Impianto e processo solvay

Descrizione generale del processo di produzione del carbonato di sodio

La produzione del carbonato di sodio impiega cloruro sodico (NaCl) e calcare (CaCO₃) che si combinano secondo la reazione globale: NaCl + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaCl₂. Per via diretta, questa trasformazione non è possibile ed è, invece, il risultato di diverse tappe successive. In Fig. 17 è illustrato lo schema a blocchi del processo produttivo. L'ammoniaca gassosa, considerata come vettore di CO₂, è assorbita nella salamoia depurata (SE - soluzione satura di NaCl).

La salamoia ammoniacale (SA) così ottenuta viene trattata nelle colonne di precipitazione con la CO₂. Ne risulta la cristallizzazione del bicarbonato di sodio secondo la reazione: NH₃ + CO₂ + NaCl + H₂O = NaHCO₃ + NH₄Cl. Si tratta di una reazione di equilibrio, che in pratica, limita a meno del 75% la conversione del NaCl. Il solido è separato per filtrazione per essere in seguito calcinato secondo la reazione: 2 NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂.

Si ottiene in questo modo da una parte il Na₂CO₃, prodotto finito, e dall’altra, il CO₂ che viene riciclato alle colonne di precipitazione. La fase liquida, che contiene tra l’altro tutto il NH₄Cl stechiometrico rispetto al Na₂CO₃ prodotto, è trattata con la calce per convertire il NH₄Cl in NH₃ secondo la reazione: 2 NH₄Cl + Ca(OH)₂ = 2 NH₃ + 2 H₂O + CaCl₂. L’ammoniaca libera così ottenuta può essere strippata dalla soluzione con il vapore e riciclata all’assorbimento.

La CO₂ utilizzata alle colonne e la calce utilizzata per la conversione del NH₄Cl in NH₃ sono prodotte ai forni a calce con l’arrostimento del CaCO₃: CaCO₃ = CaO + CO₂. La calce è utilizzata sotto forma di latte di calce ottenuta mediante idratazione secondo la reazione: CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Le reazioni di estinzione della calce, dell’assorbimento dell’ammoniaca e di precipitazione del bicarbonato di sodio sono esotermiche. Le reazioni di cottura del calcare, di calcinazione del bicarbonato di sodio e di rigenerazione dell’ammoniaca sono endotermiche. Il calore viene introdotto o per combustione di coke (ai forni a calce) o con il vapore.

Dobbiamo considerare che la maggior parte del calore sviluppato dalle reazioni esotermiche va perso, essendo gli scambi di calore tra reazioni esotermiche e endotermiche marginali. Questo spiega in parte il consumo energetico elevato della fabbricazione del carbonato di sodio. Tutto il procedimento di fabbricazione del carbonato di sodio è continuo.

(*) Si ringrazia la Soc. Solvay e l’Ing. Alessandro Ruffini per aver messo a disposizione il materiale oggetto della presente descrizione.

Caratteristiche del processo Solvay

Dall’esame dello schema globale di fabbricazione possiamo ricordare alcune caratteristiche che fanno della Sodiera un processo dei più complessi:

• Presenza di 3 fasi (solido, liquido, gassoso)
• Doppio ciclo all’interno della fabbricazione
• Ciclo dell’ammoniaca
• Ciclo di CO₂ (per il passaggio da NaHCO₃ a Na₂CO₃)
• Carattere incrostante di alcuni liquidi
• Fenomeno di cristallizzazione specifico alle miscele gassose NH₃ - CO₂ - H₂O

Il procedimento Solvay produce inizialmente soda leggera (SL), che richiede un trattamento supplementare di densificazione per tramutarsi in soda densa (SD). Le due qualità hanno una composizione chimica identica ma la soda densa è la qualità preferita per la fabbricazione del vetro. Dobbiamo infine ricordare che il processo Solvay utilizza delle materie prime molto abbondanti e garantisce comunque la fabbricazione di un prodotto finito di altissima purezza.

Sigle apparecchiature dell'impianto

Nella tabella seguente sono riportate le sigle delle apparecchiature dell'impianto:

• ABSB-GV: Assorbitore Vuoto Spinto
• ABSB-VN: Assorbitore Vuoto Normale
• CB: Carbonatatore
• CC: Colonna di Concentrazione
• CL: Colonna di Carbonatazione (CLCB) o di Bicarbonatazione (CLBI)
• CP: Compressore
• DCB: Debicarbonatatore
• DPD: Depolverizzatore a dischi
• DS: Distillatore
• DT-DCB: Detente DCB
• DTG: Detente Generale
• Dti: Detente individuale
• DV-BIB: Dissolvitore BIB
• EBVR: Silo SODASOLVAY
• LFL: Filtro
• FLB: Filtro a nastro
• LCL: Lavatore Colonna
• LPV-GV: Lavatore Pompa a Vuoto - Vuoto Spinto
• LPV-VN: Lavatore Pompa a Vuoto - Vuoto Normale
• MEF: Motoestrattore filtri a nastro
• PG: Pompa a gas
• PV-DS: Pompa a vuoto - distillazione
• RF-LF: Refrigerante a letto fluido
• RGGV: Refrigerante gas DS Vuoto Spinto
• RGCC: Refrigerante gas CC
• RGRH: Refrigerante gas DS Vuoto normale
• RGT-DCB: Refrigerante gas DCB
• RGT-SHT: Refrigerante gas SHT
• VRHCD: Riscaldatore - Condensatore DS Vuoto Normale
• RHSB: Riscaldatore- Scrubber
• RS 1: Riserva acqua lavaggio tela uscita FLB
• RS LCH: Riserva latte di calce
• RS LFLB: Riserva liquido filtro
• RS Liq. CL: Riserva liquido colonna
• RS S¼A: Riserva salamoia ¼ Ammoniacale
• RS S½A: Riserva salamoia ½ Ammoniacale
• RS SA: Riserva salamoia Ammoniacale
• RS SE: Riserva salamoia depurata
• SB: Scrubber
• SB-DCB: Scrubber gas DCB
• SB-SHT: Scrubber gas SHT
• VSBCL: Scrubber Colonna
• SHTV-SD: Essiccatoio SODASOLVAY
• SHTV-SL: Essiccatoio SODASOLVAY L
• SP: Separatore
• TE-FLB: Turbo-Estrattore Filtro a nastro
• TGT: Cristallizzatore SODASOLVAY
• TP-BIB: Trasportatore BIB
• TPE: Trasportatore a elica
• TPN: Trasportatore a nastro
• TPR: Trasportatore Redler
• TR: Tramoggia
• TRG: Torre di Refrigerazione
• TRG Liq. DS: Torre di Refrigerazione Liquido DS
• TRG-PG: Torre di Refrigerazione Pompe a Gas
• TS-GL: Turbo-soffiante gas lavaggio
• TS-GP: Turbo-soffiante gas povero
• TS-GR: Turbo-soffiante gas ricco

(*) Gli apparecchi di produzione sono identificati da una sigla. La Procedura SO-XXX fornisce una descrizione sintetizzata delle caratteristiche degli apparecchi. I documenti corrispondenti (vignetta originale, disegni costruttivi, schemi d'impianto, ...) sono archiviati presso l'archivio tecnico Udi.

Operazioni di recupero dell'ammoniaca

L’ammoniaca contenuta nelle acque madri dei filtri (liquido FLB) deve essere recuperata per essere riciclata agli assorbitori; di più, il liquido FLB contiene della CO₂ recuperata. È prassi normale classificare l’ammoniaca presente in due categorie:

• L’ammoniaca volatile (libera) [NH₄OH, NH₄HCO₃, (NH₄)₂CO₃] che è dissociabile termicamente e sviluppabile per distillazione
• L’ammoniaca fissa (NH₄Cl) che non subisce nessuna dissociazione sotto l’azione del calore, per lo meno nel campo di temperature messe in atto.

Quando si riscalda del liquido filtrato, le reazioni d’equilibrio di carbonatazione e bicarbonatazione dell’ammoniaca si spostano rapidamente nel senso della decomposizione. La solubilità della CO₂ nell’acqua di per sé è trascurabile, il riscaldamento del liquido filtro produce una soluzione ammoniacale e uno sviluppo di CO₂ gassosa: 2 NH₄HCO₃(l) = (NH₄)₂CO₃(l) + CO₂(g) + H₂O(l) (NH₄)₂CO₃ = 2 NH₄OH