Công nghệ sản xuất Soda (Na₂CO₃) liên hợp phương pháp Solvay – Hầu Đức Bảng

Phương trình / Quy luật áp dụng: NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃↓ + NH₄Cl

Giải thích chuẩn SGK: NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O tạo thành NaHCO₃ kết tinh tách ra, đem nung thu được Soda (Na₂CO₃); nước cái được thêm muối ăn và làm lạnh để tách NH₄Cl — nhờ đó loại bỏ được lò vôi và chất thải CaCl₂ của phương pháp Solvay cũ.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Ý nghĩa của từ Liên hợp trong sản xuất Soda»: Liên hợp nhà máy tổng hợp NH₃ (cung cấp NH₃ và khí phụ phẩm CO₂) với nhà máy sản xuất Soda, đồng thời chuyển hóa nước cái thành phân đạm NH₄Cl.

Phương trình / Quy luật áp dụng: NH₃·H₂O + CO₂ → NH₄HCO₃

Giải thích chuẩn SGK: NH₃ làm dung dịch có tính kiềm, nhờ đó CO₂ mới được hấp thụ mạnh tạo nồng độ HCO₃⁻ lớn; nếu thiếu NH₃ thì độ quá bão hòa không đạt được và hầu như không có tinh thể tách ra.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Tại sao phải sục NH₃ trước rồi mới sục CO₂»: Vì NH₃ tan nhiều tạo môi trường kiềm giúp hấp thụ lượng lớn CO₂ tạo nồng độ HCO₃⁻ cao để kết tinh NaHCO₃.

Phương trình / Quy luật áp dụng: NaCl + NH₄HCO₃ → NaHCO₃↓ + NH₄Cl

Giải thích chuẩn SGK: Ở 20 ℃, độ tan của NaHCO₃ (9.6 g/100 g nước) nhỏ nhất trong 4 muối; trong dung dịch nước muối bão hòa có nồng độ Na⁺ và HCO₃⁻ rất lớn, NaHCO₃ nhanh chóng vượt ngưỡng bão hòa và kết tinh tách ra.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «NaHCO₃ kết tủa tách ra có phải vì nó là muối không tan không?»: Không, NaHCO₃ vẫn là muối tan (9.6 g/100 g nước ở 20 ℃), nhưng do có độ tan nhỏ nhất trong hệ và nồng độ ion cao nên đạt quá bão hòa và kết tinh trước.

Phương trình / Quy luật áp dụng: S(NaHCO₃): 10 ℃ 8.1 → 30 ℃ 11.1 → 45 ℃ 13.5

Giải thích chuẩn SGK: Tăng nhiệt độ làm tăng độ tan, giảm độ quá bão hòa khiến hiệu suất tách giảm; nhưng hạ nhiệt độ quá thấp lại làm chậm tốc độ phản ứng (ở 10 ℃ chỉ đạt 15.95 t/h), do đó công nghiệp chọn vùng tối ưu 25~40 ℃.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Tại sao nhiệt độ cacbonat hóa không được quá cao hoặc quá thấp»: Quá cao làm tăng độ tan NaHCO₃ và bay hơi NH₃; quá thấp làm giảm tốc độ phản ứng và tạo tinh thể quá nhỏ khó lọc.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Huyền phù → NaHCO₃ thô (rắn) + Nước cái (lỏng)

Giải thích chuẩn SGK: Công đoạn lọc tách riêng NaHCO₃ rắn (đưa đi nung) và dung dịch nước cái (đưa đi kết tinh lạnh thu NH₄Cl rồi tuần hoàn về khâu hấp thụ NH₃).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Đường đi của nước cái sau khi lọc tách NaHCO₃»: Đưa sang thiết bị kết tinh lạnh, thêm NaCl và hạ nhiệt độ để tách NH₄Cl, sau đó tuần hoàn về tháp hấp thụ NH₃.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2NaHCO₃(s) ──△──→ Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)↑

Giải thích chuẩn SGK: 2NaHCO₃ ─△→ Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O: Cần nung từ 160 ℃ trở lên để phân hủy hoàn toàn; nhiệt độ quá thấp sản phẩm còn lẫn NaHCO₃, quá cao (> 320 ℃) gây kết khối dừng lò.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Hậu quả khi nhiệt độ lò nung quá thấp hoặc quá cao»: Quá thấp làm sản phẩm Soda còn lẫn NaHCO₃ chưa phân hủy; quá cao gây kết khối bám thành lò buộc phải dừng máy.

Phương trình / Quy luật áp dụng: NH₄Cl(aq) → NH₄Cl(s)↓

Giải thích chuẩn SGK: Bổ sung NaCl vào nước cái đến bão hòa (hiệu ứng ion chung) và làm lạnh xuống ≤ 10 ℃ giúp NH₄Cl kết tinh tách ra làm phân đạm; đồng thời CO₂ từ lò nung được tuần hoàn về tháp cacbonat hóa — tạo nên chu trình sản xuất liên hợp khép kín.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Tại sao xử lý nước cái cần thêm NaCl và hạ nhiệt độ» & «Hai nguồn cung cấp CO₂»: Tận dụng hiệu ứng ion chung Cl⁻ và giảm độ tan của NH₄Cl ở nhiệt độ thấp; CO₂ lấy từ phụ phẩm tổng hợp NH₃ và thu hồi từ lò nung NaHCO₃.

Phương trình / Quy luật áp dụng: NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃↓ + NH₄Cl

Giải thích chuẩn SGK: Đạt công suất chuẩn = Mọi công đoạn đều nằm trong dải thông số tối ưu: Đúng thứ tự sục khí, đúng vùng nhiệt độ, nhiệt phân hoàn toàn, tuần hoàn khép kín nước cái và CO₂.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp kiến thức: Kết nối 4 mắt xích «Thứ tự sục khí — Quá bão hòa kết tinh — Nhiệt phân — Tuần hoàn» để giải thích điều kiện vận hành tối ưu của nhà máy.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Vì NH₃ tan nhiều tạo môi trường kiềm giúp hấp thụ lượng lớn CO₂ chuyển thành ion HCO₃⁻ nồng độ cao. Khí NH₃ rất dễ tan trong nước làm dung dịch có tính kiềm, nhờ đó hấp thụ được lượng lớn CO₂ tạo nồng độ HCO₃⁻ đủ lớn để NaHCO₃ vượt ngưỡng bão hòa và kết tinh tách ra.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nung đá vôi lấy CO₂ và chưng thu hồi NH₃ bằng sữa vôi. Phương pháp liên hợp sử dụng nguồn CO₂ phụ phẩm từ nhà máy tổng hợp NH₃ (không cần lò nung đá vôi) và tách trực tiếp NH₄Cl làm phân đạm (không dùng sữa vôi Ca(OH)₂ để chưng thu hồi NH₃), do đó không xả ra chất thải CaCl₂.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Để duy trì chênh lệch nồng độ lớn nhất và tăng diện tích tiếp xúc, giúp hấp thụ CO₂ triệt để hơn. Nguyên lý tiếp xúc ngược chiều (counter-current) giữa pha khí và pha lỏng giúp duy trì động lực truyền khối lớn nhất dọc theo chiều cao tháp, nâng cao hiệu suất hấp thụ CO₂.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nồng độ NaHCO₃ tạo thành vượt quá giới hạn bão hòa (đạt trạng thái quá bão hòa) trong dung dịch. Điều kiện quyết định sự kết tinh là dung dịch đạt trạng thái quá bão hòa đối với NaHCO₃; việc NaHCO₃ có độ tan nhỏ nhất trong 4 muối ở cùng nhiệt độ giúp nó đạt trạng thái quá bão hòa sớm nhất.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: NaHCO₃ (9.6). Theo bảng dữ liệu độ tan ở 20 ℃: Độ tan của NaHCO₃ là 9.6 g/100 g nước — nhỏ nhất trong 4 muối (NH₄HCO₃: 21.7; NaCl: 35.9; NH₄Cl: 37.2).