СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 3.

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ 3.
Производство кальцинированной соды
Классический пример производства с рециклом
Исторически первым методом производства кальцинированной соды
был метод Никола Леблана, разработанный в 1773 г. Метод исходил из
сульфата натрия, известняка и кокса. Сода получалась некачественной,
засоренной сажей.


По этому способу при температуре около 1000°C запекается смесь
сульфата натрия («глауберовой соли»), мела или известняка
(карбоната кальция) и древесного угля. Уголь восстанавливает сульфат
кальция до сульфида:
Na2SO4 + 2C → Na2S + CO2↑
Сульфид натрия реагирует с карбонатом кальция:
Na2S + СаСО3 → Na2CO3 + CaS


2
Способ Сольве

В 1891 г. бельгийский инженер Эрнест Сольве (Ernest
Solvay) разработал новый метод, который с 1915 г. уже
полностью заменил старый. Этот метод оставался долгое
время и является и сейчас хорошим примером
организации внутренних рециклов с целью
предотвращения образования отходов.

Единственным отходом этого производства является
хлорид кальция (100 %-но безотходного производства не
существует!)
3
Основные реакции процесса Сольве
Аммонизация :

2NH3 + СО2 + H2O → (NH4)2CO3
Карбонизация:

(NH4)2CO3+ СО2 + H2O → 2NH4HCO3
Обменная реакция:

NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3↓ + NH4Cl
Эта реакция очень медленная. Начинается при низких температурах (25-30ºС). Растворимость
NaHCO3 меньше растворимости NH4Cl.
Кальцинирование:

2NaHCO3 → Na2CO3 + СО2 + H2O
Производство извести:

CaCO3 → CaO + СО2
Регенерирование аммиака:

CaO + H2O → Ca(OH)2
2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 (отход)+ 2NH3 + H2O
Суммарно:

NaCl + NH3 + СО2 + H2O → NaHCO3↓ + NH4Cl
4
Технологическая схема
5

В качестве сырья используют
насыщенный раствор NaCl (305-310 г/л),
очищенный от катионов Са2+ и Mg2+,
чтобы предотвратить образование и
осаждение карбонатов.

Колонны аммонизации и карбонизации
- колпачковые колонны. При этом
колонна карбонизации полностью
затоплена (т.е. наполнена раствором)
для обеспечения длительного времени
пребывания. Нужный конец колонны
охлаждается водой. Осадок NaHCO3
профильтровывается на барабанном
вакуум-фильтре и направляется в печь
кальцинирования. Фильтрат (NH4Cl)
поступает в колонну регенерирования
аммиака. Туда же подают острый пар
для удаления NH3.
Производство цемента

Портландцемент занимает первое место
среди всех вяжущих веществ по
масштабу производства.

Цемент как вяжущий материал был
использован уже в древнем Египте для
возведения пирамид (смесь
вулканической золы SiO2 с известью).

Такой же материал был известен в
древней Греции и Риме. На рис. фото
Римского Колизея (Colosseum),
построенного из блоков травертина
(пористого СаСО3), с использованием в
качестве вяжущего вулканической золы
(SiO2). Она придает строению
гидравлические свойства. Римский
Колизей стоит уже ~ 2000 лет.
6
Портландцемент
Портландцемент запатентовал в 1824 г. англичанин Джосеф
Аспдин (Joseph Aspdin).
В качестве сырья он использовал мергели (глинистые
известняки).
Название «Portlandcement» происходит от острова Portland
вблизи побережья Англии, где добывают природный серый
камень.
Для производства цемента требуется известняк (~75 %) и глина
(~25 %). Для регулирования времени затвердевания добавляют
4-5 % гипса, который замедляет затвердевание цемента.
Сырой цемент или клинкер получают в результате обжига смеси
CaCO3 и глины при температуре ~1500ºС (образуется жидкая
фаза) во вращающихся печах.





7
Известны мокрый (более старый) и сухой процесс.
В Кунда на заводе Nordic Cement используют мокрый способ.
Барон John Girard de Youcanton начал производство цемента в
Кунда в 1970 г. В качестве сырья применяют мергелистые
осадки озера Кунда и синюю глину.
Известняк измельчают в щёковой дробилке или в молотковой
дробилке и затем размалывают вместе с глиной в шаровой
мельнице. Получают так называемый шлам (лобри), который
подается в печь.
В качестве топлива в Кунда применяется пылевидный горючий
сланец.
В последние годы используются также горючие отходы.






8
Технологическая схема
9
Состав цементного клинкера

Из печи получается клинкер с основными компонентами:









2CaO∙SiO2 (C2S), дикальцевый силикат, 15-35 %
3CaO∙SiO2 (C3S), трикальцевый силикат, 42-60 %
3CaO∙Al2O3 (C3A), трикальцевый алюминат, 5-14 %
4CaO∙Al2O3∙Fe2O3(C4AF), тетракальцевый алюмоферрит (10-16 %)
свободная MgO 2-4 %.
Все эти оксиды (кроме MgO) связаны в соединения!
C2S и C3S придают цементу твердость, C3A ускоряет затвердевание,
другие минералы снижают температуру плавления.
После помола клинкера в мельницах получают цемент.
Марки: С12/15 .......С50/60. В числителе прочность цилиндрического
испытательного тела на сжатие, МПа; в знаменателе то же для
кубического тела, МПа.
10
Производство карбамида

Карбамид (мочевина) открыта Руэлем в 1773 г. и идентифицирована Праутом в 1818 г.

Особое значение мочевине в истории органической химии придал тот факт, что ее
синтез Вёлером в 1828 г. явился первым синтезом органического соединения из
неорганического: Вёлер получил её нагревом цианата аммония, полученного in situ
взаимодействием цианата калия с сульфатом аммония.

Все промышленные способы получения карбамида основаны на его образовании по
реакции аммиака с диоксидом углерода при температурах около 200°С и давлениях
порядка 200 атм и выше, поэтому в большинстве случаев производства мочевины
совмещают с аммиачными производствами.

Первые промышленные установки получения карбамида появились в 1920-е годы на
базе работ, проводившихся химиками Германии, США и Франции в начале 20 века.

Эти установки работали по так называемой открытой схеме: плав карбамида
дросселировали до атмосферного давления, при этом давлении отделяли
непрореагировавшие газы и использовали содержащийся в них аммиак для
производства аммонийных солей, а затем выпаривали раствор карбамида и получали
карбамид в кристаллическом виде. Этот способ был крайне экономически невыгоден.

Поэтому в 1930-40-х годах были активизированы в разных странах исследовательские
работы, которые были направлены к созданию более экономичных способов получения
карбамида (процесс с полным рециклом).
11
Основные стадии производства
1.
Синтез
2.
Дистилляция
3.
Выпарка
4.
Грануляция
12
Технологическая схема
13