Chimica Industriale1 CHIMICA INDUSTRIALE IDROGENOAMMONIACA ACIDO NITRICO ACIDO SOLFORICO IDROSSIDO...

Chimica IndustrialeChimica Industriale 11

CHIMICA INDUSTRIALECHIMICA INDUSTRIALE

IDROGENOIDROGENOAMMONIACAAMMONIACAACIDO NITRICOACIDO NITRICOACIDO SOLFORICOACIDO SOLFORICOIDROSSIDO DI SODIOIDROSSIDO DI SODIO

Prof. Ernesto Trinaistich


LatteIDROGENOE’ utilizzato nelle raffinerie per migliorare le frazioni trasformandole in combustibili pregiati.L’impiego più importante è nella sintesi dell’NH3, segue la sintesi del metanolo e formaldeide per ottenere resine. L’idrogeno si ottiene :1. Steam reforming di gas naturale: è il processo più usato, conveniente e più pulito per produrre H2 e gas di sintesi (per l’ammoniaca);2. ossidazione parziale di oli pesanti;3. gasificazione del carbone con vapore: processo ferro-vapore e processo Koppers;4. elettrolisi dell’acqua.L’idrogeno è un gas inodore, infiammabile ed esplosivo. E’ il più abbondante elemento presente nell’universo.


La reazione di ottenimento (1) H2O H2 + ½ O2 è termodinamicamente sfavorita e il costo in termini di energia elevatissimo. Gasificando il carbone si forma il cosiddetto gas d’acqua ( H2,CO e CO2)(2) C + O2 CO2 (3) C + ½ O2 COChe combinandole con la (1) si ottiene: (4) H2O + C H2 + CO che a T° > di 700°C la variazione Δ G è negativa quindi è un processo spontaneo.La reazione di Steam-reforming è: idrocarburo + acqua (5) CH4 + H2O CO + 3H2 che a T°> 620°C ha Δ G <0.La reazione avviene con aumento del numero di moli per cui è sfavorita dalle alte P.La compressione va fatta a moderata P (40 bar).


II Alterazioni del latteSegue poi il Reforming con vapore su catalizzatore al Ni a 700-900°C :

CH4 + H2O H2 + CO

Con la metanazione si ha la trasformazione di CO in CH4 inverso della (5).Il gas è ora costituito da H2 e N2, pronti per la sintesi dell’ammoniaca.Se sono presenti ossidi di azoto subiscono la riduzione con metano o con la stessa ammoniaca. L’ NH3 è utilizzato maggiormente per preparare fertilizzanti ( nitrato, fosfato di ammonio)E’ un gas incolore, soffocante e velenoso, non esplode, sotto pressione liquefa a T° ambiente.


NH3

Gas naturale

COMPRESSIONE

REFORMING 1°

REFORMING 2°

CONVERSIONE DEL CO

SEPARAZ.DELLA CO2

METANAZIONE

CICLO DI SINTESI

La reazione di sintesi è : H2 + N2 NH3 con Δ G <0 e Δ H <0. A 455 K il Δ G diventa >0 , quindi la reazione è sfavorita al di sopra di 182°C. Se dal punto di vista termodinamico è sfavorita da un aumento della temperatura, si predilige però favorirla dal punto di vista cinetico effettuando la stessa ad alta temperatura. Aumentando la P, (200 atm) la si favorisce perché la sintesi avviene con diminuzione di numero di moli.


La reazione si fa avvenire in presenza di un catalizzatore a base di ferro, ottenuto per riduzione di Fe3O4 magnetite, che abbassa l’energia di attivazione

La sintesi avviene in reattori con cestelli porta catalizzatore, il reattore Kellog è a tre letti catalitici a flusso trasversale.

Il ciclo di sintesi comporta :

•COMPRESSIONE, •REAZIONE, •SEPARAZIONE DELL’NH3 , •RICICLO DEI NON REAGITI.


La sintesi viene fatta a 400°C, a 150 bar, in presenza di catalizzatore a base di ferro. Lo schema del ciclo di sintesi di Kellog è il seguente:


Il gas di sintesi entra nel compressore centrifugo a due corpi (1), dove tra un corpo e l'altro viene raffreddato e disidratato (2). Il secondo corpo ha un ingresso per il gas di riciclo che vi arriva dopo la separazione dell'ammoniaca. Il gas fresco e quello di riciclo, compressi alla pressione di sintesi, vanno al reattore (3), previo scambio termico con i prodotti in uscita. L'effluente del reattore viene raffreddato in modo da recuperare il calore di reazione, poi viene refrigerato in modo da far con densare l'ammoniaca formatasi che si raccoglie nel separatore ad alta pressione (4). I gas non reagiti sono in parte spurgati per controllare gli inerti, il resto va al com pressore per essere riciclato. L'ammoniaca passa nel separatore a bassa pressione (5) e quindi va allo stoccaggio.


ACIDO NITRICOACIDO NITRICO La maggior parte della produzione 85% viene utilizzata La maggior parte della produzione 85% viene utilizzata

nell’industria dei fertilizzanti azotati. Il processo nell’industria dei fertilizzanti azotati. Il processo industriale è l’industriale è l’OstwaldOstwald che comporta: che comporta:

ossidazione catalitica dell’NHossidazione catalitica dell’NH33 con aria per dare NO con aria per dare NO ossidazione di NO a NOossidazione di NO a NO22 assorbimento degli ossidi di azoto per dare HNOassorbimento degli ossidi di azoto per dare HNO33.. L’ossidazione dell’NH3 viene condotta a 800-950 °C e L’ossidazione dell’NH3 viene condotta a 800-950 °C e

pressioni di 1-15 bar su catalizzatori a base di Pt.pressioni di 1-15 bar su catalizzatori a base di Pt. 4NH4NH33 + 5O + 5O22 4NO + 6H 4NO + 6H22O O Viene trasformata il 93-98% dell’NHViene trasformata il 93-98% dell’NH33 decorre con decorre con

aumento del numero di moli per cui è sfavorita aumento del numero di moli per cui è sfavorita dall’aumento di P.dall’aumento di P.

Il catalizzatore a base di Pt, inizialmente a superficie Il catalizzatore a base di Pt, inizialmente a superficie liscia, con l’uso diventa rugoso aumentando la resa. liscia, con l’uso diventa rugoso aumentando la resa. Invecchiando si assottiglia e l’attività declina.Invecchiando si assottiglia e l’attività declina.


I bruciatori per l’ossidazione dell’NHI bruciatori per l’ossidazione dell’NH33 sono a corpo sono a corpo cilindrico fino a 7 m di diametro e trattano capacità di cilindrico fino a 7 m di diametro e trattano capacità di 1000 t/d. Contengono: i bruciatori, le reti di Pt, materiale 1000 t/d. Contengono: i bruciatori, le reti di Pt, materiale refrattario. Nella parte superiore entra una miscela di refrattario. Nella parte superiore entra una miscela di NHNH33 – aria e dal basso i gas nitrosi. – aria e dal basso i gas nitrosi.

Successivamente il gas viene raffreddato (sfruttato per Successivamente il gas viene raffreddato (sfruttato per produrre vapore ad alta pressione), compresso e fatto produrre vapore ad alta pressione), compresso e fatto assorbire in acqua.assorbire in acqua.

Il monossidoIl monossido 2NO + O2NO + O22 2NO 2NO22

si ossida in fase gassosa.si ossida in fase gassosa. Il dimeroIl dimero NN22OO44 + H + H22O O HNO HNO33 + HNO + HNO22 l’HNOl’HNO22 disproporziona : disproporziona : 3HNO3HNO22 HNO HNO33 + H2O + 2NO + H2O + 2NO Globalmente si haGlobalmente si ha 3NO + H3NO + H22O O 2HNO 2HNO33 + NO + NO


Gli ossidi di azoto NOχ formatisi alla fine sono Gli ossidi di azoto NOχ formatisi alla fine sono inquinanti e devono essere abbattuti. inquinanti e devono essere abbattuti.

Il processo comporta quindi l’ulteriore presenza Il processo comporta quindi l’ulteriore presenza di torri di assorbimento ad acqua. Altro modo è di torri di assorbimento ad acqua. Altro modo è la riduzione catalitica selettiva SCR e non la riduzione catalitica selettiva SCR e non selettiva NSCR. Il primo utilizza ammoniaca selettiva NSCR. Il primo utilizza ammoniaca come combustibile, il secondo CH4.come combustibile, il secondo CH4.

Gli impianti per la produzione dell’NHGli impianti per la produzione dell’NH33 sono di tre sono di tre

tipi:tipi: a singola e elevata pressione - produce acido a singola e elevata pressione - produce acido

diluitodiluito a doppia pressione con risparmio di energia e a doppia pressione con risparmio di energia e

resa migliore - produce acido diluitoresa migliore - produce acido diluito a produzione diretta di acido concentrato a produzione diretta di acido concentrato

((superazeotropicasuperazeotropica))


In tutti gli impianti è presente una colonna In tutti gli impianti è presente una colonna d’assorbimento in cui avviene l’ossidazione d’assorbimento in cui avviene l’ossidazione dell’NO e l’assorbimento per dare HNOdell’NO e l’assorbimento per dare HNO33. Si . Si usano colonne a piatti a campanelle o forati usano colonne a piatti a campanelle o forati di elevata capacità fino a 1800 t/ddi elevata capacità fino a 1800 t/d larghe fino larghe fino a 6 m alte 80 m e con 30-50 piatti.a 6 m alte 80 m e con 30-50 piatti.

Operando ad alta pressione sono presenti Operando ad alta pressione sono presenti compressioni centrifughe.compressioni centrifughe.


PROCESSO A MONOPRESSIONE CON RIDUZIONE CATALITICA DEGLI OSSIDI DI AZOTO:


L’ammoniaca viene evaporata in E1, i vapori L’ammoniaca viene evaporata in E1, i vapori preriscaldati in E2 e filtrati in F1 .Una parte preriscaldati in E2 e filtrati in F1 .Una parte va al SCR.L’aria è filtrata in F4, compressa in va al SCR.L’aria è filtrata in F4, compressa in P e miscelata con i vapori di ammoniaca in D1. P e miscelata con i vapori di ammoniaca in D1. Filtrata ancora in F2 e inviata al bruciatore Filtrata ancora in F2 e inviata al bruciatore catalitico B.La t° arriva a 890°C.catalitico B.La t° arriva a 890°C.

J2 è una turbina. J2 è una turbina. I Gas sono poi filtrati in F3 per recuperare il Pt. I Gas sono poi filtrati in F3 per recuperare il Pt. Vanno poi nella colonna di assorbimento C1 in Vanno poi nella colonna di assorbimento C1 in

controcorrente. controcorrente. Dal basso entra il gas e l’aria e dall’alto Dal basso entra il gas e l’aria e dall’alto

l’acqua.l’acqua.


Per produrre direttamente HNO3 concentrato sono possibili due vie: la prima di Fauser a circa 50 bar2N2O4 (liq) + 2H2O + O2 4HNO3 da HNO3 al 100%.La seconda produce con l’assorbimento acido a concentrazione superazeotropica che per distillazione da acido concentrato.L’ HNO3 è corrosivo e molto pericoloso. I serbatoi sono piccoli in acciaio al cromo.


Acido solforicoL'acido solforico è una delle sostanze maggior mente utilizzate nelle industrie chimiche tanto che il suo consumo è un indice delle attività chimiche di una nazione. Secondo la nomenclatura IUPAC il suo nome dovrebbe essere acido tetrossosolforico (VI) ma, come per l'acido nitrico, la stessa IUPAC consente l'uso del nome comune con il quale è universalmente noto.L'acido solforico è noto fin dal XII secolo, conosciuto come spirito di vetriolo.Con il nome di acido solforico si intendono miscele di acido e acqua in diverse proporzioni.


L'acido al 100% è rappresentato da un rapporto SO3:H2O di 1. Oltre all'acido solforico esistono anche soluzioni ottenute facendo assorbire il triossido di zolfo nell'acido solforico. Tali solu zioni sono note con il nome di oleum o acido solforico fumante e possono raggiungere concentrazioni di S03 libera fino al 60%.Le concentrazioni degli acidi possono essere espresse, oltre che in percentuale, anche in gradi Baumé (°Bé) definiti in maniera diversa in Francia e Germania rispetto ai paesi anglosassoni.


Termodinamica della reazioneLa reazione di formazione dell'acido solforico è la seguente:SO2(g) + H2O(g) + 1/2 O2 H2SO4 + 226,1 kJ

La reazione è esotermica, per cui un aumento di temperatura sposta l'equilibrio verso sinistra. Poiché è una reazione molto lenta sono stati studiati metodi diversi per catalizzarla.I metodi di produzione industriale dell'acido solforico sono sostanzialmente due:metodo all'ossido d'azoto (NO), detto anche alle camere di piombo;metodo di contatto.


II primo metodo è stato modificato nel 1745, anno in cui furono introdotte nella produzione le camere di piombo che sostituirono i precedenti recipienti di vetro, dalle quali ha preso il nome e nelle quali avviene l'assorbimento del triossido di zolfo in acqua.Il secondo metodo ha rappresentato una grande rivoluzione nella preparazione dell'acido solforico e risale al 1881. Questo metodo non prevede l'uso degli ossidi di azoto e si basa sulla trasformazione:S02 + ½ O2 SO3 + 92,4 kJ

La reazione condotta a temperatura ambiente av viene molto lentamente ed è necessario aumenta re la temperatura per aumentare la velocità della reazione.


Tuttavia essendo la reazione esoter mica è sfavorita dal punto di vista termodinamico da eccessivi aumenti di temperatura, dato che la K diminuisce all'aumentare della temperatura.Infatti a 773,15 K la resa in triossido è del 93%, resa che scende al 40% alla temperatura di 1053,15 K, per cui negli impianti industriali non si supera la temperatura di 723,15 K. La reazione è favorita dall'aumento di pres sione dato che avviene con diminuzione di volu me, tuttavia è preferibile non incrementare que sto parametro perché i vantaggi ottenuti in prati ca non sono compensati dai costi necessari per la compressione dei gas.I due metodi sono concorrenziali anche se la tendenza attuale è quella di privilegiare quello di contatto.


Cinetica della reazioneII meccanismo proposto per spiegare la formazione dell'acido solforico con il metodo all'ossido di azoto è molto complesso; sono state proposte diverse teorie che concordano tutte nell' affermare che l'ossidazione del diossido di zolfo non viene effettuata direttamente dall'ossigeno, ma procede attraverso la formazione di composti inter medi a base di ossidi di azoto. Le teorie più mo derne hanno dimostrato che le reazioni che concorrono alla formazione dell'acido sono:in fase gassosa:

2 NO N2O2

N2O2+O2 2NO2


NO2+NO- N2O3

2 SO2 + O2 + N2O3 + H2O 2 SO4HNO

in fase liquida:

SO2+H2O H2SO3

N2O3 + 2 H2SO4 H2O + O2N - N(OSO3H)2

O2N-N(OSO3H)2 +H2SO3 SO2H

O2N-N +H2SO4

OSO3H S02HON-N +H2O 2H2SO4+ 02N-N- OSO3H 02N-N- 2NO


In questo processo la catalisi è di tipo omogeneo, in quanto, come sopra illustrato, gli ossidi d'azoto intervengono formando vari composti, fra i quali un posto di rilievo è occupato dall'acido nitrosil-solforico la cui formula è SO4HNO. Per il meccanismo di preparazione dell'acido solforico nel tempo si sono avute molte teorie che prevedevano intermedi diversi.Nel metodo di contatto, la catalisi è di tipo eterogeneo e prevede l'uso di varie sostanze che agiscono in maniera diversa. I catalizzatori più utilizzati sono il platino e varie sostanze a base di ossidi di vanadio. Alcune volte viene anche impiegato il ferro come precatalizzatore.


Il platino permette di lavorare con percentuali più alte di diossido di zolfo, ma presenta costi maggiori e una durata del potere catalitico più breve fra una rigenerazione e l'altra.Come tutte le reazioni chimiche, la velocità è proporzionale alla temperatura, ma come già riportato, un aumento di temperatura sfavorisce le rese, per cui è necessario operare stabilendo un compromesso fra le opposte esigenze.La scelta tecnica consiste nel suddividere il contatto fra i gas e il catalizzatore in più stadi interponendo un sistema di raffreddamento. Di so lito in quattro stadi si raggiunge una conversione pari a circa il 98%.


Processo all'ossido di azotoL'impianto per produrre acido solforico con il pro cesso all'ossido di azoto, noto anche come processo alle camere di piombo.Il diossido di zolfo proveniente dall'impianto di produzione viene inviato alla temperatura di 573,15-723,15 K nelle torri di Glover; viene investito da una soluzione contenente acido solforico, acido nitrico e ossido d'azoto provenienti sia dalle camere di piombo sia dalle torri di Gay-Lussac. In queste torri vi è una parziale trasformazione dell'SO2 in acido solforico. I gas uscenti dalle torri entrano nelle camere di piombo nelle quali vi è la produzione vera e propria dell'acido desiderato.


I gas provenienti dalle camere di piombo contengono basse percentuali di diossido di zolfo e la totalità degli ossidi d'azoto presenti nel ciclo. Questi ultimi vengono assorbiti in torri di Gay-Lussac nelle quali viene inviata la soluzione di acido solforico proveniente dalla torre di Glover. Gli ossidi di azoto non assorbiti vengono perduti e compensati con l'introduzione di acido nitrico direttamente nella torre di Glover. Con questo processo si produce acido al 78%.


Produzione dell'acido solforico mediante il processo all'ossido di azoto.


Torre di GloverLa torre di Glover è una torre cilindrica o qua drata che poggia su una vasca, rivestita interna mente di piombo, contenente acido solforico, equi paggiata da una chiusura idraulica. Il corpo della torre, costituito da un materiale antiacido (cera mica, ghisa antiacida ecc.), presenta all'interno corpi di riempimento tipo anelli Rashing sempre in materiale antiacido (gres, quarzo ecc.).La torre di Glover in un impianto riveste notevole importanza dato che in essa:i gas solforasi provenienti dagli impianti di produzione vengono raffreddati da 573,15-673,15 K a 343,15-353,15 K;l'acido solforico proveniente dalle camere vie ne concentrato per evaporazione dell'acqua fino al massimo valore dell'impianto che si ricorda essere il 78%;


l'acido nitrico viene decomposto in vapore nitroso;l'acido solforico proveniente dalle torri di Gay- Lussac viene denitrato;si produce anche una parte di acido solforico dell'intero impianto.Nella torre di Glover, inoltre, vengono anche abbattute le polveri che accompagnano i gas solforosi provenienti dai forni che sono sfuggiti alle precedenti purificazioni.


Camere di piomboI primi modelli di camere di piombo erano grandi parallelepipedi poggiati su vasche piene di acido solforico dotati di una chiusura idraulica. In un impianto classico le camere sono quattro e la loro grandezza diminuisce dalla prima all'ultima.In queste camere il diossido di zolfo viene os sidato a triossido e per ottenere buone rese è necessario che:la permanenza sia lunga;la temperatura non sia troppo elevata;vi sia il massimo mescolamento dei gas;le superfici delle camere siano grandi perché la maggior parte dell'acido si forma proprio sulle pareti.Per migliorare le rese, nel tempo sono state proposte modifiche alla forma delle camere di piombo.


Le soluzioni proposte e adottate sono nu merose e prendono il nome dai loro ideatori. Qui di seguito vengono proposte alcune soluzioni.Le camere di Meyer sono di forma cilindrica e i gas entrano tangenzialmente dal basso ed escono dall'alto nella parte centrale.Le camere Moritz sfruttano i moti convettivi dei gas che vengono introdotti caldi nella parte bassa, raggiungono il centro nella parte superiore ed escono nuovamente dal basso passando lungo le pareti.Il sistema Gaillard Parrisch prevede nelle camere uno spruzzatore circolare che invia l'acido freddo disperso contro le pareti delle camere che hanno una forma troncoconica e sono raffreddate dall'esterno.Metodi ancora più moderni tendono a sostituire le camere in cui avviene il contatto acqua-vapori solforosi con colonne a riempimento simili alle torri di Glover.


Torri di Gay-LussacLe torri di Gay-Lussac, anch'esse rivestite in piombo, sono sospese su una bacinella piena di acido solforico che ne assicura la tenuta. L'interno è pieno di materiali di riempimento antiacido.In questa apparecchiatura vengono messi a contatto i gas nitrosi provenienti dall'ultima camera di piombo e l'acido solforico proveniente dalla torre di Glover. Il liquido che lascia la torre di Gay-Lussac si chiama nitrosa e contiene il 7-8% di acido nitrosilsolforico. Gli ossidi d'azoto che non vengono assorbiti dall'acido solforico vengono perduti nell'atmosfera. Tale perdita è mini ma quando il rapporto stechiometrico NO2:NO è 1, come già è stato messo in evidenza nel processo per la produzione dell'acido nitrico


. Il recupero degli ossidi di azoto è inoltre influenzato dalla concentrazione e dalla temperatura dell'acido che investe il gas che li contiene.Un sintomo del cattivo assorbimento degli os sidi è dato dal colore dei fumi che lasciano la torre di Gay-Lussac: se sono bianchi vi è un ec cesso di NO2 che reagendo con l'acqua forma acido nitrico, se sono scuri l'NO non è stato sufficientemente ossidato e quindi sfuggendo nell'at mosfera reagisce con l'ossigeno.


Produzione del diossido di zolfoFinora si è illustrato il metodo utile per trasformare il diossido di zolfo in acido, ora si prende in esame il processo necessario per produrre il diossido di zolfo.Il diossido di zolfo può essere ottenuto da fonti diverse quali la pirite, la blenda, lo zolfo, il gesso, il solfuro d'idrogeno. La scelta della materia da utilizzarsi per un singolo impianto di produzione dell'acido solforico dipende, come al solito, da considerazioni di carattere economico, legate principalmente alla disponibilità della materia prima che a volte può rappresentare un sottoprodotto di un'altra industria, come per esempio il solfuro d'idrogeno proveniente da una raffineria di petrolio.


I metodi di produzione del diossido dipendono dalla sostanza di partenza. Infatti se si utilizza lo zolfo o il solfuro d'idrogeno, è necessario bruciarli in presenza di ossigeno in forni di varia forma e funzionamento; se si impiegano, invece, i solfuri di metalli quali pirite, galena e blenda, questi devono essere arrostiti facendo in modo che la reazione si fermi alla formazione dell'ossido del metallo e al diossido di zolfo, senza che proceda verso la formazione del solfato del metallo. Dall'arrostimento dei minerali sulfurei si ottiene un gas solforoso molto sporco di polveri.


Il problema dell'eliminazione delle polveri dai gas solforosi provenienti dai forni è stato a lungo oggetto di studi dato che un gas polveroso crea problemi al funzionamento delle torri di Glover nel processo all'ossido di azoto e le polveri disat tivano rapidamente il catalizzatore nel processo di contatto.Poiché le particelle da eliminare sono estre mamente piccole, 0,1-100 u.m, non è possibile usare i classici filtri in quanto non esistono mezzi filtranti in grado di eliminare particelle tanto piccole senza provocare enormi perdite di carico al gas che lo attraversa. Si impiegano allora le camere a urti, i cicloni, i depolverizzatori per lavaggio e, più recentemente, i depolverizzatori elettrostatici che, pur prevedendo consumi enormi di elettricità, rappresentano un notevole miglioramento rispetto agli altri metodi.


Processo di contattoII processo di contatto, come noto, si basa sull'ossidazione catalitica del diossido di zolfo a triossido che viene effettuata nei forni di contatto, detti anche convertitori, nei quali è posto il catalizzatore.I diversi tipi di convertitori si differenziano per la disposizione interna che può prevedere tubi verticali pieni di catalizzatore o strati di questo supportati da graticci.La reazione di ossidazione è esotermica per cui i convertitori prevedono raffreddamenti interni e/o esterni che mantengono il gas in reazione alla temperatura desiderata; quest'ultima deve variare fra 698,15 e 823,15 K per ottenere le più alte rese. Nella è mostrato un convertitore BASF-Knietsch.


I gas, preriscaldati in uno scambiatore esterno, entrano nel convertitore dal basso e lo attraversano lambendo i tubi di reazione pieni di catalizzatore. Raggiunta la parte alta del reattore vengono portati alla temperatura corretta miscelandoli con gas freddi; successivamente passano nei tubi per fuoriuscire dalla parte inferiore del reattore.II triossido di zolfo viene quindi inviato negli apparecchi nei quali viene assorbito dall'acqua.


Convertitore BASF-Knietsch.


Idrossido di sodioL'idrossido di sodio è un prodotto di grande importanza industriale usato in molte applicazioni pratiche. Viene usato nelle industrie:olearie;dei saponi;della seta artificiale;dell'industria tessile;dei coloranti;della carta.Altre importanti applicazioni sono rappresentate dalla preparazione di importanti intermedi, primo fra tutti il fenolo.L'idrossido di sodio nella fase solida è anche conosciuto con il nome di soda caustica, in quanto provoca ustioni se viene a contatto con la pelle.


Commercialmente è venduto sia sotto forma di soluzioni a titolo noto, sia come solido in diverse forme (cilindretti, scaglie, gocce). Nella forma solida è fortemente igroscopico e se umido assorbe il diossido di carbonio dell'aria formando il carbonato (Na2CO3).I metodi per preparare l'idrossido di sodio sono principalmente due:causticazione del carbonato sodico;elettrolisi di soluzioni concentrate di cloruro di sodio.La scelta di uno dei due metodi è legata al costo della produzione di carbonato di sodio (noto con il nome di soda Solvay) necessario nel primo e alla possibilità di collocare sul mercato il cloro molecolare che si sviluppa dall'elettrolisi nel secondo.I metodi sono completamente diversi l'uno dall'altro, sia dal punto di vista teorico sia impiantistico.


Processo di causticazione della sodaII processo di preparazione dell'idrossido di sodio per causticazione della soda si basa sulla reazione:Na2CO3 + Ca(OH)2 2 NaOH + CaCO3

Poiché l'idrossido di calcio e il carbonato di cal cio sono praticamente insolubili, la costante di equilibrio della reazione può essere scritta come segue: NaOH]2 K = [ Na2C03] Poiché la concentrazione degli ioni ossidrile com pare al quadrato e quella degli ioni carbonato alla prima potenza, quanto più la soluzione è diluita, tanto maggiore sarà il rapporto e quindi la resa in idrossido. Dati sperimentali confermano questa previsione.


Una concentrazione iniziale di soda al 5% porta a una resa del 99%. Poiché utilizzando tale diluizione si ottiene un idrossido molto diluito la cui concentrazione prevede costi elevati, generalmente nella pratica si impiegano concentrazioni iniziali del 18-20% che danno una resa dell'85% circa.Cinetica della reazioneStudi sulla velocità di formazione dell'idrossido di sodio hanno dimostrato che un aumento di temperatura ha una scarsa influenza sia sulla velocità di reazione sia sulle rese ottenibili, ma se si opera intorno ai 373,15 K si favorisce la precipitazione in forma cristallina del carbonato di sodio più facilmente filtrabile, ed è infatti questa la temperatura alla quale si fa avvenire la reazione.


Processo industrialeLa preparazione dell'idrossido di sodio "prevede una serie di operazioni diverse a seconda del prodotto che si vuole ottenere. L'impianto mostrato nella fig. 2 serve per la produzione di soda caustica.Le principali fasi della lavorazione sono:preparazione della soluzione di soda Solvay;causticazione della soluzione preparata con latte di calce;decantazione della miscela di reazione per la precipitazione del carbonato che si forma;concentrazione in batteria di evaporatori; durante questa fase, a causa della concentrazione della soluzione, continua la precipitazione del carbonato;eliminazione totale dell'acqua nella soluzione uscente dell'ultimo evaporatore e fusione della soda caustica.


Elettrolisi di soluzioni concentrate di cloruri alcaliniL'altro metodo di preparazione dell'idrossido di sodio è quello per elettrolisi.Come ogni processo elettrolitico, anche quel o per la produzione dell'idrossido di sodio pre vede il passaggio della corrente elettrica in una soluzione contenente gli ioni da neutralizzare agli elettrodi.La produzione di soluzioni concentrate (50-75%) di NaOH avviene in celle elettrolitiche i cui elettrodi sono rispettivamente:

catodo: mercurio;anodo: grafite.

Le materie prime sono il cloruro di sodio solido o le sue salamoie naturali.


Teoria dell'elettrolisi del cloruro di sodioIn una soluzione acquosa di cloruro di sodio le specie presenti sono:Na+ CI - H+ OH - NaCl H2OCon il passaggio di corrente elettrica, agli elettrodi migrano gli ioni secondo le seguenti semi reazioni:

anodo Cl – ½ Cl2 + 1e-

2OH – H2O + ½ O2 +2e-

catodo H+ + e- ½ H2

Na+ +e- Na


Processo semplificato per la produzione di soda caustica.


Celle elettrolitiche

Le celle elettrolitiche a mercurio sono generalmente formate da cassoni di ferro rivestito interamente con materiali resistenti alla corrosione e impermeabili, al mercurio o catrame, cemento o materiali silicei. Gli elettrodi sono rispettivamente di grafite l'anodo e di mercurio liquido il catodo.Le celle sono strutturate in modo che l'amalgama di mercurio e sodio che si forma al catodo possa continuamente fuoriuscire per passare nel disamalgamatore costituito da recipienti, nei quali viene inviata anche acqua, contenenti pezzi di grafite, nei quali si sviluppa idrogeno secondo la reazione:

Na( HgO)n NaOH + 1/2 H2 + n Hg

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