氨碱法制纯碱

谈谈你对碳酸钠的认识第六章氨碱法生产纯碱任务一石灰石的煅烧与石灰乳的制备任务二盐水的制备任务三精盐水的氨化任务四氨盐水的碳酸化任务五重碱过滤与煅烧任务六氨的回收任务七氨碱法总流程及纯碱工业发展趋势•一、纯碱的性质和用途•Na2CO3，纯碱，苏打，碱灰。1，7，10三种水合物。•分类：超轻质，轻质，重质纯碱。•化学性质：强碱性，高温分解，易生成氧化钠。•用途：纯碱是重要的化工原料。其年产量在一定程度上反映一个国家化学工业的发展水平。自2003年起，我国纯碱工业在世界上稳居6个第一。引言小苏打是什么•二、工业生产方法•生产历史：天然碱，草木灰→1791年路布兰法→1861年氨碱法（苏维尔法）→1942联合制碱法（侯德榜）•(一)路布兰法•化学反应：2NaCl+H2SO4=Na2SO4+2HClNa2SO4+2C=Na2S+2CO2Na2S+CaCO3=Na2CO3+CaS•缺点：原料利用低，质量差，成本高，间歇生产。•（二）氨碱法•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。•生产过程：•石灰石煅烧；•盐水制备；•氨盐水制备及碳酸化；•重碱的分离及煅烧；•氨回收。氨碱法原则工艺流程：•（三）联合制碱法（侯德榜）•我国著名化学家侯德榜1942年提出了完整的工业生产方法。•1961年在大连建成了我国第一座联碱车间，现在已经成为制碱工业的主要技术支柱和方法之一。•原料：食盐，氨，二氧化碳。•产品：纯碱，氯化铵。•优点：原料利用率，质量好，成本低，连续生产。联合法原则工艺流程：任务一石灰石煅烧及石灰乳制备一、石灰石煅烧作用：产物二氧化碳用于氨盐水碳化；生石灰消化后回收氨。1.煅烧反应式CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H0C(s)+O2(g)=CO2(g)△H02.操作指标温度：940~1200℃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。3.设备—混料竖式窑将石灰石及燃料预热并干燥，以回收窑气余热，提高热效率。完成石灰石的煅烧预热进窑的空气使石灰石冷却预热区（25％）煅烧区（50％）冷却区（25％）二、石灰乳的制备•（一）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；任务二盐水的制备一、饱和食盐水的制备•氨碱法用的饱和盐水可以来自海盐、池盐、岩盐、井盐和湖盐等。•NaCl在水中的溶解度的变化不大，在室温下为315kg/m3。工业上的饱和盐水因含有钙镁等杂质而只含NaCl300kg/m3左右。方法：制饱和盐水的化盐桶桶底有带嘴的水管，水自下而上溶解食盐成饱和盐水，从桶上部溢流而出。•化盐用的水来自碱厂各处的含氨、二氧化碳或食盐的洗涤水。二、盐水的精制盐水杂质：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+石灰-碳酸铵法利用碳化尾气，但精制过程出现“结合氨”，对碳化不利。石灰-纯碱法无结合氨，但消耗最终产品纯碱。P244T1、T2任务三精盐水的氨化(一)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规律：1.氨分压较同一浓度氨水的氨分压有所降低，溶液中二氧化碳越多，上方氨分压越小；2.65度以下，温度对二氧化碳分压的增加影响不大，在氨浓度较高时，温度对其影响更小。3.温度对水蒸气及氨分压影响很大游离氨浓度99~102tt，总氯离子浓度89~94tt。（二）食盐和氨的溶解度1.溶解度相互制约氨盐水氨的分压较纯氨水低。由于(NH4)2CO3生成，氨的溶解度有所增加。NH3↑，NaCl↓;NaCl↑，NH3↓2.控制吸氨量多吸一些氨对碳化有利防止NaCl溶解度过低（三）吸氨过程的热效应热效应：溶解热+反应热+冷凝热；1.过热将失去吸氨作用；2.过冷，易结晶堵塞管道，且杂质分离困难；温度控制在70℃左右，精盐水30－45℃。关键：冷却除热盐水吸氨后，密度减小气体带来水蒸气冷凝，稀释饱和食盐水注：NH3与CO2摩尔比约为（4~5）：1（四）吸氨过程的体积变化体积增加13.5﹪左右二、吸氨操作条件的确定1.NH3/NaCl比的选择吸氨不足，NaCl分解不完全，造成食盐损失吸氨太多，多余的NH4HCO3随NaHCO3一同形成结晶而降低氨的利用率理论上NH3/NaCl之比应为1:1(mol比)。而生产实践中NH3/NaCl的比为1.08～1.12。2.温度的选择低温有利盐水吸NH3，也有利于降低氨气夹带的水蒸气含量，降低对盐水的稀释程度。但温度也不宜太低，否则会生成(NH4)2CO3·2H2O，NH4HCO3等结晶堵塞管道和设备。盐水进吸氨塔之前用冷却水冷至25～30℃，氨气进吸收塔的气温一般控制在55～60℃，氨盐水最后离塔时的温度为60～65℃3.吸收塔内压力•为了防止和减少吸氨系统的泄漏，吸氨操作是在微负压条件下进行，其压力大小以不妨碍盐水下流为限。•注：吸氨塔出来的气体，含CO260～70﹪，NH,3含量不定。任务三精盐水的氨化(二)由蒸氨塔出来的气体（含氨气体）NH365%CO212%H2O23%碳酸化塔出来的气体（塔气）NH310%CO24%~7%空气由碳酸氢钠真空过滤机抽出的气体（滤气）NH30.5%CO24%~5%由石灰窑出来的气体（窑气）NH3少量CO240%~42%重碱煅烧放出气体（炉气）NH3少量CO290%水蒸气一、吸氨工艺流程及主要设备温度？吸收来气中氨的50%以上，有大量的热产生温度？碳化塔所需温度：30~35℃澄清桶吸氨塔氨盐水贮桶循环段贮桶下段吸氨塔中段吸氨塔净氨塔洗氨塔温度？结构设置：1.吸氨塔分为数段，为什么？2.塔间液体管道做成U形，为什么？1.便于操作，多次吸收更充分，充分利用位差，节省动力2.防止压力变化时气体倒压现象保持较高温度（50℃）和足够大体积沉积物经常清理（沉淀不多于0.1g/L）材料？吸收塔直径：2.5m日产纯碱：600~700t尾气处理：洗掉含氨尾气中的氨初步吸氨对氨的进一步吸收冷却氨盐水，提高吸收效率贮存氨盐水吸收来气中50%的氨气冷却排管二次盐水中段吸氨塔冷却排管洗氨塔冷却排管下段吸氨塔循环段贮桶冷却排管澄清桶冷却排管氨盐水贮桶氨盐水泵碳酸化工序成品氨盐水清氨盐水二、吸氨方框图氨气氨气小结1、吸氨设备的主要构造及其各个部分作用。2、氨碱法生产纯碱的吸氨工艺流程图及方框图。1.为便于沉淀分离，氨盐水最后离塔时的温度应控制在（）A.25℃～30℃B.60℃～65℃C.55℃～60℃D.70℃2.吸氨塔中，吸收来其中的氨50%以上的结构是（）A.净氨塔B.洗氨塔C.中段吸氨塔D.下段吸氨塔3.在吸氨工序中，使送往碳酸化的氨盐水中所含沉淀不多于0.1g/L的设备是（）A.冷却排管B.氨盐水贮桶C.澄清桶D.真空泵4.吸氨工序中，为更好的提高氨的吸收效率，采用的吸收原则为（）A.并流吸收B.逆流吸收C.两者同时采用D.都不采用BDCB1、画出氨碱法生产纯碱的吸氨流程图。2、画出氨碱法生产纯碱的吸氨方框图。•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）。任务四氨盐水的碳酸化•(一）碳酸化的基本原理1.反应机理•复杂反应体系，分三步进行(1)氨基甲酸铵的生成•2NH3+CO2=NH2COO－+NH4+(2)氨基甲酸铵的水解•NH2COO－+H2O=HCO3－+NH3(3)NaHCO3结晶生成•HCO3－+Na+=NaHCO3•在实际生产和计算时，用钠的利用率表示氯化钠的利用率U（Na）：氨的利用率表示为U（NH3）：343344()[][][]1[][]UNHNHHCOHCONHNH生成氯化铵的量生成氯化氨的量＝原料碳酸氢氨的量全氨的量＝＝－][][1][][][)(3ClNaClNaClNaHCONaU－＝＝全氯的量生成氯化氨的量＝原料氯化钠的量固体的量生成（四）影响NaHCO3结晶的因素•NaHCO3在碳化塔中生成并结晶成重碱。结晶的颗粒愈大，则有利于过滤、洗涤，所得产品含水量低，收率高，煅烧成品纯碱的质量高。因此，碳酸氢钠结晶在纯碱生产过程中对产品的质量有决定性的意义。•1．温度•在开始时(即由塔的顶部往下)液相反应温度逐步升高，中部(约塔高的2/3处)温度达到最高；•再往下温度开始降低，但降温速度不易太快，以保持过饱和度的稳定；•在塔的下部至接连底部的一段塔高内，降温速度可以稍快一些，因为此时反应速度已经很慢，其过饱度不大，降低温度可以提高产率。•从保证质量，提高产量的角度出发，塔内的温度分布应为上中下依次为低高低为宜。•2．添加晶种•当碳化过程中溶液达到饱和甚至稍过饱和时，并无结晶析出，但在此时若加入少量固体杂质，就可以使溶质以固体杂质为核心，长大而析出晶体。•在NaHCO3生产中，就是采用往饱和溶液内加晶种并使之长大的办法来提高产量和质量的。•应用此方法时应注意两点：一是加晶种的部位和时间，晶种应加在饱和或过饱和溶液中。二是加入晶种的量要适当。•(二)碳化塔的操作控制条件•1．碳化塔的结构•气体进塔可分为一段和二段。•一段进气是将窑气和炉气混合后进塔。其CO2浓度一般在60%左右。•为了适应生产过程和反应历程的需要，后来改为两段进气，即从塔底送入浓度90%以上的CO2锅气，从塔的冷却段中部送入浓度40%左右CO2的窑气。•2．碳化塔的操作控制要点•（1）碳化塔液面高度应控制在距塔顶0.8～1.5m处。液面过高，尾气带液严重并导致出气管堵塞；液面过低，则尾气带出的NH3和CO2量增大，降低了塔的生产能力。•（2）氨盐水进塔温度约30~50°C，塔中部温度升到60°C左右，中部不冷却，但下部要冷却，控制塔底温度在30°C以下，保证结晶析出。•（3）碳化塔进气量与出碱速度要匹配，否则，如果出碱过快而进气量不足时，反应区下移，导致结晶细小，产量下降。反之，则反应区上移，塔顶NH3及CO2的损失增大。•（4）碳化塔底出碱温度要适当。出碱温度低，NaHCO3析出量较多，转化率高，产量增加；但温度过低会导致冷却水量大大增加，引起堵塔，缩短制碱周期。•（5）倒塔和运行时间要适宜。倒塔周期要严格执行，不要出现随意不规则操作。在倒塔过程中，塔内的温度、流量均处于剧烈变化之中，因此，倒塔运行时间不宜过长。•1、石灰石煅烧与石灰乳制备，精盐水的制备，精盐水的氨化，氨盐水的碳酸化反应原理分别是什么？（注意可逆，吸放热）•2、简述盐水精制的两种方法，及其优缺点。•3、简述吸氨操作的工艺条件，及吸氨塔结构、特点。•4、画出吸氨流程图及方框图。•5、简述氨盐水碳酸化的工艺条件及其确定的原因。•6、影响碳酸氢钠结晶的因素有哪些？试具体分析。。•7、碳化塔的结构如何？各有什么作用？