项目八--纯碱生产技术与操作

%大连理工大学出版社地址：大连市软件园路80号发行：0411-84708842E-mail:[e-mail]新世纪高职高专教材编审委员会组编主编：张学花主审：李勇新世纪高职高专化工类课程规划教材任务一生产方法的选择任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨项目八纯碱生产技术与操作任务三氨盐水的碳酸化任务四重碱的过滤及煅烧任务五重碱生产主要工段岗位操作技能目录页项目八纯碱生产技术与操作学习目标知识目标1．了解纯碱的各种生产工艺和目前工业上所采用的制碱方法；2．了解氨碱法制纯碱的基本原理；3．理解氨盐水碳酸化过程反应机理及钠、氨利用率和碳酸化度的计算；4．掌握饱和盐水的精制原理；5．掌握吸氨、碳酸化工段的工艺条件及工艺流程；6．掌握蒸氨塔中的化学反应关系以及蒸氨工艺条件的选择。目录页项目八纯碱生产技术与操作学习目标能力目标1．能够进行生产工艺条件的分析、判断和选择；2．能够进行精盐吸氨、碳酸化工段的生产操作。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务一生产方法的选择一、纯碱的性质和用途纯碱的化学名即碳酸钠(Na2CO3)，也称为苏打或碱灰，为无水、白色粉末。相对分子质量106.00，相对密度2.533，熔点851℃，易溶于水并能与水生成Na2CO3·H2O。微溶于无水乙醇，不溶于丙酮。工业产品的纯度在99％左右，依颗粒大小、堆积密度的不同，可分为超轻质纯碱、轻质纯碱和重质纯碱，其堆积密度（t/m3）分别为0.33～0.44、0.45～0.69、0.8～1.1。纯碱是一种强碱弱酸生成的盐，它的水溶液呈碱性，并能与强酸发生反应，如：Na2CO3+2HCl2NaCl+H2O+CO2↑在高温下，纯碱可分解为氧化钠和二氧化碳，反应式如下：Na2CO3Na2O+CO2↑高温目录页项目八纯碱生产技术与操作任务一生产方法的选择二、纯碱的工业生产方法1．路布兰法生产纯碱该法以食盐、硫酸、煤和石灰石为原料，首先用食盐和硫酸反应生成硫酸钠，而后将无水硫酸钠、石灰石及煤混合后置于反射炉内加热到950～1000℃，即生成碳酸钠。经过浸取、浓缩而得纯碱。主要化学反应为2NaCl+H2SO4Na2SO4+2HClNa2SO4+2CNa2S+2CO2Na2S+CaCO3Na2CO3+CaS目录页项目八纯碱生产技术与操作任务一生产方法的选择二、纯碱的工业生产方法２．氨碱法生产纯碱氨碱法生产纯碱主要是采用食盐、石灰石、焦炭和氨为原料，其示意流程参见图8\|1。图8\|1氨碱法示意流程主要生产过程包括盐水制备、石灰石煅烧、氨盐水制备及其碳酸化、重碱的分离及煅烧、氨回收等。主要化学反应为CaCO3CaO+CO2↑CaO+H2OCa(OH)2NaCl+NH3+H2O+CO2NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3+2H2O目录页项目八纯碱生产技术与操作任务一生产方法的选择二、纯碱的工业生产方法２．氨碱法生产纯碱图8-1氨碱法示意流程目录页项目八纯碱生产技术与操作任务一生产方法的选择三、制碱的主要原料——氯化钠氯化钠是制造纯碱的主要工业原料，主要来源为海盐、岩盐和天然盐水。１．海盐海水中含有各种盐类，其中以NaCl为主。海盐的生产一般是将海水引入盐田晒制而得，质量视海水的成分、晒制的工艺条件而定。２．岩盐以矿床形式存在于地层中的天然氯化钠统称为岩盐。以水溶法进行开采得到盐卤，将盐卤加工可制得氯化钠。３．天然盐水天然盐水含NaCl12％以上，并含有KCl、NH4Cl、CaSO4、MgCl2等物质。符合一定要求的天然盐水可直接用于制碱。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨一、饱和食盐水的精制1．石灰-氨-二氧化碳法首先向粗盐水中加入石灰乳除去镁盐，一般溶液的pH控制在10～11。Mg2++Ca(OH)2Mg(OH)2↓+Ca2+除镁时，为加速杂质沉淀，还需加入助沉剂以提高精制效果。除镁后的盐水称一次盐水，然后将其送入除钙塔。利用碳酸化塔后的尾气（其中含氨及二氧化碳）除去一次盐水中新加入的和原有的钙离子，反应式为Ca2++2NH3+H2O+CO2CaCO3↓+2NH+4目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨一、饱和食盐水的精制1．石灰-氨-二氧化碳法图8-2石灰-氨-二氧化碳法精制盐水流程1—化盐桶；2—反应罐；3—一次澄清桶；4—除钙塔；5—二次澄清桶；6—泥桶；7—一次泥罐；8—二次泥罐；9—废泥罐；10—石灰乳桶；11—加泥罐目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨一、饱和食盐水的精制用石灰乳先除去粗盐水中的镁盐，而后再用纯碱除去一次盐水中的钙盐，其反应式为Mg2++Ca(OH)2Mg(OH)2↓+Ca2+Ca2++Na2CO3CaCO3↓+2Na+图8-3石灰-纯碱法精制盐水流程1—化盐桶；2—反应罐；3—澄清桶；4—精盐水贮桶；5—洗泥桶；6—废泥罐；7—澄清泥罐；8—灰乳贮槽；9—纯碱贮槽目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨精盐水吸氨的操作称为氨化，目的是制备符合碳酸化过程所需浓度的氨盐水，同时起到最后除去盐水中钙镁等杂质的把关作用。盐水吸氨所用的气氨来自蒸氨塔，气氨中还含有少量二氧化碳和水蒸气。（一）盐水吸氨的基本原理1．吸氨的化学反应及化学平衡精制盐水与由蒸氨塔送来的气体发生如下反应：NH3(g)+H2O(l)=NH4OH(aq)ΔH=-35.2kJ/mol2NH3(g)+CO2(g)+H2O(l)=(NH4)2CO3(aq)ΔH=-95.0kJ/mol目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨2．原盐和氨溶解度的相互影响氯化钠在水中的溶解度随温度的变化不大，但在饱和盐水吸氨时，会使氯化钠的溶解度降低。氨溶解得越多，氯化钠的溶解度越小。氨在水中的溶解度很大，但在盐水中有所降低，这就是说氨盐水气相中的氨平衡分压也比纯氨水气相中氨的平衡分压大。温度对气氨溶解度的影响与一般气体的影响相同，温度越高溶解度越小。在盐水吸氨过程中，因气相中的CO2溶于液相能生成(NH4)2CO3，故可增大氨的溶解度。盐水吸氨过程中，由于它们的相互影响、相互制约作用，饱和盐水的吸氨量应该进行适当控制。否则，氯化钠在液相中的溶解度将因氨浓度的升高而下降，这对制碱过程中钠的利用率及产率是很不利的。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨3．吸氨过程的热效应吸氨过程在吸氨塔内进行，伴有大量热放出，其中包括NH3和CO2的溶解热，NH3与CO2的反应热，以及氨气所带来的水蒸气冷凝热。1kg氨吸收成氨盐水时释放出的总热量为4280kJ。这些热量若不从系统中引出，就足以使吸氨塔内温度高达120℃，结果将会完全失去吸氨作用，反而变成蒸馏过程。所以冷却是吸氨过程的关键。冷却越好，吸氨越完全。但实际生产过程中，过冷也将造成杂质分离困难，所以一般温度应控制在70℃左右为宜。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨（二）盐水吸氨的工艺流程及工艺指标控制1．工艺流程吸氨塔是一个多段铸铁单泡罩塔，是完成吸氨操作的主要设备。如图8\|4所示，精制以后的二次饱和盐水经冷却至35～40℃后进入吸氨塔，盐水由塔上部淋下，与塔底上升的气氨进行逆流接触，以完成盐水吸氨过程。此时放出大量热，会使盐水温度升高。因此需将盐水从塔中抽出，送入冷却排管6进行冷却后再返回中段吸氨塔。同理吸氨后氨盐水从塔中部抽出，经过冷却排管7降温后，返回下段吸氨塔。由下段吸氨塔出来的氨盐水经循环段贮桶8、循环泵9、冷却排管10进入循环冷却吸收，以提高吸收率。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨（二）盐水吸氨的工艺流程及工艺指标控制1．工艺流程图8-4吸氨流程1—净氨塔；2—吸氨塔；3—中段吸氨塔；4—下段吸氨塔；5、6、7、10、12—冷却排管；8—循环段贮桶；9—循环泵；11—澄清桶；13—氨盐水贮桶；14—氨盐水泵；15—真空泵目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨（二）盐水吸氨的工艺流程及工艺指标控制2．工艺条件的选择（1）盐水吸氨浓度经冷却至35～40℃的精制盐水，及已冷却至50℃的由蒸氨塔出来的含氨气体，两者一起导入吸氨塔进行吸氨操作。由于吸氨是放热过程，所以盐水吸氨必须采用边吸收边冷却的工艺流程。显然，氨盐水浓度不能太高，否则会降低吸氨效率。低温不仅对吸氨有利，而且可以减少其中的水蒸气含量，以避免盐水过于稀释。但温度过低会生成(NH4)2CO3·H2O、NH4HCO3、NH4COONH2而结晶出来，将设备和管道堵塞。一般来讲，吸氨塔中部温度不得超过60～65℃。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务二饱和食盐水的精制及精盐水吸氨二、精盐水吸氨（二）盐水吸氨的工艺流程及工艺指标控制2．工艺条件的选择（2）吸氨塔内的压力为了减少吸氨系统因装置不严密而泄漏气体，以及考虑保护操作环境，加快蒸氨塔内CO2和NH3的蒸出，提高蒸氨塔的生产能力，节约蒸汽用量等因素，吸氨操作一般在微负压下进行。（3）氨/氯化钠比的选择按碳酸化反应过程要求，理论NH3/NaCl为1（摩尔比）。若NH3/NaCl＞1，则会有多余的NH4HCO3和NaHCO3共同析出，降低了氨的利用率；若NH3/NaCl＜1，则又会降低钠的利用率，增加食盐的消耗。生产中一般取NH3/NaCl为1.08～1.12，即NH3稍过量，以补偿碳酸化过程中氨的损失。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务三氨盐水的碳酸化氨盐水的碳酸化是氨碱法制纯碱的一个重要工序。它同时伴有吸收、结晶和传热等单元操作，各单元操作相互关系密切且互为影响。碳酸化总反应式如下：NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl显然碳酸化的目的是为了获得符合质量要求的碳酸氢钠结晶。此工艺过程首先要求碳酸氢钠的产率要高，即氯化钠和氨的利用率要高。其次要求碳酸氢钠的结晶质量要好，结晶颗粒尽量大，以利于过滤分离；而降低碳酸氢钠粗成品的含水量，又有利于重碱的煅烧。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务三氨盐水的碳酸化一、氨盐水吸收二氧化碳过程的基本原理氨盐水碳酸化生成NaHCO3是一个较为复杂的过程。探讨氨盐水碳酸化过程的反应机理，对于设计碳酸化设备，选择生产工艺条件，制定操作规程，提高NaHCO3质量都是至关重要的。诸多研究学者认为碳酸化过程的反应机理可分为下列三步进行：（1）氨基甲酸铵的生成实验表明，当CO2通入浓氨盐水时，最初总是形成氨基甲酸铵，反应如下：2NH3+CO2NH+4+NH2COO-式中这种三分子反应的可能性是很小的，所以又提出下面两个中间反应历程：NH3+CO2H++NH2COO-NH3+H+NH+4目录页项目八纯碱生产技术与操作任务三氨盐水的碳酸化一、氨盐水吸收二氧化碳过程的基本原理（2）氨基甲酸铵的水解生成的氨基甲酸铵进一步水解时，其反应如下：NH2COO-+H2OHCO-3+NH3（3）复分解析出NaHCO3结晶这是碳酸化的最终目的，当碳酸化度达到一定值时，溶液中的HCO-3浓度积累到相当高以后，HCO-3与Na+的浓度积超过了该温度下NaHCO3的溶度积，则产生沉淀，从而完成复分解反应：Na++HCO-3NaHCO3↓NaHCO3析出以后，将影响一系列离子反应的平衡，其中最重要的是使氨基甲酸铵的水解反应向右移动，这样会使得溶液中的游离氨增加，从而又会对吸收过程产生显著影响。目录页项目八纯碱生产技术与操作任务三氨盐水的碳酸化二、氨盐水吸收二氧化碳速度的影响因素1．化学反应的影响氨盐水吸收二氧化碳的反应机理已如前述。前面所指出的溶液中的游离态CO2与NH3相互作用所生成氨基甲酸铵的反应是最快的；由于氨盐水吸收二氧化碳的反应是伴有化学反应的吸收过程，因此，这与一般的物理吸收过程大不相同。研究表明，此吸收过程是属于液膜控制的二氧化碳