Tehnologia de fabricatie a ingrasamantului simplu pe baza de azot NaNO3

Tema de proiectare

Se va proiecta o instalatie de fabricatie a azotatului de sodiu prin neutralizarea carbonatului de sodiu cu acid azotic, urmarind etapele prevazute in cuprins.

Instalatia va avea o capacitatea de 100 Kg NaNO₃/ sarja si va functioa in regim discontinuu.

Tehnologia de fabricatie a ingrasamantului simplu pe baza de azot NaNO₃

Cap. 1. Consideratii teoretice asupra azotaului de sodiu ca ingrasamant

Imporanta azotului (N) in agricultura

Azotul intra in compozitia tuturor substantelor de care se leaga, in ultima instanta de orice activitate vitala.

Azotul, este de prima importanta pentru plante, fiind unul din cele mai importante elemente pentru nutritia acestora. O aprovizionare satisfacatoare cu azot favorizeaza o crestere normala, cat si o accelerare a dezvoltarii si matuizarii plantelor, animalelor.

Excesul de azot in raport cu fosforul si potasiul are in cele mai multe cazuri efecte daunatoare, cum ar fi:

Prelungirea vegetatiei

Scaderea rezistentei la ger

Provocarea caderii semintelor(timpuriu)

Inrautatirea calitatii produselor agricole

Carenta azotului este cu totul daunatoare, deoarece duce la orirea cresterii tesuturilorsi fruntzelor, semintelor si fructelor.

Cantitatea de azot variaza cu natura plantei si cu faza de vegetatie a acesteia.

Azotul patrunde prin radacini sub forma ionilor de NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-, cat si azotul legat organic sub forma de acizi amidici si amine.

Legumele ocupa o pozitie aparte, pentru ca spre deosebire de celelalte plante, pot sa+si fixeze azotul direct din aer, cu ajutorul bacteriilor simbiotice.

Rolul azotatului de sodiu, NaNO₃, ca ingrasamant.

Azotatul de sodiu se utilizeaza:

In cantinati mici ca ingrasamant, iar in afara de acesta, in cantitati ceva mai mari este utilizat in industria alimentara, industria sticlei, in industria metalurgica, etc.

Din punct de veder fiziologic, este un ingrasamant basic si de aceea se utilizeaza pentru soluri acide, pentru neutralizarea solurilor respective.

Are eficienta marita la cultivarea sfeclei de zahar si a sfeclei furajere.

Caracterizare fizico-chimica a azotatului de sodiu NaNO₃

Formula NaNO₃

Masa atomica 85

Continutul de azot 16,47%

Cristale trigonale

Culoare incolore, transparente

Solubil in apa (solubilitatea creste o data cu cresterea temperaturii)

Densitatea la 20⁰C p²⁰=2265kg/m³

Caldura specifica intre2-55⁰C=0,261 Kcal/kg⁰C

Intre320-430⁰C=0,413 Kcal/kg⁰C

Temperatura de topire t=309,5⁰C

Temperature de descompunere t=380⁰C

Reactia de descompunere:

2NaNO₃2NaNO₂+O₂

In stare pura putin higroscopic

1.4. Metode generale de obtinere a azotatului de sodiu, Na NO₃

Exemple:

I. Ceam mai simpla metoda este cea bazata pe neutralizarea acidului azotic (HNO₃) cu carbonat sau hidroxid de sodiu .

(Na₂CO₃, NaOH)Na NO₃ obtinut foarte scump

2HNO₃+Na₂CO₃2NaNO₃+CO₂+H₂O

HNO₃+NaOHNaNO₃+H₂O

II. Alta metoda posibila sete obtinerea NaNO₃ prin reactia de dublu schimb, conform ecuatiilor:

Ca(NO₃)₂+Na₂CO₃CaCO₃+2NaNO₃

Ca(NO₃)₂+Na₂SO₄CaSO₄+2NaNO₃

NH₄NO₃+NaCl NaNO₃+NH₄Cl

2NH₄NO₃+Na₂CO₃ 2NaNO₃+(NH₄)₂CO₃

III. Metoda utilizata sa scara industriala, cel mai frecvent este absorbtia oxizilor de azot din gazelle nitroase reziduale in alte solutii alcaline.

Cap.2. ASPECTE TEHNOLOGICE

2.1. Fabricarea azotatului de sodiu, NaNO₃ prin neutralizarea acidului azotic cu carbonat sau hidroxid de sodiu.

Chinismul:

2HNO₃+Na₂CO₃2NaNO₃+CO₂+H₂O

(NaOH)

HNO₃+NaOHNaNO₃+H₂O

Este o metoda costisitoare, dar sic ea mai simpla

Azotatul de sodiu obtinut prin aceasta metoda este insa mai scump decat cel obtinut prin alte metode.

2.2. Fabricarea azotatului de sodium prin utilizarea metodei de dublu schimd, cum ar fi:

Ca(NO₃)₂+Na₂CO₃CaCO₃+2NaNO₃

Ca(NO₃)₂+Na₂SO₄CaSO₄+2NaNO₃

NH₄NO₃+NaCl NaNO₃+NH₄Cl

sau

2NH₄NO₃+Na₂CO₃ 2NaNO₃+(NH₄)₂CO₃

Fiecare din metodele bazate pe aceste reactii isi are caracterul sau specific.

Astfel, la utilizarea metodei de dublu schimb dintre azotatul de calciu si sulfatul de sodium, este necesar un exces de azotat de calciu; acesta ramanand in azotatul de sodium produs si creste proprietatile higroscopice ale acestuia. De asemenea, prezenta sulfatului de calciu determina cresterea vascozitatii masei de reactie si pentru imbunatatirea proprietatilor de prelucrare a acesteia este necesara recircularea unei cantitati de solutie. La scara industriala, in Norvegia, se aplica metoda de obtinere a azotatului de sodium prin schimb de cationic, utilizand solutii de azotat de calciu si schimbatori de ioni minerali sau organici, naturali sau sintetici. Schimbatorii de ioni se regenereaza cu solutii de clorura de sodium.

2.3. Metoda utilizata la scara industriala cel mai frecvent este absorbtia oxizilor de azot din gazele nitroase reziduale in solutii alcaline.

In acest mod, creste eficienta instalatiilor de acid azotic prin utilizarea totala a materiei prime si se evita poluarea mediului inconjurator. Prin metoda adsorbtiei alcaline se poate obtine si azotit de sodiu, concomitent cu obtinerea azotatului de sodiu.

Materii prime:

Na₂CO₃

Gaze nitroase=[NO+NO₂+G]

Chinismul: - se realizeaza in 2 etape:

I Adsorbtia alcalina

Na₂CO₃+N₂O₃2NaNO₂+CO₂

Na₂CO₃+2NO₂NaNO₂+CO₂+NaNO₃

II Insertia:

NaNO₂+HNO₃NaNO₃+NO+H₂O

Ecuatii caracteristice:

I Adsorbtia:

[Na₂CO₃+H₂O]_l+[NO+NO₂+G]_g[ NaNO₃+ NaNO₂+ Na₂CO₃+H₂O]_l+[CO₂+GN+H₂O]_g

Structura procesului:

Este proces de tip a.m.r. chimica

T_{[NO+ NO2]g}Abs_{[NO+ NO2]} T_{[NO+ NO2]g} a.m. r. chimica descomp _CO2

T _Na2CO3

II Inversie:

[ NaNO₃+ NaNO₂+ Na₂CO₃+H₂O]_l+[ HNO₃+ H₂O]_l [ NaNO₃+ H₂O]_l+[NO+G]_g

Structura procesului este de tip: amestecare moleculara r. chimica

--- T_[HNO3]l

a.m. r. chimca Des. _NO

--- T_[NaNO2]l

Fluxul Tehnologic:

Sol. Na₂NO₃

Gaze nit
gaze nitroase reziduale

Exces

Sol HNO₃ (NaNO₂+NaNO₃)_aq

Gaze nitroase reziduale

NH₃ (NaNO₃/ HNO₃ exces)_aq

In prelucrarea solutiei intra o serie de procese:

-concentrare-cristalizare-flitrare-uscare

Instalatia tehnologica:

Ustensile si aparate constructive:

1,4,7,9-rezervoare

2,3-coloane de absorbtie

5-incalzitor

6-filtru presa

8-reactor de inversie

10-evaporator/concentrator

11-cristalizor

12-centrifuga

Solutia Na₂CO₃ preparatadin rezervorul 1 se alimentaza pe la partea superioara a absorberelor in contracurent cu gazele nitroase(GN).

Faza lichida rezultata din absorbere se recircula pana se atinge gradul de absorbtie dorit.

Faza lichida ce contine NaNO₂ (azotit si azotat de sodiu), Na₂NO₃ este stocat in rezervorul 4, de unde se preancalzeste in 5 si se filtreaza in 6.

Faza lichida (filtratul) din 6 este stocat in rezervorul 7 de unde este dozat la partea superioara a reactorului de inversie 8.

Inversia se produce prin adios de HNO₃ la temperature 70-80⁰C. Solutia rezultata din 8 contine in principal NaNO₃ si se stocheaza in rezervorul 9.

Din acest rezervor solutia se trimite la o serie de operatii in vederea izolarii produsului(NaNO₃):

-concentrare 10- cristalizare 11- prin racier si centrifugare 12.

Cap. 3 Partea experimentala

Sinteza azotatului de sodium la scara de laborator.

Se va sintetiza o cantitate de aprox. 15g NaNO₃ , folosind ca materii prime carbonatul de sodiu, Na₂CO₃ si solutie de acid azotic HNO₃ concentrat.

In procesul de sinteza se vor utiliza si mici cantitati de solutie de amoniac concentrata (NH₃).

Procesul chimic presupune dizolvarea Na₂CO₃ in exces de HNO₃, urmat de neutralizarea excesului de acud cu amoniac pana la miros persistent de NH₃. azotatul de sodiu se va ziola prin cristalizare si uscare.

Excesul de HNO₃ folosit la sinteza va fi aprox. 10% fata de cantitatea stoechiometric necesara.

Materiile prime folosite in sinteza de laborator se considera de puritate pa.

NaNO₃: M= 12.38g substanta anhidra

S(⁰C) g/100g solvent=73

S(80⁰C) g/100g solvent=148

S(100⁰C) g/100g solvent=180

Na₂CO₃: M=10.6g

S(20⁰C) g/100g solvent=21.5

S(100⁰C) g/100g solvent=45.5

HNO₃: M=0.26g

C=65% p=1.39Kg/m³

Vol. HNO₃ conc. C=25% p=0.906 Kg/m³

a)      Chinismul procesului:

I. Absorbtia

Na₂CO₃+N₂O₃NaNO₂+CO₂

Na₂CO₃+2NO₂NaNO₃+ NaNO₂+CO₂

II. Inversia

NaNO₂+2NO₂NaNO₂+ NO+H₂O

b) Materii prime:

Na₂CO₃

Gaze nitroase reziduale

Reactanti: Na₂CO₃, HNO₃, NH₃, H₂O.

Calcule: M_NaNO3=85 υ=0.17 moli luam ~ 0.2 moli

NaNO₃ 17g NaNO₃

M_sol(25%)=1.04g sol NH₃

p= 0.906

m=

Calculul de solubilitate la t⁰ camerei:

S(20⁰C)=21.5

S=

X=50ml H₂O - sunt necesare la dizolvarea Na₂CO₃

Ustensile de laborator:

• Pahare Berzelius 200ml
• Pahar Erlenmayer 250ml
• Pipete 25ml
• Cilindrii gradati
• Balanta analitica
• Bagheta de sticla
• Spatula
• Hartie de flitru
• Pompa de vid
• Palnie simpla si Buchner
• Foarfeca
• Exicator
• Stativ
• Baie de ghiata
• Termometru
• Plita electrica(cu agitator,portelan poros)

Mod de lucru:

La obtinerea a 17g NaNO₃ , intr-un pahar Berzelius se dizolva 10,6g Na₂CO₃ in 50ml apa distilata. Peste solutia rezultata se adauga in picaturi 15 ml HNO₃ 65%. Se agita constant cu o bagheta de sticla pana se termina efervescenta. Excesul de HNO₃ se neutralizeaza cu min. 7ml NH₃ conc 25%(miros persistent de amoniac). Solutia obtinuta se pune pe o plita electrica la evaporare sub agitare continua (cu magnet agitataor, portelan poros sau bagheta) pana la o concentrare evidenta a solutiei, dupa care se efectueaza o filtrare la presiune atmosferica, iar apoi racire sub jet de apa si pe urma racire pe baie de ghiata tot timpul sub agitare pana la aproximativ 15⁰C. Apoi se face o filtrare la vid, iar produsul obtinut se lasa la uscat in exicator sau la temperatura camerei.

Analiza produsului finit

Se fac notatiile: m-Masa NaNO₃

V-volumul de KmnO₄ 0.1N

%NO₃=f(m;V)

85g NaNO₃.......62gNO₃^-

100g NaNO₃.....X g NO₃^-

X=72.94%

2 NaNO₃+2(NH₄)₂Fe(SO₄)₂+4H₂SO₄ Fe(SO₄)₃+2(NH₄)₂+Na₂SO₄+2NO₂+2H₂O

-este o reactie redox:

2Fe²⁺ -2e^- 2Fe³⁺|1

N⁵⁺ +1e^- N⁴⁺|2

10(NH₄)₂Fe(SO₄)₂+8H₂SO₄+2KMnO₄ K₂SO₄+5Fe(SO₄)₃+2MnSO₄+10(NH₄)₂+8H₂O

Mn⁷⁺ +5e^- Mn²⁺|2

2Fe²⁺-2e^- 2Fe³⁺|5

Calcularea Eg

Eg=

NaNO₃: N⁵⁺ +1e^- N⁴⁺

Eg

(NH₄)₂Fe(SO₄)₃: Eg=

KMnO₄: Eg=

X E_NaNO3

+25ml sare Mohr 0,1N y E Mohr

E_{Mohr exces(Z)}

Titrare KMnO₄ 0.1N(V-ml)

Titrarea cu KMnO₄ se face pentru a consuma excesul de sare Mohr

0,1 Eg.....1000ml

Z ..... Vml

Z=10^-4VE _KMnO4=910^-5

25 ml Mohr 0.1N

0.1.....1000ml

Y .....25 ml

Y=2510^-4E_Mohr

m/5g......x

85g.....1Eg

x=

mg Proba

dil.

Proba 20 ml

34210^-4

+25ml sol.Mohr 0,1N

2510^-4E_Mohr Total

- echivalent Mohr exces

+ V[ml]=0.9ml

V10^-4E_KmnO4

X=care se gasesc in mg proba

1g......0,74g

100.......x

%NO₃=

Concluzie cu privire la % NO₃^-

S-a format prea mult acid, in acest caz pentru un % mai real se recomanda o recristalizare.

Calculul % NO₃ ideal se presupune o proba 100% NaNO₃%NO₃=72.94

Elaborarea modelului matematic de bilant

10,6g Na₂CO₃ (0,1 mol)

15 ml HNO₃ 65% p=1,39g/cm³

10 ml sol NH₃ 25% P=0.906g/cm³

50m H₂O

Luam in calcul un randament η=60%

p=

p=

C_s= md=13.55g HNO₃

Η=60%Cp=

6,4g 60% 2 0,06

Na₂CO₃+2HNO₃2NaNO₃+CO₂+H₂O

106 x y

0.12moli HNO₃ consumati Δ=0.1moli HNO₃=6,3g HNO₃

13,6g HNO₃0,22 moli HNO₃

0.1285=10.2gNaNO₃

• NaNO₃: o mare parte se pierde in filtrat
• CO₂: cea mai mare parte se evapora din proces
• H₂O: se evapora in procesul de concentrare si cristalizare

Mecanismul macrocinetic

Materii prime: carbonatul de sodiu-solutie

acidul azotic-solutie

Ecuatiile Caracteristice:

-mai intai ecuatia reactiei chimice:

Na₂CO₃+HNO₃ NaNO₃+CO₂+H₂O

Aq. Aq. Aq. (g)

[Na₂CO₃+H₂O]_l+[HNO₃+H₂O]_l [NaNO₃+HNO₃+Na₂CO₃+H₂O]_l+[CO₂+H₂O]_g

avem in exces HNO₃ si trebuie neutralizat cu amoniac 25% solutie:

NH_3(aq)+HNO_3(aq) NH₄NO_3(aq)

[NaNO₃+HNO₃+Na₂CO₃+H₂O]_l+[NH₃+H₂O]_l [NaNO₃+NH₄NO₃+Na₂CO₃+H₂O]_l+

[NH₃+H₂O]_g

Structura procesului:

avem un proces tip: amestecare moleculara reactie chimica (am.r.ch.)

f.c.g. T_CO2(g)

T_Na2CO3(l) - T_HNO3(l)

a.m.r.ch. a.m.r.ch.2

T_HNO3(l) - T_NH3(l)

3.5. Fluxul tehnologic:

Na₂CO₃ anh

apa




sol HNO₃ exces 65%



CO₂

se elimina

vap.de apa

NaNO₃ umed

Instalatia tehnologica:

Componentele instalatiei:

1- vas de dizolvare

2- rezervor HNO₃ 65%

3- reactor cu agitare

4- reactor cu agitare(neutralizare)

5,8- filtre

6- evaporator+agitator+manta de incalzire

7- cristalizator+agitator+manta de racire

9- rezervor NH₃ 25%

10- spalator de gaze

Descrierea instalatiei:

Mai intai Na₂CO₃ anhidru se dizolva in vasul 1, apoi in reactorul 3 are loc reactia nr1, iar HNO₃ 65% este dozat din rezervorul 2

Excesul de HNO₃ se neutralizeaza in reactorul 4 unde are loc reactia nr2, iar NH₃ 25% se dozeaza din rezervorul 9. Gazele reziduale din reactorul 3 se elimina in aer deoarece nu prezinta toxicitate marita, fiind vorba de CO₂.

Gazele ce se elimina din reactorul 4 sunt colectate intr-un spalator de gaze 10, iar apoi se recircula solutia NH₃ pana la o concentratie dorita sau pana la neutralizarea totala a acidului azotic aflat in exces.

Solutia de NaNO₃ rezultata dupa neutralizare este supusa unei concentrari prin evaporare in 6 la 115-120⁰C, apoi este supusa racirii la 40-50⁰C in cristalizatorul 7, pt. cristalizarea azotatului de sodiu. Prin centrifugare se elimina 5% din umiditatea suspensiei de azotat de sodiu.

Uscarea se realizeaza cu condens cald si aer, praful antrenat fiind separat prin filtrarea aerului.

Bibliografie

   Calistru - "Tehnologia sarurilor minerale"

-pag 210-228 si pagina 16 pentru importanta N

   Handbook - pag 147-148

Autor: Monica Venter