年產(chǎn)30萬噸氨堿法制純堿碳化工段的工藝設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）(冶金化工系)題 目 年產(chǎn)30萬噸氨堿法制純堿碳化工段的工藝設(shè)計 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2010年6月28日2010年10月8日 目 錄摘要1第一章 概述21.1 純堿的性質(zhì)和用途21.1.1 純堿的物理性質(zhì)21.1.2 純堿的化學(xué)性質(zhì)21.1.3 純堿的用途31.2 純堿的生產(chǎn)方法31.2.1 侯氏制堿法（又稱聯(lián)合制堿法）31.2.2 氨堿法制純堿（又稱蘇爾維法）41.2.3 天然堿加工法51.3 聯(lián)合制堿法與氨堿法比較51.4 純堿的發(fā)展前景與展望5第二章 氨堿法制純堿82.1 氨堿法制純堿的原料82.2 氨堿法制純堿的原

2、理92.3 氨堿法制純堿的工藝流程102.3.1 石灰石的煅燒與石灰乳的制備102.3.2 氨鹽水的制備112.3.3 氨鹽水的碳酸化112.3.4 重堿的過濾與煅燒13第三章 氨堿法碳化工段物料及熱量衡算143.1 物料衡算143.2 熱量衡算18第四章 碳化工段的工藝條件與主要設(shè)備214.1 工藝條件的選擇214.1.1 碳化度214.1.2 原始氨鹽水溶液的適宜組成214.1.3 碳化溫度214.2 主要設(shè)備224.2.1 碳酸化塔224.2.2 二氧化碳壓縮機23致 謝25參考文獻(xiàn)26- 26 -摘要氨堿法制純堿的一個重要工序是氨鹽水的碳酸化，它同時具有吸收、結(jié)晶和傳熱等單元過程。這些

3、單元過程相互聯(lián)系相互制約。碳酸化的目的在于獲得產(chǎn)率高，標(biāo)志著氯化鈉和氨的利用率高，從而使產(chǎn)品成本降低。本設(shè)計介紹了純堿的性質(zhì)、用途、生產(chǎn)方法和氨堿法制純堿的工藝流程。重點介紹了碳化工段的工藝流程和物料及熱量的衡算。關(guān)鍵詞：純堿；工藝流程；碳化 第一章 概述1.1純堿的性質(zhì)和用途1.1.1純堿的物理性質(zhì)純堿外觀為白色粉末或細(xì)粒結(jié)晶，味澀。相對密度(25) 2.532。熔點851。比熱容1.042j/(g·）（20）。易溶于水，在35.4其溶解度最大，每100g水中可溶解49.7g碳酸鈉（0時為7.0g，100為45.5g）。微溶于無水乙醇，不溶于丙醇。其水溶液水解呈堿性，有一定的腐蝕性

4、，能與酸進(jìn)行中和反應(yīng)，生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。高溫下可分解，生成氧化鈉和二氧化碳。長期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分及二氧化碳生成碳酸氫鈉，并結(jié)成硬塊。純堿是碳酸鈉（na2co3)的俗名，又稱為蘇打，是白色粉末雖然碳酸鈉俗稱純堿，但它其實屬于鹽類物質(zhì)，因其水溶液顯弱堿性而稱純堿。其晶體含結(jié)晶水，化學(xué)式na2co3·10h2o。在空氣里碳酸鈉晶體很容易失去結(jié)晶水，并漸漸碎裂成粉末。失水以后的碳酸鈉叫做無水碳酸鈉。純堿就是碳酸鈉，最重要的化工工業(yè)原材料之一，廣泛地應(yīng)用于玻璃、化工工業(yè)（燒堿、硝酸鈉、清潔劑、軟化硬水）、石化、冶金等行業(yè)，同時也應(yīng)用在造紙、肥皂、紡織、印染、皮革、食品、

5、醫(yī)藥、膠卷、輕工等行業(yè)。1.1.2 純堿的化學(xué)性質(zhì)(1) 穩(wěn)定性 高溫下可分解，生成氧化鈉和二氧化碳。長期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分及二氧化碳，生成碳酸氫鈉，并結(jié)成硬塊。吸濕性很強 ，很容易結(jié)成硬塊，在高溫下也不分解。含有結(jié)晶水3種：na2co3·h2o、na2co3·7h2o 和 na2co3·10h2o。(2) 溶解性易溶于水，微溶于無水乙醇，不溶于丙醇。碳酸鈉易溶于水，是一種弱酸鹽，溶于水后發(fā)生水解反應(yīng)，使溶液顯堿性，有一定的腐蝕性，能與酸進(jìn)行中和反應(yīng)，生成相應(yīng)的鹽并放出二氧化碳。(3) 化學(xué)反應(yīng)純堿是一種強堿弱酸生成的鹽，它的水溶液呈堿性，并能與強酸發(fā)

6、生反應(yīng)，如：na2co3十2hcl2nacl十h2o十co2在高溫下，純堿可分解為氧化鈉和二氧化碳，反應(yīng)為下：na2co3na2o十co2，另外，無水碳酸鈉長期暴露于空氣中能緩慢地吸收空氣中的水分和二氧化碳，生成碳酸氫鈉。na2co3十h2o十co2 2nahco3。1.1.3 純堿的用途純堿（學(xué)名碳酸鈉）實際上是個鹽，由于它在水中發(fā)生水解作用而使溶液呈堿性，純堿易溶于水，呈強堿性，都能提供na+離子。這些性質(zhì)使它們被廣泛地用于制肥皂、紡織、印染、漂白、造紙、精制石油、冶金及其他化學(xué)工業(yè)等各部門中。普通肥皂是高級脂肪酸的鈉鹽，一般是用油脂在略為過量的燒堿作用下進(jìn)行皂化而制得的。印染、紡織工業(yè)上

7、，也要用大量堿液去除棉紗、羊毛等上面的油脂。生產(chǎn)人造纖維也需要純堿。精制石油也要用純堿。為了除去石油餾分中的膠質(zhì)，一般在石油餾分中加濃硫酸以使膠質(zhì)成為酸渣而析出。經(jīng)過酸洗后，石油里還含有酚、環(huán)烷酸等酸性雜質(zhì)以及多余的硫酸，必須用純堿溶液洗滌，再經(jīng)水洗，才能得到精制的石油產(chǎn)品。在造紙工業(yè)中，首先要用化學(xué)方法處理，將含有纖維素的原料（如木材）與化學(xué)藥劑蒸煮制成紙漿。所謂堿法制漿就是用純堿溶液作為蒸煮液來除去原料中的木質(zhì)素、碳水化合物和樹脂等，并中和其中的有機酸，這樣就把纖維素分離出來。在冶金工業(yè)中，往往要把礦石中的有效成分轉(zhuǎn)變成可溶性的鈉鹽，以便除去其中不溶性的雜質(zhì)，因此，常需要加入純堿（它又是助

8、熔劑），有時也用燒堿。例如，在鋁的冶煉過程中，所用的冰晶石的制備和鋁土礦的處理，都要用到純堿。又如冶煉鎢時，也是首先將精礦和純堿焙燒成可溶的鎢酸鈉后，再經(jīng)酸析、脫水、還原等過程而制得粉末狀鎢的。在化學(xué)工業(yè)中，制金屬鈉、電解水都要用純堿。許多無機鹽的生產(chǎn)，特別是制備一些鈉鹽（如硼砂、硅酸鈉、磷酸鈉、重鉻酸鈉、亞硫酸鈉等等）都要用到純堿。合成染料、藥物以及有機中間體等也要用到燒堿或純堿。此外，純堿還用于食品工業(yè)和日常生活中。1.2純堿的生產(chǎn)方法1.2.1侯氏制堿法（又稱聯(lián)合制堿法）該法主要采用食鹽、氨以及合成氨生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w為原料，同時生產(chǎn)純堿和氯化銨肥料，將合成氨和純堿兩大生產(chǎn)系

9、統(tǒng)聯(lián)合，故簡稱“聯(lián)合制堿”或“聯(lián)堿”。它使鹽的利用率從原來的70%一下子提高到96%。此外，污染壞境的廢物氯化鈣成為對農(nóng)作物有用的化肥氯化銨，還可以減少1/3設(shè)備，所以它的優(yōu)越性大大超過了蘇爾維制堿法，從而開創(chuàng)了世界制堿工業(yè)的新紀(jì)元。制堿的主要原料是食鹽，也就是氯化鈉，而四川的鹽都是井鹽，要用竹筒從很深很深的井底一桶桶吊出來。由于濃度稀，還要經(jīng)過濃縮才能成為原料，這樣食鹽成本就高了。另外，蘇爾維制堿法的致命缺點是食鹽利用率不高，也就是說有30%的食鹽要白白地浪費掉，這樣成本就更高了，所以侯德榜決定不用蘇爾維制堿法，而另辟新路。 他首先分析了蘇爾維制堿法的缺點，發(fā)現(xiàn)主要在于原料中各有一半的比分沒

10、有利用上，只用了食鹽中的鈉和石灰中碳酸根，二者結(jié)合才生成了純堿。食鹽中另一半的氯和石灰中的鈣結(jié)合生成了氯化鈣，這個產(chǎn)物都沒有利用上。那么怎祥才能使另一半成分變廢為寶呢？制堿用的氨和二氧化碳直接由氨廠提供，濾液中的氯化銨加入食鹽水，讓它沉淀出來。這氯化銨既可作為化工原料，又可以作為化肥，這樣可以大大地提高食鹽的利用率，還可以省去許多設(shè)備，例如石灰窯、化灰桶、蒸氨塔等。于是他又帶領(lǐng)技術(shù)人員，做起了實驗。一直進(jìn)行了500多次試驗，還分析了2000多個樣品，才把試驗搞成功，使設(shè)想成為了現(xiàn)實。 1.2.2氨堿法制純堿（又稱蘇爾維法）蘇爾維法生產(chǎn)純堿主要是采用食鹽、石灰石、焦炭和氨為原料。氨堿法的生產(chǎn)過程

11、主要分以下幾步進(jìn)行。(1) 二氧化碳和石灰乳的制備 將石灰石于9401200在煅燒窯內(nèi)分解得到氧化鈣和co2氣體，氧化鈣加水制成氫氧化鈣乳液。 (2) 鹽水的制備和精制 將原鹽溶于水制得飽和食鹽水溶液。由于鹽水中含有賂ca2+、mg2+等雜質(zhì)離子，它們影響后續(xù)工序的正常進(jìn)行。所以鹽水溶液必須精制。(3) 氨鹽水的制備 精制后的鹽水吸氨制備含氨的鹽水溶液。(4) 氨鹽水的碳酸化 是氨堿法的一個最重要工序，將氨鹽水與co2作用，生成碳酸氫鈉和氯化銨，碳酸氫鈉濃度過飽和后即結(jié)晶析出，從而與溶液分離。這一過程包括了吸收、氣液相反應(yīng)、結(jié)晶和傳熱等其總反應(yīng)可表示為： nacl十nh3十co2十h2o na

12、hco3十nh4cl(5) 碳酸氫鈉的煅燒 煅燒的目的是為了分解碳酸氫鈉，以獲得純堿na2co3，同時回收近一半的co2氣體(其含量約為90)，供碳酸化使用。(6) 氨的回收 碳酸化后分離出來的母液中含有nh4cl、nh4oh、（nh4）2co3和nh4hco3等，需要將氨回收循環(huán)使用。1.2.3 天然堿加工法天然堿加工法采用天然堿礦物為原料，來制取純堿。天然堿是指含堿的天然礦石及湖水，如倍半碳酸鈉（na2co3·nahco3.2h2o），堿湖水，其成分為na2co3、nahco3、nacl和na2so4等的混合物。與人工合成純堿相比，天然堿的加工工藝流程簡單、設(shè)備投資少、能耗低，其

13、相對成本可減少40%左右，顧發(fā)展前景是非常美好的。1.3 聯(lián)合制堿法與氨堿法比較聯(lián)合制堿最大的優(yōu)點是使食鹽的利用率提高到96以上，應(yīng)用同量的食鹽比氨堿法生產(chǎn)更多的純堿。另外它綜合利用了氨廠的二氧化碳和堿廠的氯離子，同時，生產(chǎn)出兩種可貴的產(chǎn)品純堿和氯化銨。將氨廠的廢氣二氧化碳，轉(zhuǎn)變?yōu)閴A廠的主要原料來制取純堿，這樣就節(jié)省了堿廠里用于制取二氧化碳的龐大的石灰窯；將堿廠的無用的成分氯離子（cl）來代替價格較高的硫酸固定氨廠里的氨，制取氮肥氯化銨。從而不再生成沒有多大用處，又難于處理的氯化鈣，減少了對環(huán)境的污染，并且大大降低了純堿和氮肥的成本，充分體現(xiàn)了大規(guī)模聯(lián)合生產(chǎn)的優(yōu)越性。氨堿法的優(yōu)點是：原料（食鹽

14、和石灰石）便宜；產(chǎn)品純堿的純度高；副產(chǎn)品氨和二氧化碳都可以回收循環(huán)使用；制造步驟簡單，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。但氨堿法也有許多缺點：首先是兩種原料的成分里都只利用了一半食鹽成分里的鈉離子（na+）和石灰石成分里的碳酸根離子（co32）結(jié)合成了碳酸鈉，可是食鹽的另一成分氯離子（cl）和石灰石的另一成分鈣離子（ca2+）卻結(jié)合成了沒有多大用途的氯化鈣（cacl2），因此如何處理氯化鈣成為一個很大的負(fù)擔(dān)。氨堿法的最大缺點還在于原料食鹽的利用率只有7274，其余的食鹽都隨著氯化鈣溶液作為廢液被拋棄了，這是一個很大的損失。 1.4 純堿的發(fā)展前景與展望純堿工業(yè)始于18世紀(jì)末，隨著工業(yè)的需要和制堿原料的改變，純

15、堿(na2co3)生產(chǎn)技術(shù)得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)裝置趨向大型化、機械化、自動化。1983年世界純堿產(chǎn)量約30mt。在純堿工業(yè)史上，法國人n·呂布蘭，比利時人e·索爾維，中國人侯德榜等，都作出了突出的貢獻(xiàn)。 1.4.1 天然堿制堿法的發(fā)展 主要有：早在1849年拓荒者在美國懷俄明州的甜水河就找到了碳酸氫鈉，并用于洗滌和制藥。1905年利用加利福尼亞州的瑟爾斯湖天然堿第一次試生產(chǎn)純堿。1938年，美國山間燃料供應(yīng)公司在懷俄明州格林河盆地勘探油、氣時，發(fā)現(xiàn)富含碳酸鈉的世界最大的天然堿礦藏。1976年，美國由天然堿生產(chǎn)的純堿占總產(chǎn)量的70，1982年占總產(chǎn)量的94，年生產(chǎn)能力

16、達(dá)9.5mt。蘇聯(lián)自60年代以來,以霞石（含有鈉、鉀、鋁、硅氧化物的天然堿石）加工氧化鋁同時副產(chǎn)純堿、鉀堿及水泥，實現(xiàn)了工業(yè)化，使霞石原料得到綜合利用，沒有排廢的問題。到1975年共建立了五個霞石加工廠。 1.4.2 中國純堿工業(yè)的發(fā)展 1949年，僅在天津塘沽、大連有兩家純堿廠，總產(chǎn)量為88kt。50年代，純堿工業(yè)有了很大發(fā)展,除對原有廠進(jìn)行擴建、改造外，從1958年起，先后興建了四川自貢、山東青島、湖北應(yīng)城三個中型純堿廠和一批小型純堿廠。1985年生產(chǎn)純堿2mt（不包括臺灣?。?，產(chǎn)量僅次于美、蘇兩國。生產(chǎn)方法主要是索爾維法和侯氏制堿法，1984年以侯氏制堿法生產(chǎn)的純堿占總量的44

17、.6，農(nóng)用氯化銨產(chǎn)量居世界第一。但現(xiàn)在純堿產(chǎn)量仍然不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要，為使純堿的供應(yīng)能滿足需要，已確定了建設(shè)新廠的計劃并與小型氨廠結(jié)合改建一些新的小型聯(lián)合制堿法工廠。近十年來，我國通過控制新建堿廠、限產(chǎn)保價、擴大出口等措施，有效地控制了純堿生產(chǎn)能力的無序增長。通過多年的技術(shù)改造后，原有生產(chǎn)裝置進(jìn)一步增產(chǎn)的潛力不大。如果下游行業(yè)消費不斷增加，將引起市場短缺。我國純堿主要消費于玻璃、洗滌劑和無機化學(xué)品等領(lǐng)域。近年來純堿下游行業(yè)保持了較高的消費增長速度，近5年國內(nèi)的年平均消費增加40萬噸，共消費增加200萬噸。2001年純堿國內(nèi)消費比2000年增長10%。隨著我國住房、汽車、輕工、無機鹽等行業(yè)

18、的發(fā)展，國內(nèi)對純堿的需求平均以45%左右的速度增加，5年將增加純堿需求150200萬噸。從周邊國家情況看，目前缺堿的東南亞、南亞、東亞的一些國家和地區(qū)環(huán)繞在我國周圍，相比與相隔千里之遙的美國，地利是我國純堿出口到這些國家的最有利因素。2001年全國累計出口純堿110萬噸，于2000年相比增加13萬噸。從國內(nèi)進(jìn)口的情況看，我國大量進(jìn)口純堿的可能性不大，2001年全國累計進(jìn)口6.8萬噸，與2000年相比減少6.7萬噸。減少進(jìn)口純堿的主要原因有兩個：一是美國天然氣漲價，致使美國天然堿成本增高；二是與2000年比較，我國純堿價格有下降。另外，加入wto后，雖然純堿進(jìn)口關(guān)稅降低了5%，進(jìn)口總成本降低幅度

19、不大，不足以支持大規(guī)模進(jìn)口。我國有很大的純堿消費市場，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，純堿需求量每年會以3540萬噸的速度增長。但是我國不會讓大量的外來堿進(jìn)入，因為我國有豐富的原料資源，有成熟而先進(jìn)的純堿生產(chǎn)技術(shù)和裝備制造能力，努力發(fā)展純堿工業(yè)、讓有優(yōu)勢的企業(yè)擴大純堿產(chǎn)量、同時積極開拓國際市場，擴大出口是中國純堿工業(yè)的必然選擇。與此同時，雖然美國天然堿成本低，但要進(jìn)入中國市場并非易事，因為其長距離的運輸費用，使其到中國口岸的價格與國產(chǎn)堿比并不具有優(yōu)勢。第二章 氨堿法制純堿氨堿法生產(chǎn)純堿，需要大量的co2和石灰乳，co2用于碳酸化過程，石灰乳供蒸氨及鹽水精制使用。因而燃燒石灰石制取co2及石灰，再由石灰消化制取

20、石灰乳，就成為氨堿法生產(chǎn)中不可缺少的準(zhǔn)備工序。2.1氨堿法制純堿的原料(1) co2二氧化碳在通常狀況下是一種無色、無臭、無味的氣體能溶于水，溶解度為0.144g/100g水。在20時，將二氧化碳加壓到5.73×106 pa即可變成無色液體，常壓縮在鋼瓶中存，在56.6、5.27×105 pa時變?yōu)楣腆w。液態(tài)二氧化碳堿壓迅速蒸發(fā)時，一部分氣化吸熱，另一部分驟冷變成雪狀固體，將雪狀固體壓縮，成為冰狀固體，即俗稱“干冰”?！案杀痹?.013×105 pa、78.5時可直接升華變成氣體。二氧化碳比空氣重，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度為1.977g/l，約是空氣的1.5倍。二氧化碳

21、無毒，但不能供給動物呼吸，是一種窒息性氣體。在空氣中通常含量為0.03（體積），若含量達(dá)到10時，就會使人呼吸逐漸停止，最后窒息死亡?？菥?、地窖、地洞底部一般二氧化碳的濃度較高，所以在進(jìn)入之前，應(yīng)先用燈火試驗，如燈火熄滅或燃燒減弱，就不能貿(mào)然進(jìn)入，以免發(fā)生危險。 (2) 石灰乳石灰乳一般是在氧化鈣中加水生成的，因為氫氧化鈣ca(oh)2溶解度不是很大，所以往往生成的是氫氧化鈣的懸濁液（即水溶液中還存在著沒有溶解的氫氧化鈣），這就是石灰乳。把石灰窯排出的成品石灰(cao)加水進(jìn)行消化，即可成為鹽水精制和蒸氨過程所需的氫氧化鈣，消化時因加水量不同即可得到消石灰(細(xì)粉末)，石灰膏(稠厚而不流動的膏)

22、，石灰乳(消石灰在水中的懸浮液)和石灰水(ca(oh)2水溶液)。氫氧化鈣溶解度很低，且隨溫度的升高而降低，粉末消化使用很不方便，因此，工業(yè)上采用懸浮液，又稱石灰乳。 石灰乳較稠，對生產(chǎn)有利，但其粘度隨稠厚程度升高而增加。太稠則沉降和阻塞管道及設(shè)備。一般工業(yè)上制取和使用的石灰乳中含活性氧化鈣(cao)約160220t，比重約為1.27。 化灰機(又稱消化機)為臥式回轉(zhuǎn)圓筒，出口端向下傾斜。石灰和水從上端加入，互相混合反應(yīng)。圓筒內(nèi)裝有許多螺旋形式排列的角鐵，在轉(zhuǎn)動過程中使石灰與水充分接觸反應(yīng)的同時，并呈螺旋狀推動物料前進(jìn)。物料從出口端流出后入兩層振動篩。石灰乳從篩孔流下入石灰乳桶，剩下的未消化石

23、灰與雜渣從篩面上流入螺旋洗砂機，經(jīng)洗砂機再次洗滌后，洗水返回消化機入口廢渣(砂)排棄。 2.2氨堿法制純堿的原理它是比利時工程師蘇爾維（18381922）于1892年發(fā)明的純堿制法。他以食鹽（氯化鈉）、石灰石（經(jīng)煅燒生成生石灰和二氧化碳）、氨氣為原料來制取純堿。先使氨氣通入飽和食鹽水中而成氨鹽水，再通入二氧化碳生成溶解度較小的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨溶液。其化學(xué)反應(yīng)原理是：naclnh3h2oco2nahco3nh4cl；將經(jīng)過濾、洗滌得到的nahco3微小晶體，再加熱煅燒制得純堿產(chǎn)品, 其化學(xué)反應(yīng)原理：2nahco3na2co3h2oco2，放出的二氧化碳?xì)怏w可回收循環(huán)使用。含有氯化銨的濾液與石

24、灰乳（ca(oh)2）混合加熱，所放出的氨氣可回收循環(huán)使用，其化學(xué)反應(yīng)原理：caoh2oca(oh)2，2nh4clca(oh)2cacl22nh32h2o2.3氨堿法制純堿的工藝流程 圖2-1 氨堿法工藝流程1-化鹽桶；2-調(diào)和桶；3-一次澄清桶；4-除鈣塔；5-二次澄清桶；6-吸氨塔；7-氨鹽水澄清桶；8-碳酸化塔(清洗)；9-碳酸化塔(制堿)；10-過濾機；11-重堿煅燒爐；12-旋風(fēng)分離器；13-爐氣冷凝塔；14-爐氣洗滌塔；15-二氧化碳壓縮機；16-三層洗泥桶；17-石灰窯；18-洗滌塔；19-化灰桶；20-預(yù)灰桶；21-蒸氨塔2.3.1石灰石的煅燒與石灰乳的制備2.3.1.1 石

25、灰石的煅燒石灰石的主要成分為caco3，含量95%左右，此外尚有24%的mgco3及少量sio2、fe2o3及al2o3等，在煅燒過程中的主要反應(yīng)為：caco3(s)cao(s)十co2(g)； h0；石灰石中含有的mgco3也發(fā)生反應(yīng)：mgco3(s)mgo(s)十co2(g)；h0。產(chǎn)生的窯氣必須及時導(dǎo)出，否則將影響反應(yīng)的進(jìn)行。在生產(chǎn)中，窯氣經(jīng)凈化、冷卻后被壓縮機不斷抽出，以實現(xiàn)石灰石的持續(xù)分解。2.3.1.2石灰乳的制備鹽水精制及蒸氨所用的不是氧化鈣而是氫氧化鈣，用少量水僅使氧化鈣轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣時，石灰呈粉末狀；這種粉末稱為熟石灰，亦稱消石灰，這個過程叫做石灰的消化。其化學(xué)反應(yīng)式為： c

26、ao(s)+h2o (l)ca(oh)2(s)；h0 mgo(s)十h2o (l)mg(oh)2(s)；h0 2.3.2氨鹽水的制備氨堿法生產(chǎn)的主要原料之一是食鹽水溶液，由于原料鹽都含有雜質(zhì)如鈣鎂離子等，所以，為了制備合格的食鹽水溶液，除了進(jìn)行原料鹽溶解之外，還要除去鈣鎂離子等雜質(zhì)。(1) 飽和食鹽水的制備(2) 鹽水的精制2.3.3氨鹽水的碳酸化氨鹽水的碳酸化是氨堿法制純堿的中心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。它同時伴有吸收、結(jié)晶和傳熱等單元操作，各單元操作相互關(guān)聯(lián)互為影響。碳酸化總反應(yīng)式為： nacl十nh3十co2十h2onahco3十nh4cl 碳酸化的目的是為了獲得適合于質(zhì)量要求的碳酸氫鈉結(jié)晶。此工

27、藝過程，首先要求碳酸氫鈉的產(chǎn)率要高，即氯化鈉和氨的利用率要高；其次要求碳酸氫鈉的結(jié)晶質(zhì)量要好，結(jié)晶顆粒盡量大，以利于過濾分離。而降低碳酸氫鈉粗成品的含水量，又有利于重堿的煅燒。2.3.3.1碳酸化過程的基本原理氨堿法生產(chǎn)純堿的碳酸化過程與碳酸氫銨生產(chǎn)中用氨水吸收二氧化碳很相似，其區(qū)別在于該溶液中存在有氯化鈉因而碳酸化所生成的碳酸氫銨將進(jìn)一步與氯化鈉反應(yīng)生成碳酸氫鈉。諸多研究學(xué)者認(rèn)為碳酸化過程的反應(yīng)機理可分為三步進(jìn)行。(1) 氨基甲酸銨的生成 實驗研究證實，當(dāng)二氧化碳調(diào)入濃氨水時，最初總是出現(xiàn)氨基甲酸氨：co2+2nh3=nh2coo-十nh4+這一三分子反應(yīng)的可能性很小，可視為兩個反應(yīng)過程：c

28、o2十nh3nh2coo-+ h+；nh3十h+nh4+(2) 氨基甲酸銨的水解 上述反應(yīng)生成的氨基甲酸銨進(jìn)一步進(jìn)行水解反應(yīng)：nh2coo-+ h2ohco3-+ nh3(3) 復(fù)分解反應(yīng)析出碳酸氫鈉結(jié)晶 溶液中hco3-積累到一定程度，當(dāng)碳酸化液中hco3-與na+的濃度乘積超過碳酸氫鈉溶度積時，復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生而析出碳酸氫鈉結(jié)晶：na+ hco3-nahco3這將影響其他離子反應(yīng)的過程，尤其是氨基中酸銨水解過程，會加快水解反應(yīng)的進(jìn)行，致使溶液中游離態(tài)的氨增加，從而加快了對二氧化碳的吸收。反應(yīng)如此連續(xù)進(jìn)行，氨鹽水不斷吸收二氧化碳?xì)怏w，溶液又不斷產(chǎn)生碳酸氫鈉結(jié)晶，完成整個碳酸化過程。2.3.3.

29、2氨鹽水碳酸化工藝流程氨鹽水用泵1注入清洗塔6a，塔底通過清洗氣壓縮機2及分離器5鼓入窯氣，對氨鹽水進(jìn)行預(yù)碳酸化并對溶解疤垢過程起攪拌作用。清洗塔內(nèi)氣液逆流接觸，清洗液從清洗塔6a底部流出，經(jīng)氣升輸鹵器9送入制堿塔6b上部，窯氣經(jīng)中段氣壓縮機3及中段氣冷卻塔7，送入制堿塔中部；鍛燒重堿所得爐氣，又稱鍋氣，含co29左右，經(jīng)下段氣壓縮機4和下段氣冷卻塔8送人制堿塔底部。 圖2-2碳酸化工藝流程1-氨鹽水泵；2-清洗氣壓縮機；3-中段氣壓縮機；4-下端氣壓縮機；5-分離器；6a-碳酸化清洗塔；6b-碳酸化制堿塔；7-中段氣冷卻塔；8-下段氣冷卻塔；9-氣升鹵器；10-尾氣分離器；11-倒塔桶碳化后

30、的晶漿靠液位送入過濾工序堿槽中。制堿塔生產(chǎn)一段時間后，塔內(nèi)壁、笠帽、冷卻水管等處結(jié)疤垢較厚，傳熱不良，不利結(jié)晶。清洗塔則已清洗完畢，此時可相倒換使用，謂之“倒塔”。兩塔塔頂尾氣中含有少量氨及二氧化碳，經(jīng)氣液分離后，母液送往鹽水車間供精制鹽水用。2.3.4重堿的過濾與煅燒碳化塔取出的晶漿中含有懸浮的固相nahco3，大約有4550(體積)，需用過濾的方法加以分離，所得重堿送往煅燒以制純堿，母液送去蒸氨。過濾時，必須對濾餅洗滌，將重堿中殘留的母液洗去，使純堿中含有的氯化鈉降到最低，洗水宜用軟水，以免水中含有ca2+,mg2+形成沉淀而堵塞濾布。 人們通常將100份重量的重堿，經(jīng)煅燒后所得的產(chǎn)品重量

31、分?jǐn)?shù)成為“燒成率”。燒成率的大小與重堿組成及水分含量有關(guān)。純碳酸鈉的燒成率為63，而一般生產(chǎn)中重堿的燒成率約在5060左右。碳化取出液與過濾母液之間，因加入了洗水而使母液體積略有增大。這種增大常以溶液中氯離子濃度的變化來表示，稱為“率差”，一般約為35t。第三章 氨堿法碳化工段物料及熱量衡算3.1物料衡算（1）數(shù)據(jù)見表3-1和表3-2以1t純堿為基準(zhǔn)表3-1 物料衡算數(shù)據(jù)名稱物料當(dāng)量/m³tcl/ttfnh3/ttcnh3/ttco2/tt密度/（kg/l）比熱容/kcal（kg·）溫度/氨鹽水出堿液6.005.43899899252.57725.837.61.1501.1

32、270.780.783830表3-2 氣體性質(zhì)名稱co2 / %惰氣/%溫度/壓力/mpa爐氣916350.32窯氣4258450.25碳酸化尾氣595500.05naclnh3h2oco2nahco3nh4cl2nahco3na2co3h2oco22nh4clca(oh)2cacl22nh32h2o(2) 計算nacl和nahco3量氨鹽水含nacl=（892.5）×（58.45/20）×6=1517kg；轉(zhuǎn)化為nahco3的nacl=1517×0.7577=1149.4kg（nacl轉(zhuǎn)化率為75.77%）；生成nahco3的量=1149.4×（84/

33、58.5）=1650 kg=19.64kmol(3) 碳酸化尾氣含nh3量碳酸化尾氣帶走nh3占入口nh3的分率=氨鹽水總nh4出堿液總nh3×（氨鹽水tcl-/出堿液tcl-）/氨鹽水總nh3=101.5102×（89/98）/101.5=0.0874=8.74%(4) 碳酸化尾氣含（nh4）2co3量氨鹽水含自由氨量=99×（17/20）×6=504.9kg=29.7kmol氨鹽水碳酸化后的含氨量=29.72.661=27.039kmol吸氨過程吸收的co2量=25.8×（44/40）×6.0=170.28kg=3.87kmol如

34、果不計氨基甲酸銨的生成，假定溶液中的co2全以(nh4)2co3存在。則氨鹽水中的(nh4)2co3量為3.87kmol，以(nh4)2co3存在的nh3=3.87×2=7.74kmol(5) 出堿液出堿液含fnh3 25tt；cnh3 77tt；co2 37.6tt氨鹽水中含cnh3 2.5tt出堿液的碳酸化度rs=（2cnh3co2）/tnh3=2×（772.5×98/89）37.6/101.52.5×98/89=187.4%出堿液中co2為37.6tt，fnh3為25tt，設(shè)(nh4)2co3為xtt，nh4hco3為ytt，則 x+y=25（氨衡

35、算） x+2y=37.6（co2衡算）解此方程式，得(nh4)2co3為13.4tt，nh4hco3為11.6tt。即出堿液中(nh4)2co3量=13.4×（96/40）×5.45=175.2kg=1.826kmol nh4hco3量=11.6×（79/20）×5.45=249.72kg=3.161kmol(6) 吸收co2量氨鹽水碳酸化后含nh3量=27.039kmol（存在于溶液和固相中）但出堿液一部分nh3以(nh4)2co3形式存在，并未被碳酸化，故吸收co2量為 27.0391.826=25.213kmol(7) 氣量計算進(jìn)入碳酸化塔的co2

36、氣有爐氣和窯氣爐氣（干基）含co294%，空氣6%，進(jìn)塔溫度35，飽和水蒸氣分壓p'h2o=43mmhg=5.72kpa爐氣全部以下段氣進(jìn)塔，壓力為0.42mpa（絕壓）=3192mmhg（絕壓）實際爐氣成分：h2o=(p'h2o/p)×100=(43/3192)×100%=1.35%co2=94/(1001.35)×100%=92.73%空氣=6/(100+1.35)×100%=5.92%窯氣（干基）含co242%，n2 58%，進(jìn)塔溫度45，飽和水蒸氣分壓p'h2o=72mmhg，中段氣壓力=0.35mpa（絕壓）=2660m

37、mhg 故實際窯氣成分：h2o= （p'h2o/p）×100=(72/2660)×100%=2.7%co2=42/(100+2.7)×100%=40.9%n2=58/(100+2.7)×100%=56.5%(8) 爐氣量以重堿分解的co2重堿成分 h2o 20%；nh4hco3 4%；na2co3 5.9%；nacl 0.3%；nahco3 69.8%；燒成率50.2%；當(dāng)量2033kg；損失2% 2 nahco3（g）=naco3（g）+co2（g）+h2o（g） co2生成量=1000/（10.02）×0.502×0.69

38、8×44/168=371.6kg nh4hco3（s）=h2o(g)+co2（g）+nh3（g） co2生成量=1000/(10.02)×0.502×0.04×44/79=45.3kg合計co2生成量為416.9kg。冷母液預(yù)分解co2量：冷母液co2 34tt；tcl- 92tt；熱母液co2 20tt；tcl- 84tt氨鹽水tcl- 89.5tt；當(dāng)量 6m³/t e冷母液=6×89.5/92=5.837m³/t e熱母液=6×89.5/84=6.393m³/t母液預(yù)分解進(jìn)入爐氣的co2量=（44/

39、40）×（5.837×34-6.393×20）=77.7kg總共生成co2量：416.9+77.7=496.6kg損失co2量重堿煅燒損失 15.0kg（生產(chǎn)經(jīng)驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)）爐氣冷凝液移走（44/40）×100×0.2=22kg（其中co2 100tt；當(dāng)量0.2m³/t）溶解于重堿過濾洗水中的co2量（44/40）×7××0.7=8.39kg（其中co27tt。當(dāng)量0.7m³/t）下段氣冷卻塔溶解損失5.0kg（技術(shù)查定）合計損失co2量=15225.3947.39kg進(jìn)入碳酸化的co2=49

40、4.647.39=447.2kg=10.164kmol=22.7nm³爐氣中的空氣=10.164×（5.29/92.73）=0.649kmol=14.5m³爐氣中的h2o=10.164×（1.35/92.73）=0.148kmol=3.3m³進(jìn)入碳酸化的爐氣總量=10.164+0.649+0.148=10.96kmol=482.3kg=245.5m³(9) 窯氣量設(shè)v=進(jìn)塔要其總量，kmol w=尾氣總量，kmol窯氣中co2量：0.109v kmol n2量：0.565v kmol h2o量：0.027 v kmol而尾氣co25%

41、，n295%，故尾氣（干基）中 co2量：0.05w kmol n2量：0.95w kmol 做碳酸化塔的co2衡算及惰性氣體衡算得 10.164+0.409v=25.213+0.05w 0.649+0.565v=0.95w解得：窯氣量v=34.695kmol 尾氣總量w=22.896kmol表3-3 年產(chǎn)30萬噸的物料衡算表組成吸入/kg支出/kg氨鹽水窯氣參加反應(yīng)反應(yīng)生成共計出堿液尾氣共計nacl455103447079980nahco34950049500 99000(nh4)2co3229.64624606266890.64525625207776nh4hco31565.091565.

42、097491.67491.6h2o(l)505.8543.06548.91co2(g)33281.164891.921444.139617.186762.361511.1368273.496nh3(g)504.9504.91737.083947.45684.4惰氣16466.247 164662.4718271.00818271.008總計79296.0621864.01787251.89111960300371.96721246.9826249.54447496.5243.2 熱量衡算(一) 輸入熱量q入（以每噸純堿為基準(zhǔn)）1. 氨鹽水帶入的熱量q1溫度38，當(dāng)量6m³，密度115

43、0kg/m³，比熱容3.264kj/kg·q1=6×1150×0.78×38=204516kcal=855694.94kj2. 窯氣帶入熱量q2 溫度45，水蒸氣熱焓2579.854kj/kg，cn2 1.029 kj/kg·,cco2 0.879 kj/kg·co2代入熱量=39.645×0.409×0.21×45=6742kcal=28208.53 kj n2代入熱量=39.695×0.565×28×0.216×45=6943kcal=29049.51

44、 kjh2o代入熱量=39.695×0.027×18×616.6=11880kcal=49705.92 kjq2 =25565kcal=106963.96 kj3. 爐氣代入熱量q3溫度35，水蒸氣熱焓2561.44kj/kg。 co2代入量=447.2×0.21×35=3287kcal=13752.81kj n2代入熱量=0.649×28×0.246×35=156kcal=652.70 kj h2o代入熱量=0.148×18×612.2=1631kcal=6824.10kj q3=5074kc

45、al=21229.62kj4化學(xué)反應(yīng)熱(1)吸收co2 25.213kmol生成h2co3的反應(yīng)熱 co2(g)+h2o（l）=h2co3（l）+20171.06 kj/kmol qh2co3=25.213×4821=121552kcal=508573.57kj(2)19.299kmol nh4oh與h2co3作用生成（nh4）2co3的反應(yīng)熱 2nh4oh（l）h2co3（l）=（nh4）2co32h2o（l）73906.18 kj/kmol q（nh4）2co3=19.299×（17664/2）=170449kcal=713158.62kj(3) 25.213kmol（

46、nh4）2co3與h2co3作用生成nh4hco3的熱量（nh4）2co3(l)+ h2co3(l)=2 nh4hco3(l)+16602.11 kj/kmolq nh4hco3=25.213×（3968/2）=50022kcal=209292.05kj(4) 19.64kmolnh4hco3與nacl作用生成nahco3的熱量nacl+ nh4hco3= nahco3+nh4cl+15438.96 kj/kmolq nahco3=19.64×3690=72472kcal=303222.85kj q=121552+170449+50022+72472=414495kcal=

47、1734247.08 kjq=q1+q2+q3+q4=204518+25565+5074+414495=649650kcal=2718135 kj（二） 輸出熱量q出（以每噸純堿為基準(zhǔn)）1. 出堿液帶出熱量q'1溫度30，當(dāng)量5.45m³/t，密度1127kg/m³，比熱容3.264 kj/kg·q'1=5.45×1127×0.78×30=143726kcal=601349.58kj2. 重堿帶出熱量q'2溫度30，比熱容1.17 2kj/kg·，當(dāng)量2033kgq'2=20033×

48、0.28×30=17077kcal=71450.17kj3. 出氣nh3揮發(fā)帶出的熱量q'3nh4oh（l）=nh3(g)+h2o（l）34781.59 kj/kmolq'3=2.561×8313=22121kcal=92554.26kj4. 散熱損失（以化學(xué)反應(yīng)熱的3%計算）q'4q'4=414495×3%=12435kcal=52028.04kj5. 出氣帶出熱量q'5溫度50，水蒸氣熱焓2597.85 kj/kg，ph2o為92.5mmhg尾氣p為300mmhg（表壓）=1060mmhg（絕壓）水蒸氣所占92.5/10

49、60=8.73%qh2o=（22.896×8.73/91.27）×18×620.9=24476kcal=102407.58 kjqco2=22.896×0.05×44×0.21×50=529kcal=2213.34 kjqn2=22.896×0.95×28×0.246×50=7491kcal=31342.34 kjq'=24476+529+7491=32496kcal=135963.26 kjq出=143726+17077+22121+12435+32496=227855kca

50、l=953345.32kj（三）需要冷卻水導(dǎo)出的熱量q冷q冷=649650-227855=121795kcal=1764790kj第四章 碳化工段的工藝條件與主要設(shè)備4.1工藝條件的選擇4.1.1碳化度碳化度即表示氨鹽水吸收co2程度的量，一般以r表示。定義為碳化液體系中全部co2摩爾數(shù)與總nh3摩爾數(shù)之比。對于未析出結(jié)晶的碳化氨鹽水來說，取樣液分析計算即可；對于已析出結(jié)晶的碳化液來說，由于一部分二氧化碳被氨鹽水吸收成為nahco3析出，同時液相中還出現(xiàn)等摩爾數(shù)的結(jié)合氨，因此結(jié)合氫的濃度cnh3?？捎脕黹g接表示nahco3中的co2。r值越大，總氨轉(zhuǎn)變成nh4hco3越完全，nacl的利用率也

51、就越高。在實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量提高碳化液的碳化度以提高鈉利用率。但因受各種條件的限制，實際生產(chǎn)中的碳化度一般只能達(dá)到0.90.95。4.1.2原始氨鹽水溶液的適宜組成所謂適宜的理論氨鹽水組成，就是在一定的溫度和壓力下，反應(yīng)達(dá)到平衡母液組成時，所對應(yīng)的原始氨鹽水組成，亦即鈉利用率最高時的原始氨鹽水組成。在同一溫度和壓力下，由于原始氨鹽水的組成不同，最終液相組成亦不同，相應(yīng)的鈉利用率也不同。實際生產(chǎn)中，原始氨鹽水的組成不可能正好達(dá)到其相對應(yīng)濃度。一方面因為飽和鹽水在吸氨過程中被稀釋氯化鈉的濃度相應(yīng)降低(實際飽和鹽水吸收來自蒸氨塔的濕氨氣)。另一方面，由于要考慮碳化塔頂尾氣帶氨的損失以及碳化度的不足和nh4hco3nahco3的共析作用，都會使nh3/nacl升高。因此，實際生產(chǎn)中，一般控制氨鹽水中的nh3/nacl1.081.12。這使得氨鹽水中的nacl濃度更低，nahco3析出率也相應(yīng)降低，從而降低了鈉的利用率。4.1.3碳化溫度溫度不僅影響到nahco3結(jié)晶生成的數(shù)量，而且影響到nahco3結(jié)晶的質(zhì)量。nahco3在水中的溶解度隨溫度降低而減少，所以，低溫對生成較多的nahco3結(jié)晶有利。但nahco3容易形成過飽和溶液。由過