第五章-制碱工业

第5章纯碱工业•5.1概述•5.2氨碱法制纯碱•5.3联合制碱法生产纯碱和氯化铵5.1概述•纯碱是重要的轻工、建材、化工原料，广泛应用于造纸、石油化工、化肥、冶金、玻璃、纺织、医药等工业。酸和碱的产量都是衡量化学工业发达程度的标志之一。•纯碱又称苏打，分子式Na2CO3。主要物理性质密度2533kg/m-3,熔点851°C，热容1.04kJ/kg等。•纯碱在轻工、建材和化工中用得最多。•纯碱工业是在硫酸工业发展以后逐渐发展起来的。目前主要生产方法氨碱法和联碱法。5.2氨碱法制纯碱一、概述•苏维尔，比利时人，•原料：食盐，石灰石，焦炭，氨。•优点：原料来源方便，质量好，成本低，连续生产。二、生产过程：1）CO2和石灰乳的制备:石灰石经煅烧制得石灰和CO2，石灰经消化得石灰乳；2）盐水精制及氨化制氨盐水；3）氨盐水碳化制得重碱；4）重碱过滤和洗涤；5）重碱煅烧得纯碱成品及CO2；6）母液中氨的蒸发与回收。氨碱法原则工艺流程：一）石灰石煅烧和制备石灰乳目的：产物二氧化碳用于氨盐水碳化；氨盐水精制和回收氨需要大量石灰乳，石灰石煅烧后的石灰消化便可得到石灰乳。1.煅烧反应式CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H0放热C(s)+O2(g)=CO2(g)△H0吸热2.操作指标温度：940~1200℃，加快反应速度，但温度过高会烧结；窑气中CO含量小于0.6％，O2含量小于0.3％理论上，窑气中CO2含量为44.2％，但一般在40％左右。三、氨碱法的生产过程3、石灰乳制备的原理1）消化反应CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(s)△H0MgO(s)+H2O(l)=Mg(OH)2(s)△H0放热反应。2）四种产品（根据加入水的量）水少量水稍多水适量水过量消石灰，细粉末；石灰水，溶液。石灰乳，悬浮液，氨回收需要；石灰膏，稠厚；二）盐水精制及氨化制氨盐水盐水杂质：粗盐水含钙镁离子，杂质形成沉淀或复盐。杂质危害：•堵塞管道和设备；•氨和食盐的损失；•影响产品质量。精制盐水的方法：石灰-碳酸铵法（石灰-塔气法）石灰-纯碱法•1.石灰-碳酸铵法用石灰除去盐中的镁(Mg2+)，反应如下：Mg2++Ca(OH)2(s)=Mg(OH)2(s)+Ca2+将分离出沉淀（一次泥）的溶液（一次盐水）送入除钙塔中，用碳化塔顶部尾气中的NH3和CO2再除去Ca2+，其化学反应为：2NH3+CO2+H2O+Ca2+=CaCO3(s)+2NH4+•2.石灰-纯碱法除镁的方法与石灰-碳酸铵法相同，除钙则采用纯碱法，其反应如下：Na2CO3+Ca2+=CaCO3(s)+2Na+盐水精制精盐水的氨化目的：1.制备氨盐水，并使其达到碳酸化所要求浓度；2.去除少量钙镁杂质。一、氨化的理论基础（一）吸氨反应1.氨水生成反应NH3(g)+H2O(l)=NH4OH(aq)△H02.(NH4)2CO3生成2NH3(l)+CO2(g)+H2O(l)=(NH4)2CO3(aq)△H03.钙镁离子的沉淀反应三）氨盐水碳化制得重碱；•NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl目的：制造碳酸氢钠结晶工艺要求：•碳酸氢钠的产率高（氯化钠和氨的利用率高）；•碳酸氢钠的结晶质量高（结晶颗粒要大）。加入晶种四）重碱过滤和洗涤•碳化取出液：45－50％固相碳酸氢钠（重碱）。•过滤分离：湿重碱煅烧制纯碱，母夜蒸氨工段回收氨。•过滤设备：过滤分离在制碱工业中经常采用的有两类,即真空分离和离心分离，相应的设备分别为真空过滤机和离心过滤机。•离心分离设备流程简单，动力消耗低，滤出的固体重碱含水量少，但它对重碱的粒度要求高，生产能力低，氨耗高，国内厂家较少采用。•转鼓式真空过滤器，依次完成吸碱，吸干，洗涤，挤压，刮卸，吹除过程。2NaHCO3→Na2CO3+CO2+H2O五）重碱煅烧得纯碱成品及CO2煅烧原理：晶浆过滤重碱母液蒸氨煅烧2NH4Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2NH3+H2O6）母液中氨的蒸发与回收母液中气态氨通过蒸发回收，液体中NH4Cl与石灰乳反应回收氨气：四、氨碱法生产纯碱的优缺点优点：1、原料易得且价格低廉，生产成本低。2、生产连续化，适合大规模生产。3、产品纯度高，质量好。缺点：1、氯化钠的利用率低，并且只利用了其中的钠离子，其中全部的氯离子被废弃。2、生产中排放大量废液，难以处理。4.1.3联合制碱法生产纯碱和氯化铵•氨碱法宜于大规模生产，产品质量优良，经济合理。但缺点是钠的利用率只有72~73%，食盐中的氯完全没有利用。总质量利用率只有28~29%。此外，排放废液多且含大量固体，环境污染大，氨回收消耗石灰和蒸汽多，流程复杂设备庞大。•针对质量利用率很差的缺点，开发了联合制碱法，可以充分利用原料，大大减少污染。但需与氨厂联合，过程控制不如氨碱法简单。•基本原理不同的是析铵过程，制碱过程与氨碱法完全相同。•析铵过程是用冷析和盐析，利用不同温度下氯化钠和氯化铵的溶解度差异从母液中分出氯化铵的过程。•联合制碱法制碱过程和工序示意图如图4.24。图4.24生产纯碱（制碱过程）生产NH4Cl（制铵过程）NH3+CO2+H2O=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4ClNaCl+NH3+H2O+CO2=2NaHCO3（结晶）+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O包含两个过程：主要反应：吸氨吸氨碳化盐析NaCl冷析过滤煅烧纯碱CO2换热升温I过程Ⅱ过程MⅡ,NaCl,NH3,CO32-MI,NaHCO3,NH4Cl,NH4HCO3,NaCl分离氯化铵换热降温联合制碱法的循环过程：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4ClNaCl+NH3+H2O+CO2=2NaHCO3（结晶）+NH4ClNaHCO3=Na2CO3+CO2+H2OHCO3-+NH3=CO32-+NH4+二、联碱法和氨碱法的主要区别不同点主要在过滤出重碱后的母液的处理上：氨碱法：2NH4Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2NH3·H2O蒸氨其中的CaCl2、NaCl不好处理，只能废弃。联碱法：加氨、降温、加食盐的方法把母液中的NH4Cl结晶分离出来。母液则再送回制碱系统进行循环使用。2、联碱法流程中，过滤重碱后的母液在冷析之前吸氨的目的是什么？3、联碱法流程中，加食盐的原理及作用是什么？1、联碱法和氨碱法制纯碱有哪些区别？它们各有哪些优缺点？哪种方法发展前景较好？作业：