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Solvay-Verfahren


Inhalt

Grundlagen

Technische Durchführung

Quellenverzeichnis


Der belgische Chemiker und Industrielle Ernest Solvay (1838-1922) verwirklichte 1865 technisch das auch unter dem Namen Ammoniak-Soda-Verfahren bekannte Solvay-Verfahren, das heute neben der Natursodaförderung der einzige Prozeß zur Gewinnung von Soda, Na2CO3, ist.

 

Grundlagen Pfeil.gif (877 Byte)

Grundlage ist die Bildung von Natriumhydrogencarbonat (Natriumbicarbonat oder doppeltkohlensaures Natrium), NaHCO3, das anschließend thermisch durch Calcinieren zu Soda umgesetzt wird. Das Natriumhydrogencarbonat erhält man durch Einleiten der Gase Ammoniak, NH3, und Kohlendioxid, CO2, in eine konzentrierte wäßrige Natriumchloridlösung (Salzsole), unter Bildung von Ammoniumchlorid (Salmiak), NH4Cl:

NaCl + CO2 + NH3 + H2O ® NaHCO3 + NH4Cl

Die schwache Base Ammoniak benötigt man zur Neutralisation, um die Bildung von
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Salzsäure, HCl, zu verhindern, denn die Salzsäure triebe das Kohlendioxid aus der Lösung und würde so die Bildung von Hydrogencarbonat verhindern. Man benutzt deshalb Ammoniak, weil man ihn im Gegensatz zu anderen Basen durch Erhitzen mit Calciumhydroxid, Ca(OH)2, aus dem Salmiak zurückgewinnen kann und im laufenden Betrieb nur die unvermeidlichen Verluste ersetzen muß.

 

Technische Durchführung Pfeil.gif (877 Byte)

Zunächst müssen das in der Salzsole enthaltene Calcium und Magnesium ausgefällt und entfernt werden, z.B. durch einen Überschuß von Soda und Kohlendioxid als Calciumcarbonat, CaCO3 und Magnesiumhydroxid, Mg(OH)2, da sich diese schwerlöslichen Stoffe andernfalls im Sättigungsapparat bilden und dort zu Verstopfungen und Störungen führen würden.

In der Sättigungsapparatur erfolgt die exotherme Absorption des Ammoniaks in der Sole. Da die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten mit steigender Temperatur abnimmt, müssen Kühleinrichtungen die entstehende Wärme abführen. Man benutzt meist Röhrenkühler, d.h. Rohre, die von Kühlwasser durchflossen werden.

Der von einer Vakuumpumpe durch die Absorptionsapparatur gesaugte Ammoniak ist entsprechend seiner Temperatur mit Wasserdampf gesättigt. Der Wasserdampf kondensiert bei der Absorption, wodurch sich die Lösung verdünnt. Deshalb fällt das Natriumchlorid, NaCl, trotz entsprechender Abnahme der Löslichkeit beim Einleiten des Ammoniaks nicht aus der gesättigten Lösung aus.

Im nächsten Schritt wird die ammoniakhaltige Sole von oben her in die Fülltürme geleitet, gleichzeitig wird von unten Kohlendioxid durch Kompressoren eingepreßt. Unter Wärmeentwicklung fällt das weiße Natriumhydrogencarbonat aus, weil es als schwerlöslicher Stoff unter den möglichen Verbindungen das geringste Löslichkeitsprodukt besitzt. Eine möglichst quantitative Fällung wird erreicht durch eine hohe Anfangskonzentration an Natriumchlorid (etwa 313 g/L), ein Molverhältnis zwischen Ammoniak und Natriumchlorid von 1,11:1 in der ammoniakalischen Sole und durch hohen Kohlendioxidgehalt des zugeleiteten Gases sowie einen langsamen Temperaturabfall von über 40 °C bei Fällungsbeginn auf 20-30 °C, weil das Natriumhydrogencarbonat bei tiefen Temperaturen schlechter löslich ist.

Das kristalline Natriumhydrogencarbonat wird von der Flüssigkeit durch Vakuumdrehfllter oder Zentrifugen getrennt. Neben Natriumhydrogencarbonat entstehen in geringer Menge auch Natriumchlorid und weitere Verunreinigungen wie Salmiak und Ammoniumhydrogencarbonat. Das Natriumchlorid wäscht man mit wenig enthärtetem Wasser aus und glüht anschließend das Natriumhydrogencarbonat in Calcinieröfen bei 170-180 °C:

2 NaHCO3 ® Na2CO3 + C02 + H2O

Man erhält so 99 %iges, kristallwasserfreies Natriumcarbonat mit einem Natriumchloridgehalt von etwa 0,5%. Während des Erhitzens zersetzt sich das Ammoniumhydrogencarbonat vollständig und verdampft in Form von Wasser, Ammoniak und Kohlendioxid. Der Salmiak wird mit Soda zu Kohlendioxid, Ammoniak, Wasser und Natriumchlorid umgesetzt, wodurch der Salzgehalt der Sole zunimmt. Das abgespaltene Kohlendioxid wird mit dem Wasserdampf abgesaugt; nach der Kühlung zur Kondensation des Wasserdampfes wird das Ammoniak mit Wasser oder Sole gebunden und das Kohlendioxid erneut den Fälltürmen zugeführt. Zum Ersatz des für die Soda verbrauchten Kohlendioxids erhitzt man in Schacht-, Dreh- oder Ringöfen Kalkstein, CaCO3, der sich ab 900 °C zu Calciumoxid, CaO, zersetzt.

178,44 kJ + CaCO3 ® CaO + CO2

Der gebrannte Kalk wird in horizontal gelagerten Drehtrommeln durch Wasserzugabe zu einem dickflüssigen Kalkbrei oder zu Kalkmilch angerührt.

Die Destillation dient der Zersetzung des Salmiaks mit Calciumhydroxid zur Rückgewinnung des Ammoniaks unter Bildung von Calciumchlorid, CaCl2:

2 NH4CI + Ca(OH)2 ® CaCl2 +2 NH3 +2 H2O

Durch Kochen mit Dampf werden Ammoniak und Wasserdampf aus der Lösung ausgetrieben, das gasförmige Ammoniak wird durch Kühlen vom Wasserdampf befreit und der Salzsole in der Absorptionsapparatur zugeführt. Das Calciumchlorid wird im allgemeinen wegen seiner nur geringen Verwendungsmöglichkeiten als Abfallprodukt ins Abwasser geleitet.

r0013p00.jpg (10150 Byte)Solvay-Verfahren: Fließschema einer Sodafabrik; als Ausgsngsprodukt dient eine Lösung aus Natriumchlorid, NaCI, in die nach Reinigung Ammoniak und Kohlendioxid eingepreßt werden, dabei bildet sich das schwerlösliche Natriumhydrogencarbonat, Na(HCO3)2, das abgetrennt wird, in der Calcinieranlage erfolgt durch Erhitzen die Gewinnung der Soda.

 

 

 

 

Quellenverzeichnis Pfeil.gif (877 Byte)

Bertelsmann Lexikon Chemie, Bertelsmann Lexikon Verlag, 1995, ISBN 3-577-10565-8

 

Autor: Sascha Mertens Pfeil.gif (877 Byte)