第四章 纯碱.ppt
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1、化工工艺学化工工艺学Chemical engineering technics应用化学专业应用化学专业第第4章章 纯碱纯碱Industry of making soda 第一节第一节 氨碱法制纯碱氨碱法制纯碱 第二节第二节 联合制碱法生产纯碱和氯化铵联合制碱法生产纯碱和氯化铵纯碱和烧碱广泛应用玻纯碱和烧碱广泛应用玻纯碱和烧碱广泛应用玻纯碱和烧碱广泛应用玻璃、制皂、纺织、造纸、璃、制皂、纺织、造纸、璃、制皂、纺织、造纸、璃、制皂、纺织、造纸、石油化工、化肥、冶金、石油化工、化肥、冶金、石油化工、化肥、冶金、石油化工、化肥、冶金、医药等工业。医药等工业。医药等工业。医药等工业。用用 途途第一节第一
2、节 氨碱法制纯碱氨碱法制纯碱一、概述一、概述【物理性质物理性质物理性质物理性质】纯碱又称苏打,白色细粒结晶粉末,分子式纯碱又称苏打,白色细粒结晶粉末,分子式纯碱又称苏打,白色细粒结晶粉末,分子式纯碱又称苏打,白色细粒结晶粉末,分子式NaNa2 2COCO3 3。密度密度密度密度2533kg/m2533kg/m-3-3,熔点熔点熔点熔点851851,热热热热容容容容1.04kJ/kg1.04kJ/kg。【生产方法生产方法生产方法生产方法】氨碱法氨碱法氨碱法氨碱法(索尔维制碱法)(索尔维制碱法)(索尔维制碱法)(索尔维制碱法)氨碱法原料:食盐、氨、石灰石、焦炭氨碱法原料:食盐、氨、石灰石、焦炭氨碱
3、法原料:食盐、氨、石灰石、焦炭氨碱法原料:食盐、氨、石灰石、焦炭联碱法联碱法联碱法联碱法(侯氏制碱法)(侯氏制碱法)(侯氏制碱法)(侯氏制碱法)联碱法原料:食盐、氨、联碱法原料:食盐、氨、联碱法原料:食盐、氨、联碱法原料:食盐、氨、COCO2 2二、二、氨碱法制碱的生产原理氨碱法制碱的生产原理 1 1 1 1、主要原料、主要原料、主要原料、主要原料 食盐、氨、石灰石食盐、氨、石灰石食盐、氨、石灰石食盐、氨、石灰石 2 2 2 2、主要化学反应主要化学反应主要化学反应主要化学反应 P143-144P143-144P143-144P143-144【氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化】
4、NaClNaCl+NH+NH3 3+CO+CO2 2+H+H2 2O=NaHCOO=NaHCO3 3(s)+NH(s)+NH4 4ClCl【重碱煅烧重碱煅烧重碱煅烧重碱煅烧】2NaHCO 2NaHCO3 3(s)=Na(s)=Na2 2COCO3 3(s)+CO(s)+CO2 2(g)+H(g)+H2 2OO【氨的回收氨的回收氨的回收氨的回收】NHNH4 4Cl+Ca(OH)Cl+Ca(OH)2 2=2NH=2NH3 3+CaCl+CaCl2 2+2H+2H2 2OO COCO2 2的来源:的来源:的来源:的来源:大部分由煅烧石灰石得到;大部分由煅烧石灰石得到;大部分由煅烧石灰石得到;大部分由
5、煅烧石灰石得到;一部分由重碱煅烧而来。一部分由重碱煅烧而来。一部分由重碱煅烧而来。一部分由重碱煅烧而来。【石灰石煅烧石灰石煅烧石灰石煅烧石灰石煅烧】CaCOCaCO3 3 =CaOCaO+CO+CO2 2石灰窑中煅烧来的石灰窑中煅烧来的石灰窑中煅烧来的石灰窑中煅烧来的CaOCaO供供供供“氨回收氨回收氨回收氨回收”反应用:反应用:反应用:反应用:【石灰乳制备石灰乳制备石灰乳制备石灰乳制备】CaOCaO+H+H2 2O=Ca(OH)O=Ca(OH)2 2三、三、氨碱法制碱的生产流程氨碱法制碱的生产流程氨碱法生产流程如图氨碱法生产流程如图氨碱法生产流程如图氨碱法生产流程如图4.44.4。简要流程如
6、下:。简要流程如下:。简要流程如下:。简要流程如下:食盐水的制备和精制食盐水的制备和精制食盐水的制备和精制食盐水的制备和精制食盐水吸氨成氨盐水食盐水吸氨成氨盐水食盐水吸氨成氨盐水食盐水吸氨成氨盐水NHNH3 3氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化氨盐水碳酸化COCO2 2碳酸化悬浮液过滤碳酸化悬浮液过滤碳酸化悬浮液过滤碳酸化悬浮液过滤NaHCONaHCO3 3煅烧成纯碱煅烧成纯碱煅烧成纯碱煅烧成纯碱NaHCONaHCO3 3(g)(g)NHNH4 4ClClNaClNaCl少量少量少量少量NHNH4 4HCOHCO3 3及及及及(NH4)(NH4)2 2COCO3 3NaHCONaHCO3 3
7、(g)(g)母液回收氨母液回收氨母液回收氨母液回收氨(母液:(母液:(母液:(母液:NHNH4 4ClCl、未用、未用、未用、未用NaClNaCl、少量少量少量少量NHNH4 4HCOHCO3 3及及及及(NH(NH4 4)2 2COCO3 3)生石灰制石灰乳生石灰制石灰乳生石灰制石灰乳生石灰制石灰乳石灰石制石灰石制石灰石制石灰石制生石灰和生石灰和生石灰和生石灰和COCO2 2NaClNaCl+NH+NH3 3+CO+CO2 2+H+H2 2O=NaHCOO=NaHCO3 3(s)+NH(s)+NH4 4ClClNaHCONaHCO3 3 NaNa2 2COCO3 3+CO+CO2 2+H+H
8、2 2OOCaCOCaCO3 3 =CaOCaO+CO+CO2 2CaOCaO+H+H2 2O=Ca(OH)O=Ca(OH)2 2NHNH4 4Cl+Ca(OH)Cl+Ca(OH)2 2 NH NH3 3+CaCl+CaCl2 2+H+H2 2OOCaOCaO产品纯碱产品纯碱产品纯碱产品纯碱吸收尾气吸收尾气吸收尾气吸收尾气COCO2 2除去除去除去除去CaCa离子离子离子离子加加加加Ca(OH)Ca(OH)2 2除去除去除去除去MgMgCOCO2 2 图图图图 4.44.4炉炉炉炉气气气气制饱和食盐水制饱和食盐水制饱和食盐水制饱和食盐水除盐水中镁除盐水中镁除盐水中镁除盐水中镁吸收尾气吸收尾气吸
9、收尾气吸收尾气COCO2 2除盐水中钙除盐水中钙除盐水中钙除盐水中钙制饱和氨盐水制饱和氨盐水制饱和氨盐水制饱和氨盐水NHNH3 3溶溶溶溶解解解解碳碳碳碳酸酸酸酸氢氢氢氢盐盐盐盐沉沉沉沉淀淀淀淀并并并并吸吸吸吸收收收收石石石石灰灰灰灰窑窑窑窑中中中中COCO2 2进进进进一一一一步步步步吸吸吸吸收收收收COCO2 2并并并并生生生生成成成成NaHCONaHCO3 3含含含含COCO2 243%43%的石灰窑气的石灰窑气的石灰窑气的石灰窑气含含含含COCO2 290%90%的的的的重碱煅烧气重碱煅烧气重碱煅烧气重碱煅烧气石灰石煅烧制石灰石煅烧制石灰石煅烧制石灰石煅烧制COCO2 2CaO+HCa
10、O+H2 2OO制制制制Ca(OH)Ca(OH)2 2母液气提出母液气提出母液气提出母液气提出NHNH3 3NHNH4 4ClCl及未用及未用及未用及未用NaClNaClCOCO2 2含含含含CaClCaCl2 2废液废液废液废液NaHCONaHCO3 3NaCONaCO3 3+CO+CO2 2+H+H2 2OOP148(1)饱和盐水的制备和精制)饱和盐水的制备和精制 P149【原料原料原料原料】海盐、池盐、岩盐、井水盐、盐湖水海盐、池盐、岩盐、井水盐、盐湖水海盐、池盐、岩盐、井水盐、盐湖水海盐、池盐、岩盐、井水盐、盐湖水【制备及精制过程制备及精制过程制备及精制过程制备及精制过程】将原盐在将原
11、盐在将原盐在将原盐在化盐桶化盐桶化盐桶化盐桶中制备得粗盐水,再中制备得粗盐水,再中制备得粗盐水,再中制备得粗盐水,再精制粗盐将其精制粗盐将其精制粗盐将其精制粗盐将其中中中中CaCa盐盐盐盐和和和和MgMg盐盐盐盐等杂质除去。等杂质除去。等杂质除去。等杂质除去。【精制原因精制原因精制原因精制原因】在吸收氨和碳酸化过程中,可能生成在吸收氨和碳酸化过程中,可能生成在吸收氨和碳酸化过程中,可能生成在吸收氨和碳酸化过程中,可能生成Mg(OH)Mg(OH)2 2和和和和CaCOCaCO3 3沉淀,使管道堵塞或影响产品质量。沉淀,使管道堵塞或影响产品质量。沉淀,使管道堵塞或影响产品质量。沉淀,使管道堵塞或影
12、响产品质量。【精制目标精制目标精制目标精制目标】需除去需除去需除去需除去99%99%以上以上以上以上的钙、镁杂质。的钙、镁杂质。的钙、镁杂质。的钙、镁杂质。四、氨碱法制碱的主要过程和设备四、氨碱法制碱的主要过程和设备除盐除盐粗盐水粗盐水一次盐水一次盐水二次盐水二次盐水去吸氨去吸氨化盐桶化盐桶化盐桶化盐桶除镁除镁除镁除镁除钙塔除钙塔除钙塔除钙塔除钙除钙除钙除钙澄清澄清澄清澄清一次泥一次泥一次泥一次泥二次泥二次泥二次泥二次泥回收盐,沉泥制建筑材料和化工原料回收盐,沉泥制建筑材料和化工原料回收盐,沉泥制建筑材料和化工原料回收盐,沉泥制建筑材料和化工原料【精制反应精制反应】除镁除镁除镁除镁MgMg2+
13、2+Ca(OH)+Ca(OH)2 2(s)=Mg(OH)(s)=Mg(OH)2 2(s)+Ca(s)+Ca2+2+(一次盐)(一次盐)(一次盐)(一次盐)除钙除钙除钙除钙(可用下列两法之一)可用下列两法之一)可用下列两法之一)可用下列两法之一)石灰石灰石灰石灰-碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法CaCa2+2+2NH+2NH3 3+CO+CO2 2+H+H2 2O=CaCOO=CaCO3 3(s)+2NH(s)+2NH4 4+石灰纯碱法石灰纯碱法石灰纯碱法石灰纯碱法CaCa2+2+Na+Na2 2COCO3 3 =CaCO =CaCO3 3(s)+2Na(s)+2Na+(二次盐)(二次盐)(二次
14、盐)(二次盐)【两种除钙法比较两种除钙法比较两种除钙法比较两种除钙法比较】石灰石灰石灰石灰-碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法可用尾气中的氨,省原可用尾气中的氨,省原可用尾气中的氨,省原可用尾气中的氨,省原料,但生成的氯化铵对料,但生成的氯化铵对料,但生成的氯化铵对料,但生成的氯化铵对碳酸化碳酸化碳酸化碳酸化过程不过程不过程不过程不利,使其利,使其利,使其利,使其转化率降低转化率降低转化率降低转化率降低。石灰纯碱法石灰纯碱法石灰纯碱法石灰纯碱法用产品碱除钙虽损耗了部用产品碱除钙虽损耗了部用产品碱除钙虽损耗了部用产品碱除钙虽损耗了部分产品,但没有氯化铵生成,对后续分产品,但没有氯化铵生成,对后续分
15、产品,但没有氯化铵生成,对后续分产品,但没有氯化铵生成,对后续工序碳酸化有利。工序碳酸化有利。工序碳酸化有利。工序碳酸化有利。【设备设备设备设备除钙塔除钙塔除钙塔除钙塔】用用用用石灰石灰石灰石灰-碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法碳酸铵法的除钙塔构造如图。的除钙塔构造如图。的除钙塔构造如图。的除钙塔构造如图。气体从塔底经菌帽齿缝后与溶液充分气体从塔底经菌帽齿缝后与溶液充分气体从塔底经菌帽齿缝后与溶液充分气体从塔底经菌帽齿缝后与溶液充分接触;残气进入上部用水洗涤后排空,接触;残气进入上部用水洗涤后排空,接触;残气进入上部用水洗涤后排空,接触;残气进入上部用水洗涤后排空,洗涤水送去溶盐。洗涤水送去溶盐。洗涤
16、水送去溶盐。洗涤水送去溶盐。图图图图 4.54.5COCO2 2、NHNH3 3【吸氨目的吸氨目的吸氨目的吸氨目的】制备复合碳酸化所需浓度的氨盐水;同时可进制备复合碳酸化所需浓度的氨盐水;同时可进制备复合碳酸化所需浓度的氨盐水;同时可进制备复合碳酸化所需浓度的氨盐水;同时可进一步除去盐水中钙镁杂质。一步除去盐水中钙镁杂质。一步除去盐水中钙镁杂质。一步除去盐水中钙镁杂质。【气氨来源气氨来源气氨来源气氨来源】蒸氨塔回收的母液中的氨,气氨中还含有少量蒸氨塔回收的母液中的氨,气氨中还含有少量蒸氨塔回收的母液中的氨,气氨中还含有少量蒸氨塔回收的母液中的氨,气氨中还含有少量二氧化碳和水蒸气。二氧化碳和水蒸
17、气。二氧化碳和水蒸气。二氧化碳和水蒸气。【吸氨反应吸氨反应吸氨反应吸氨反应】NH NH3 3+H+H2 2O=NHO=NH4 4OH OH +Q+Q 2NH 2NH3 3+CO+CO2 2+H+H2 2O=(NHO=(NH4 4)2 2COCO3 3 +Q+Q 副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。【热力学分析热力学分析热力学分析热力学分析】T T (低温(低温(低温(低温有利吸氨)有利吸氨)有利吸氨)有利吸氨)反应放热较多,需及时反应放热较多,需及时反应放热较多,需及时反应放热较
18、多,需及时移热移热移热移热。温度。温度。温度。温度,氨分,氨分,氨分,氨分压压压压,氨溶解度,氨溶解度,氨溶解度,氨溶解度 不利吸氨;不利吸氨;不利吸氨;不利吸氨;【解决解决解决解决办办办办法法法法】导导导导出出出出盐盐盐盐水并用水并用水并用水并用多个塔外水冷器多个塔外水冷器多个塔外水冷器多个塔外水冷器冷却;冷却;冷却;冷却;【操作温度操作温度操作温度操作温度】但温度但温度但温度但温度过过过过低会使生成碳酸低会使生成碳酸低会使生成碳酸低会使生成碳酸铵铵铵铵、碳酸、碳酸、碳酸、碳酸氢铵氢铵氢铵氢铵等等等等结结结结晶析出,堵塞管道,一般控制塔晶析出,堵塞管道,一般控制塔晶析出,堵塞管道,一般控制塔
19、晶析出,堵塞管道,一般控制塔中部中部中部中部温度不超温度不超温度不超温度不超过过过过60-65 60-65,底部底部底部底部为为为为30 30 。(2)盐水吸氨制氨盐水)盐水吸氨制氨盐水 P150 COCO2 2存在存在存在存在有利吸氨有利吸氨有利吸氨有利吸氨 若溶液中若溶液中若溶液中若溶液中COCO2 2浓度增大,浓度增大,浓度增大,浓度增大,COCO2 2与氨反应右移可使氨平衡与氨反应右移可使氨平衡与氨反应右移可使氨平衡与氨反应右移可使氨平衡分压下降,从而有利吸氨。如图分压下降,从而有利吸氨。如图分压下降,从而有利吸氨。如图分压下降,从而有利吸氨。如图4.64.6所示。所示。所示。所示。图
20、图图图 4.64.6 游离游离游离游离NHNH3 3与与与与NaClNaCl摩尔比(摩尔比(摩尔比(摩尔比(1.08-1.121.08-1.12:1 1)由碳酸化过程看,理论游离由碳酸化过程看,理论游离由碳酸化过程看,理论游离由碳酸化过程看,理论游离NHNH3 3与与与与NaClNaCl的摩尔比应为的摩尔比应为的摩尔比应为的摩尔比应为1 1。当。当。当。当n(NHn(NH3 3/NaCl)1/NaCl)1,则会有多余,则会有多余,则会有多余,则会有多余NHNH4 4HCOHCO3 3 、(NH(NH4 4)2 2COCO3 3等析出,降等析出,降等析出,降等析出,降低氨的利用率;若当低氨的利用
21、率;若当低氨的利用率;若当低氨的利用率;若当n(NHn(NH3 3/NaCl)1/NaCl)100R100时时时时,溶液中有效氨,溶液中有效氨,溶液中有效氨,溶液中有效氨浓浓浓浓度已很低,需依靠氨基甲酸度已很低,需依靠氨基甲酸度已很低,需依靠氨基甲酸度已很低,需依靠氨基甲酸铵铵铵铵水解的氨才能水解的氨才能水解的氨才能水解的氨才能继续继续继续继续碳酸化,故碳酸化,故碳酸化,故碳酸化,故“水解水解水解水解”是碳酸化的控制步是碳酸化的控制步是碳酸化的控制步是碳酸化的控制步骤骤骤骤。氨氨氨氨盐盐盐盐水碳酸化反水碳酸化反水碳酸化反水碳酸化反应应应应是放是放是放是放热热热热反反反反应应应应,放,放,放,放
22、热热热热量不大,但是要量不大,但是要量不大,但是要量不大,但是要注意冷注意冷注意冷注意冷却却却却才能保才能保才能保才能保证证证证反反反反应应应应正常正常正常正常进进进进行。行。行。行。【总结总结总结总结】氨盐比越大氨盐比越大氨盐比越大氨盐比越大,综合原料利率率越高;,综合原料利率率越高;,综合原料利率率越高;,综合原料利率率越高;COCO2 2分压越高分压越高分压越高分压越高碳酸化速度越快,碳酸化速度越快,碳酸化速度越快,碳酸化速度越快,温度低温度低温度低温度低有利于结晶。有利于结晶。有利于结晶。有利于结晶。游离游离游离游离 已结合成氨盐已结合成氨盐已结合成氨盐已结合成氨盐总氨浓度总氨浓度总氨
23、浓度总氨浓度注意点:注意点:补充知识补充知识 钠利用率钠利用率钠利用率钠利用率的定义:在碳酸化过程中,的定义:在碳酸化过程中,的定义:在碳酸化过程中,的定义:在碳酸化过程中,NaClNaCl转化为转化为转化为转化为NaHCONaHCO3 3固固固固体的转化率称为钠利用率,以体的转化率称为钠利用率,以体的转化率称为钠利用率,以体的转化率称为钠利用率,以U UNaNa表示之。表示之。表示之。表示之。氨利用率氨利用率氨利用率氨利用率的定义:的定义:的定义:的定义:NHNH4 4HCOHCO3 3转化为转化为转化为转化为NHNH4 4ClCl的转化率称为氨利的转化率称为氨利的转化率称为氨利的转化率称为
24、氨利用率,以用率,以用率,以用率,以U UNH3NH3表示之。表示之。表示之。表示之。如果如果如果如果U UNaNa,则生产每吨纯碱所消耗的氨盐水量则生产每吨纯碱所消耗的氨盐水量则生产每吨纯碱所消耗的氨盐水量则生产每吨纯碱所消耗的氨盐水量,盐水的制备,盐水的制备,盐水的制备,盐水的制备,精制,吸氨及氨盐水的冷却都可以在低负荷下工作。碳酸化母精制,吸氨及氨盐水的冷却都可以在低负荷下工作。碳酸化母精制,吸氨及氨盐水的冷却都可以在低负荷下工作。碳酸化母精制,吸氨及氨盐水的冷却都可以在低负荷下工作。碳酸化母液量液量液量液量 ,蒸馏母液用的蒸汽、石灰乳及冷却水用量,蒸馏母液用的蒸汽、石灰乳及冷却水用量,
25、蒸馏母液用的蒸汽、石灰乳及冷却水用量,蒸馏母液用的蒸汽、石灰乳及冷却水用量 。相应地。相应地。相应地。相应地生产石灰所需的石灰石及焦炭用量生产石灰所需的石灰石及焦炭用量生产石灰所需的石灰石及焦炭用量生产石灰所需的石灰石及焦炭用量 。氨的循环量。氨的循环量。氨的循环量。氨的循环量 ,因之氨,因之氨,因之氨,因之氨的损耗量的损耗量的损耗量的损耗量 。由此可见,钠利用率不仅关系到氯化钠的消耗定额,而且也由此可见,钠利用率不仅关系到氯化钠的消耗定额,而且也由此可见,钠利用率不仅关系到氯化钠的消耗定额,而且也由此可见,钠利用率不仅关系到氯化钠的消耗定额,而且也关系到纯碱产量和各种原料的消耗定额。关系到纯
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