thumb|upright=2.0|Schemat wytwarzania węglanu sodu metodą Solvaya Metoda Solvaya – metoda otrzymywania węglanu sodu opracowana w latach 60. XIX w. przez Ernesta Solvaya. Proces ten polega na wykorzystaniu ciągu następujących reakcji chemicznych:

co sumarycznie daje:

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 1 t sody amoniakalnej zużywa się: NaCl (w postaci solanki) 1525–1555 kg, (w postaci wapniaka) 1206–1370 kg, oraz, jako materiały pomocnicze: koks do wypalania wapna 98–105 kg, węgiel do kalcynacji 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 , nasycanie solanki amoniakalnej (karbonizacja), oddzielenie kryształów od ługu macierzystego, suszenie wilgotnego i jego rozkład termiczny (kalcynacja), regeneracja 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 i oddziela się w odstojnikach.

Nasycenie solanki amoniakiem 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 310 g NaCl na 1 l). Do nasycania solanki 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 (karbonizacja) Solanka amoniakalna zawierająca pewną ilość w stanie związanym jest nasycana w kolumnach karbonizacyjnych w przeciwprądzie. Mają one 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 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 pochodzą z dwóch źródeł: z wypalania wapna około 40% i rozkładu 60%. Gazy uboższe w 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 od ługu macierzystego Z kolumn karbonizacyjnych wypływa zawiesina kryształów 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 Aby otrzymać sodę bezwodną, osad należy osuszyć, a następnie poddać termicznemu rozkładowi:

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. Mokry ma tendencję do przywierania do rur grzewczych. Aby zapobiec temu zjawisku obniża się jego wilgotność, zawracając część wysuszonego produktu i mieszając go z wilgotnym przed wejściem do kalcynatora.

Regeneracja amoniaku W ługach macierzystych po karbonizacji znajduje się w postaci następujących związków:

i . Związki te różnią się trwałością termiczną. Z amoniakalnego roztworu i amoniak można odzyskać przez ogrzewanie roztworu do temperatury około 70 °C, natomiast rozkłada się za pomocą . 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 i 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, – 112, , , , – 21. Do osadników ziemnych kieruje się osady z oczyszczania solanki i osad 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 Solvaya (w miejscowości Solvay w stanie Nowy Jork) spowodowały skażenie jeziora Onondaga, które zostało zaliczane 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 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”).

Przypisy

Solvaya, metoda Kategoria:Inżynieria procesowa Kategoria:Procesy przemysłu chemicznego