее спек обрабатывают (выщелачивают) водой по второй реакции;   получается раствор гидроксида натрия и осадок Fe₂O₃ ∙H₂О, который после отделения его от раствора возвращается в процесс. Получаемый раствор щелочи содержит около 400 г/л NaOH. Его упаривают до получения продукта, содержащего около 92 % (масс.) NaOH, а затем получают твердый продукт в виде гранул или хлопьев.

4.3 Электрохимические методы получения гидроксида натрия

Электрохимически  гидроксид натрия получают электролизом растворов галита (минерала, состоящего в основном из поваренной соли NaCl) с одновременным получением водорода и хлора. Этот процесс можно представить суммарной формулой: