年產(chǎn)0萬噸氨堿法制堿生產(chǎn)工藝設計

年產(chǎn)0萬噸氨堿法制堿生產(chǎn)工藝設計濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE畢業(yè)設計（論文）（冶金化工系）題目年產(chǎn)10萬噸氨堿法制堿生產(chǎn)工藝PAGEIV濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGEI畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名：日期：畢業(yè)論文（設計）授權使用說明本論文（設計）作者完全了解**學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的電子版和紙質(zhì)版。有權將論文（設計）用于非贏利目的的少量復制并允許論文（設計）進入學校圖書館被查閱。學?？梢怨颊撐模ㄔO計）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。

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目錄摘要 1第一章純堿的綜述 21.1純堿的性質(zhì)和用途 21.1.1純堿的性質(zhì) 21.1.2純堿的用途 21.2純堿工業(yè)的發(fā)展史及發(fā)展方向 31.2.1純堿工業(yè)發(fā)展史 31.2.2純堿工業(yè)世界分布及發(fā)展方向 5第二章純堿的主要工藝及優(yōu)缺點 72.1純堿的生產(chǎn)工藝 72.1.1純堿的工藝簡述 72.2純堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點 8第三章氨堿法生產(chǎn)純堿的工藝流程和主要設備 93.1氨堿法生產(chǎn)純堿工藝流程及圖示 93.1.1氨堿法生產(chǎn)純堿的工藝流程 93.1.2氨堿法生產(chǎn)純堿工藝圖示介紹 103.2蒸氨過程的主要設備及化學反應 113.2.1蒸氨過程的主要設備 113.2.2蒸氨過程中的主要化學反應 123.3蒸氨塔理論塔板數(shù)的確定 133.3.1石灰乳蒸餾段與預灰桶的理論塔板數(shù) 133.3.2預熱段理論塔板數(shù) 153.4氨鹽水的碳酸化過程及碳化塔 163.4.1氨鹽水碳酸化過程 163.4.2碳化塔設備 17第四章氨鹽水碳酸化系統(tǒng)的物料及熱量衡算 214.1碳酸化系統(tǒng)中的物料衡算 214.1.1典型溶液的組分歸納 214.1.2物料衡算 214.3熱量橫算 25第五章氨堿法制堿廠的排污與三廢處理 265.1氨堿法純堿生產(chǎn)的排污系統(tǒng) 265.1.1氨堿法純堿生產(chǎn)廠的排污 265.1.2氨堿廠的三廢處理 26致謝 28參考資料 29-摘要純堿是基本化學工業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一，是用途十分廣泛的基本工業(yè)原料，它是玻璃、造紙、肥皂、洗滌劑、紡織、制革等工業(yè)的重要原料，還常用作硬水的軟化劑，也用于制造鈉的化合物。它的工業(yè)制法主要有氨堿法和聯(lián)合制堿法兩種。本文介紹的主要是氨堿法制純堿。該方法的好處有：原料便宜，產(chǎn)品純堿的純度高，副產(chǎn)品氨和二氧化碳都可以回收利用，適合我國現(xiàn)在的氮肥企業(yè)借鑒。本文介紹了純堿的主要生產(chǎn)工藝流程，并對碳化爐進行了設計。首先根據(jù)工藝需要對碳化過程進行物料衡算和熱量衡算，在此基礎上碳化爐的相關參數(shù)進行計算，進而進行設備選型。該設計具有較好的實際應用價值，對環(huán)境污染小,同時具有一定的社會、經(jīng)濟效益。關鍵詞純堿；生產(chǎn)工藝；碳化爐第一章純堿的綜述1.1純堿的性質(zhì)和用途1.1.1純堿的性質(zhì)純堿學名碳酸鈉，俗名又稱蘇打，化學式:NaCO，是白色粉末狀晶體，高溫下易溶解，易溶于水，使溶液呈堿性，微溶于無水乙醇，不溶于丙醇。純堿水溶液可以與酸堿鹽反應，反應方程式如下:,工業(yè)產(chǎn)品純度為98-99%，依顆粒大小堆密度不同，可分為超輕質(zhì)純堿，輕質(zhì)純堿和重質(zhì)純堿，其大致范圍見表1-1：表1-1：不同純堿產(chǎn)品的堆積密度范圍品種堆積密度①，t/m3超輕質(zhì)純堿輕質(zhì)純堿重質(zhì)純堿0.3～0.440.45～0.690.8～1.1①按法定計量單位制，改用密度。1.1.2純堿的用途純堿是重要的化工原料之一,用于制化學品、清洗劑、洗滌劑、也用于照相術和制醫(yī)藥品。絕大部分用于工業(yè)，一小部分為民用。在工業(yè)用純堿中，主要是輕工、建材、化學工業(yè)，約占2/3；其次是冶金、紡織、石油、國防、醫(yī)藥及其它工業(yè)。玻璃工業(yè)是純堿的最大消費部門，每噸玻璃消耗純堿0.2噸?；瘜W工業(yè)用于制水玻璃、重鉻酸鈉、硝酸鈉、氟化鈉、小蘇打、硼砂、磷酸三鈉等。冶金工業(yè)用作冶煉助熔劑、選礦用浮選劑，煉鋼和煉銻用作脫硫劑。印染工業(yè)用作軟水劑。制革工業(yè)用于原料皮的脫脂、中和鉻鞣革和提高鉻鞣液堿度。還用于生產(chǎn)合成洗滌劑添加劑三聚磷酸鈉和其他磷酸鈉鹽等。食用級純堿用于生產(chǎn)味精、面食等純堿的用途很廣，一般都是利用它的堿性，可以用于制造玻璃，還可利用脂肪酸與純堿反應制肥皂；在陶瓷工業(yè)中制取耐火材料和釉也要用到純堿，化學工業(yè)中制取鈉鹽、金屬碳酸鹽、漂白劑、填料、洗滌劑、催化劑及染料等均要用到它。表1-2為1980年純堿在各個生產(chǎn)部門的消費量:玻璃生產(chǎn)化學制品生產(chǎn)造紙工業(yè)肥皂和洗滌劑生產(chǎn)其他總計消費量Mt15.667.831.161.452.9029.00消費比例%542745101001.2純堿工業(yè)的發(fā)展史及發(fā)展方向1.2.1純堿工業(yè)發(fā)展史始于18世紀末，隨著工業(yè)的需要和制堿原料的改變，生產(chǎn)技術得到迅速發(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，比利時人，中國人等，都作出了突出的貢獻。呂布蘭法的盛衰。18世紀中葉，英、法爆發(fā)了七年戰(zhàn)爭(1756～1763)，當時依賴于西班牙植物堿的來源斷絕。1775年法國科學院懸賞巨金，征求可供實用的制堿方法。呂布蘭提出以普通食鹽為原料，用硫酸處理得芒硝及鹽酸，芒硝再與石灰石、煤粉配合入爐煅燒生成純堿的方法。1783年，法國科學院同意授予呂布蘭獎金，但終未頒發(fā)。1791年，呂布蘭獲得專利權，同年由奧爾良公爵籌集巨款，在巴黎附近的圣但尼建立第一個呂布蘭法堿廠。1823年英國取消鹽稅，引進呂布蘭法，在利物浦建成純堿工廠投入生產(chǎn)。從此，英國制堿工業(yè)突飛猛進，遠遠領先于法國。1825～1880年間是呂布蘭法制堿的極盛時期。它帶動了硫酸、鹽酸、漂白粉、芒硝以及硫磺等一系列化工產(chǎn)品的生產(chǎn);對于化工裝置,如氣體洗滌器、旋轉(zhuǎn)爐、機械烤爐、開口式特蘭鍋和香克式浸溶裝置等的出現(xiàn)，也起了很大的促進作用。呂布蘭法是化學工業(yè)興起的重要里程碑。但其產(chǎn)品純度低，生產(chǎn)成本高,勞動效率低,生產(chǎn)過程均固相操作，難以連續(xù)作業(yè)，加之回收的鹽酸腐蝕性強，必須外銷或另作處理。這些缺點促使探索新的制堿方法。索爾維法的崛起和演變。1861年，E.索爾維在煤氣廠從事稀氨水的濃縮工作時，在用鹽水吸收氨和二氧化碳的試驗中得到碳酸氫鈉。同年，他獲得了用食鹽、氨和二氧化碳制取碳酸鈉的工業(yè)生產(chǎn)方法的專利。此生產(chǎn)方法被稱為索爾維法,又稱氨堿法。1863年,E.索爾維與兄弟A.索爾維籌集資金，組建至今依然存在的索爾維公司,并在比利時庫耶建立純堿廠，1865年1月投產(chǎn)，1872年產(chǎn)量達到日產(chǎn)10t。1873年索爾維公司所產(chǎn)純堿在維也納國際博覽會上獲得了質(zhì)量純凈榮譽獎，從此索爾維法為世人所公認。1872年在法國南錫附近的棟巴勒另建一廠,現(xiàn)在年生產(chǎn)規(guī)模已達600kt。1874年英國在諾斯威奇附近的威靈頓1881年美國在紐約州的錫拉丘茲1883年俄國盧比莫夫索爾維公司在別列茲尼基相繼建立堿廠。中國實業(yè)家于1917年籌辦永利制堿公司，1920年在天津塘沽興建永利堿廠（見圖1-1）,1924年8月開工生產(chǎn)。圖1-1天津塘沽永利堿廠永利制堿公司20世紀20年代在塘沽興建的中國第一座純堿廠，1926年8月紅三角牌純堿獲得萬國博覽會(美國費城)金質(zhì)獎章。索爾維法生產(chǎn)純堿所用原料易得,成本低廉，產(chǎn)品純凈，而且是以液相和氣相作業(yè)過程為主，適于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，因而使當時每噸純堿價格由13英鎊降到4英鎊多,并逐步取代了呂布蘭法。但索爾維法仍有不少缺點，如鹽利用率低（以鈉計最多為75％）；每產(chǎn)1t堿，排放9～10m廢渣、廢液，淤塞港灣,污染環(huán)境。因此，索爾維法不斷演變，在德國、中國和日本出現(xiàn)了多種改進的方法：侯氏制堿法1937年日本進一步入侵中國。位于塘沽的永利堿廠被迫遷至四川五通橋。當時鹽價昂貴，牛華溪一帶地下黃鹵濃度過淡，不符合索爾維法要求，加之在該地區(qū)排放廢液亦有困難，必須予以改進。該廠在侯德榜博士主持下，從事改進索爾維法的研究。幾年后，獲得成功。1941年3月15日永利公司總經(jīng)理范旭東集會宣布，決定將新法命名為侯氏堿法。1943年12日侯氏制堿法在中國化學學會第十一屆年會上公布，現(xiàn)稱聯(lián)合制堿法。侯氏制堿法的突出特點,在于使工藝過程連續(xù)化,從而規(guī)模得到擴大；其次,此法不從固體碳酸氫銨開始,而是用鹽鹵先吸氨后碳酸化進行連續(xù)生產(chǎn)。由于該法不需中間鹽作輔助劑，成本可以降低。1952年，中國在大連化工廠建立了日產(chǎn)10t的聯(lián)合制堿中試車間,1957年加以改進，通過實驗確定了一次加鹽、二次吸氨、一次碳化的工藝流程，并對設備選型、操作指標加以肯定。1964年，大型聯(lián)合制堿裝置在大連化學工業(yè)公司建成投產(chǎn)。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（見圖1-2）,除對原有廠進行擴建、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?。a(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44.6％，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，為使純堿的供應能滿足需要，已確定了建設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。1.2.2純堿工業(yè)世界分布及發(fā)展方向①東歐：產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的三分之一，年總生產(chǎn)能力約11～12Mt。以蘇聯(lián)產(chǎn)量最大，占東歐總產(chǎn)量的一半，是世界第二大純堿生產(chǎn)國。保加利亞、羅馬尼亞和波蘭近年來純堿工業(yè)發(fā)展很快。東歐是純堿輸出地區(qū)，羅馬尼亞約三分之一以上的產(chǎn)品供出口，是世界純堿出口的第三大國。東歐制堿原料主要為地下巖鹽，制堿方法多為索爾維法，僅蘇聯(lián)少量采用天然霞石煉鋁聯(lián)產(chǎn)純堿。②西歐：產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的五分之一以上，年總生產(chǎn)能力約7～8Mt，約90％的能力為歐洲經(jīng)濟共同體成員國所有。西歐制堿原料主要為地下優(yōu)質(zhì)巖鹽。西歐的純堿工業(yè)主要由索爾維公司和\o"卜內(nèi)門化學工業(yè)公司"卜內(nèi)門化學工業(yè)公司所控制。前者現(xiàn)有年生產(chǎn)能力約4.5Mt,后者則約1.8Mt。制堿方法幾乎都為索爾維法。③北美洲:產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的四分之一以上，年總生產(chǎn)能力約12Mt。主要生產(chǎn)國是美國。美國純堿產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的四分之一,居世界第一位,也是純堿最大輸出國之一。近年來約有產(chǎn)量的7％～10％的產(chǎn)品出口,幾乎占資本主義國家純堿出口量的一半。美國制堿原料為天然堿。④中國和亞洲：亞洲產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的八分之一，年總生產(chǎn)能力約4Mt以上。主要生產(chǎn)國是中國、日本和印度。亞洲制堿原料多采用海鹽(日本的原料鹽基本上依賴進口)，純堿生產(chǎn)采用索爾維法和侯氏制堿法。亞洲是純堿不足的地區(qū)之一。中國純堿工業(yè)近十年發(fā)展迅速。1985年產(chǎn)量達圖1-2中國歷年純堿產(chǎn)量變化到2Mt，居世界第三位。主要分布在東部沿海地區(qū)，其中渤海灣和山東半島的純堿產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的四分之三。⑤其他地區(qū)：拉丁美洲的墨西哥、巴西、智利等國也有純堿生產(chǎn)，但產(chǎn)量較低。非洲、大洋洲等地有卜內(nèi)門化學工業(yè)公司建的天然堿加工廠和索爾維法制堿廠。純堿工業(yè)的發(fā)展，索爾維法仍占主導地位，并將持續(xù)下去，生產(chǎn)中正在研究無廢物流程或回收有用廢物、節(jié)約能源和降低成本的改進方法。聯(lián)邦德國用叔胺和極性有機溶劑加入氯化鈉溶液中，然后通入二氧化碳進行碳化,生成碳酸氫鈉結(jié)晶,母液通過加熱從有機相中分離出氯化氫，有機胺及有機溶劑循環(huán)使用。蘇聯(lián)利用部分母液蒸發(fā)結(jié)晶（熱法）生產(chǎn)氯化銨，同時副產(chǎn)食鹽，另部分母液蒸餾回收氨，廢液氯化鈣通過濃縮成為固體氯化鈣，用作防凍劑和防塵劑等。美國天然堿生產(chǎn)的純堿成本低，仍將牢固地占據(jù)世界純堿生產(chǎn)的重要地位,水溶法開采天然堿的研究獲得成功后,天然堿生產(chǎn)費用將進一步降低。中國一方面將建設大型堿廠，并對老廠進行技術改造；另一方面將重視綜合利用，擴大索爾維法生產(chǎn)中伴生的氯化鈣的應用范圍，利用侯氏制堿法中聯(lián)產(chǎn)的氯化銨進行\(zhòng)o"復合肥料"復合肥料生產(chǎn)。此外，將生產(chǎn)重質(zhì)純堿及食品純堿和其他特種堿類產(chǎn)品，以改變純堿產(chǎn)品單一的局面，滿足市場需要。第二章純堿的主要工藝及優(yōu)缺點2.1純堿的生產(chǎn)工藝2.1.1純堿的工藝簡述純堿的生產(chǎn)方法主要有兩種：索爾維制堿法與侯式制堿法（也叫氨堿法與聯(lián)堿法）氨堿法（又稱索爾維法）它是比利時工程師索爾維（1838～1922）于1892年發(fā)明的純堿制法。它以食鹽（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。其化學反應原理是將經(jīng)過濾、洗滌得到的微小晶體，再加熱煅燒制得純堿產(chǎn)品，放出的二氧化碳氣體可回收循環(huán)使用。。含有氯化銨的濾液與石灰乳混合加熱，所放出的氨氣可回收循環(huán)使用。，。聯(lián)合制堿法（又稱侯式制堿法）它是我國化學工程專家侯德榜（1890～1974）于1943年創(chuàng)立的。是將氨堿法和合成氨法兩種工藝聯(lián)合起來，同時生產(chǎn)純堿和氯化銨兩種產(chǎn)品的方法。原料是食鹽、氨和二氧化碳——合成氨廠用水煤氣制取氫氣時的廢氣。其化學反應原理是：,。聯(lián)合制堿法包括兩個過程：第一個過程與氨堿法相同，將氨通入飽和食鹽水而成氨鹽水，再通入二氧化碳生成碳酸氫鈉沉淀，經(jīng)過濾、洗滌得NaHCO3微小晶體，再煅燒制得純堿產(chǎn)品，其濾液是含有氯化銨和氯化鈉的溶液。第二個過程是從含有氯化銨和氯化鈉的濾液中結(jié)晶沉淀出氯化銨晶體。由于氯化銨在常溫下的溶解度比氯化鈉要大，低溫時的溶解度則比氯化鈉小，而且氯化銨在氯化鈉的濃溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。所以在低溫條件下，向濾液中加入細粉狀的氯化鈉，并通入氨氣，可以使氯化銨單獨結(jié)晶沉淀析出，經(jīng)過濾、洗滌和干燥即得氯化銨產(chǎn)品。此時濾出氯化銨沉淀后所得的濾液，已基本上被氯化鈉飽和，可回收循環(huán)使用。2.2純堿生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點氨堿法的優(yōu)缺點：原料（食鹽和石灰石）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和石灰石成分里的碳酸根離子結(jié)合成了碳酸鈉，可是食鹽的另一成分氯離子和石灰石的另一成分鈣離子卻結(jié)合成了沒有多大用途的氯化鈣，因此如何處理氯化鈣成為一個很大的負擔。氨堿法的最大缺點還在于原料食鹽的利用率只有72％～74％，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。聯(lián)合制堿法的優(yōu)缺點：其最大的優(yōu)點是使食鹽的利用率提高到96％以上，應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。通過對以上兩種制堿方法的比較，本論文擬采用氨堿法生產(chǎn)純堿。第三章氨堿法生產(chǎn)純堿的工藝流程和主要設備3.1氨堿法生產(chǎn)純堿工藝流程及圖示3.1.1氨堿法生產(chǎn)純堿的工藝流程氨堿法制堿的總工藝流程見圖3-1，從圖中可以看出生產(chǎn)過程中各工序間的相互關系。圖3-1氨堿法制純堿工藝總流程3.1.2氨堿法生產(chǎn)純堿工藝圖示介紹關于氨堿法生產(chǎn)過程中的物系組成變化，如三棱柱體圖3-2）所示。圖3-2氨堿法生產(chǎn)過程圖示圖中三角坐標分別表示OH，HCO和CI三種離子，第四垂直坐標下端為Na,上端為NH,所以三棱柱的六個角分別代表：NaCl,NaHCO,NaOH,NHCl,NHHCO和NHOH。圖中未涉及水，都是以干基表示的，圖中各點意義如下：A—精制鹽水（粗鹽水經(jīng)精制后會出現(xiàn)少量NHCl）B—蒸氨塔來氣（含有氨和二氧化碳，相當于20%重碳酸化）C—氨鹽水 E—預碳化塔（或稱清洗塔，中和塔）來的預碳化氨鹽水，約30%的重碳酸化K—制堿塔出來的晶漿，約95%重碳酸化M—預熱段頂出氣（約80%重碳酸化，但不包括石灰蒸餾段所蒸出的氣）L—由蒸氨預熱段流入預灰桶的液體（僅含固定氨）N—重堿P—濾液R—煅燒后卸出輕質(zhì)純堿（含微量NaCl）精制鹽水由于除了鈣鎂而出現(xiàn)微量結(jié)合氨，所以代表原始液的點不能位于NaCI頂點，而位于NaCI和NH4CI邊上的A點處。此鹽水吸收了來自蒸氨塔頂?shù)臍怏w（以B點表示），用直線連接AB則代表氨化過程路徑，最后進行到C點，即氨鹽水的組成點，其中氨鹽比為1.11：1。氨鹽水經(jīng)澄清冷卻送入清洗塔，經(jīng)預碳酸化而得含有約30%重碳酸鹽的溶液，以點E示出；E為KC與AD的交點（D為30%重碳酸化點）。這預碳化液再送入制堿塔中，使之碳化到盡可能高的重碳酸化程度，這一碳酸化過程線并非與NH4HCO3—NaOH線完全平行，而是稍向下傾斜。這是因為在碳酸化過程中液相中少量NH3隨惰性氣體解吸吹出塔頂而損失。重堿的沉淀是在塔中逐漸析出的，實際上，在95%左右的重碳酸化時已達最高點，這一點即為塔底與濃二氧化碳反應所得取出晶漿，這一點K位于碳化過程線KC與AH（H位95%重碳酸化點）的交點。相當于K點的晶漿，經(jīng)過濾分為濾液P和重堿N；對于過濾后所得的重堿一克分子中，由于含有0.05克分子的NH4HCO3，所以KN線并不通過NaHCO3頂點，而是附近N點；煅燒時因NaHCO3分解而達到Q點，繼續(xù)分解而得到純堿R，此點R應與NaHCO3-NaOH邊線的中心點Na2CO3相重合，但由于煅燒重堿晶體表面附有微量母液，會由微量NaCl出現(xiàn)于產(chǎn)品純堿中，故QR線并非沿著NaHCO3-NaOH邊線到其中點。P點代表濾液，濾液線到蒸氨塔預熱段頂而后往下流動不斷分解，得出高于80%重碳酸化的氨氣M（不包括蒸出結(jié)合氨重的NH）及流出預熱段的溶液L，L液含有約72%的結(jié)合氨流入預灰桶石灰蒸餾段，這里蒸出的NH3液通過預熱段并與預熱段蒸出氣M混合后成為相當于上述B點的蒸氨來氣用于制氨鹽水，而蒸氨塔底最后流出含有CaCl的廢液排出。3.2蒸氨過程的主要設備及化學反應3.2.1蒸氨過程的主要設備蒸氨過程的的主要設備有蒸氨塔，它包括母液預熱器、預熱段和石灰蒸餾段。母液預熱器和氣體冷凝器兩部分的作用是回收熱量和降低氨氣中的水分。它們由7—10個臥式水箱組成，管外走熱氣，管內(nèi)走母液或冷卻水。冷母液在母液預熱器中與蒸出的熱氣體間壁換熱，使其溫度由25—32℃升高到70℃左右，而后進入預熱段。同時，熱氣體由88—90℃降到65—67℃后進入氣體冷凝器，其中大部分水汽經(jīng)冷凝后進入吸氨塔。位于塔的中部，也可稱為加熱器，一般采用各種填料或設置經(jīng)預熱段后，因母液中的結(jié)合氨在加熱時不能分解，所以先將母液從塔中引入預灰桶與石灰乳混合。預灰桶上裝有攪拌器，使母液與石灰乳混合均勻。此時，大部分結(jié)合氨即轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氨，再進如塔中的石灰乳蒸餾段進行蒸餾，石灰乳蒸餾段位于塔的下部，內(nèi)設有十多個單菌帽形泡罩板。預灰桶出來的含石灰乳的母液加入該段的上部，與塔底蒸汽流接觸。通過這段蒸餾后，99%的氨已被蒸出，含微量氨的廢液由塔底排出。蒸餾塔的所需熱量誰由塔底進入的低壓蒸汽供給的，每生產(chǎn)1t純堿約需耗用蒸汽1.5—2.0t。近年塔內(nèi)采用聚丙烯玻璃纖維增強的鮑爾環(huán)，優(yōu)點是質(zhì)輕易裝卸破碎率低。3.2.2蒸氨過程中的主要化學反應母液是含有多種化合物的溶液，蒸氨過程中所發(fā)生的主要化學反應如下：1.預熱段中的反應溶解于過濾母液中的和發(fā)生如下反應：2.在調(diào)和槽及石灰乳蒸餾段中的反應3.3蒸氨塔理論塔板數(shù)的確定3.3.1石灰乳蒸餾段與預灰桶的理論塔板數(shù)石灰蒸餾段中料液可近似按NH—HO系統(tǒng)處理，在確定此二組分蒸餾過程中的設備時，其理論塔板數(shù)可利用簡單圖解法進行計算。但要注意計算是在下述假設條件下進行的，即沒有熱損失，同時在設備整個高度方向上的壓力變化不大，可取平均值使用。其平衡曲線可由圖3-3或圖3-4求出。圖3-3氨—水系統(tǒng)溫度與組成曲線圖3-4蒸餾段塔板x-y圖計算如當液相濃度x<0.5%（重量）時，完全可用亨利定律關系y=Kx計算，此處K=14.5（若x值以tt計，可用y=1.3x），其操作線應為y=(x-x),式中x為已知的塔下部廢液中的氨含量，L,G分別為液、氣的重量流速。操作線的端點液相（具有濃度x）是由預灰桶流出來的液體。而預灰桶中的氨的蒸出，也可在圖中繪出操作線，它通過點（x,0）和點（x,y），此處x表示進預灰桶的液體的氨濃度，而y為與進入石灰蒸餾段液相所平衡的氣相濃度，如圖中0點，預灰桶的操作線為BC線，而蒸餾段操作線為AB線（見圖3-4）。3.3.2預熱段理論塔板數(shù)圖3-5所表示的是當把預熱段示為三元系統(tǒng)時，在一大氣壓下蒸餾過程中用圖解法確定理論塔板數(shù)和該塔各段成分的示例，其繪制法如下：作一氣相成分y-z等腰直角三角形，根據(jù)圖3-6作出x=常數(shù)，u=常數(shù)的濃度線網(wǎng)，然后在邊上接上兩個正方形，以表示系統(tǒng)的個別組成相圖。在y-x坐標內(nèi)為NH的相圖，z-u坐標內(nèi)為CO2相圖，既已知L,G為定值，并知進塔液中x、u及塔底廢液損失x及u,則塔頂蒸出氣組成應為：根據(jù)這些數(shù)據(jù)在正方形兩象限中分別作出操作線AB和AB,以表示塔的任何斷面上氣液兩相的關系，此兩直線方程（操作線）為：圖3-5三組分蒸餾圖解計算由此可以確定，在已知出塔液成分（x、u）和進塔氣中濃度（y）情況下所必需的理論塔板數(shù)（m）。必須指出，為了使用“理論板“法來計算三元混合物的蒸餾過程，曲線y=f(x)和z=f(u)應接近于直線。3.4氨鹽水的碳酸化過程及碳化塔3.4.1氨鹽水碳酸化過程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。這些單元過程互相聯(lián)系且互相制約。碳酸化的基本反應可以用下列方程式概括：碳酸化的目的在于獲得產(chǎn)率高、質(zhì)量好的碳酸氫鈉結(jié)晶，以便過濾、煅燒得到成品。結(jié)晶的產(chǎn)率高，標志著氯化鈉和氨的利用率高，從而使產(chǎn)品成本降低。結(jié)晶質(zhì)量好即顆粒大而均勻，便于和母液分離，可相應減少洗水用量，從而可以獲得純度較高的純堿成品和降低蒸氨負荷。碳酸化的典型流程如圖3-6所示。將氨鹽水注入清洗塔（又稱預碳化塔和中和塔）中，鼓入窯氣，溶解塔中的疤垢并初步提高碳化度后再送入制堿塔，窯氣和煅燒重堿所得的爐氣經(jīng)壓縮機（往復式或離心式）升壓后送入塔內(nèi)。出塔晶漿靠液位而自壓到堿液槽，送往過濾工序。制堿塔生產(chǎn)一段后，塔內(nèi)結(jié)疤垢較厚、傳熱不良、不利析晶，而清洗塔則已清洗完畢，此時可相互倒換使用，兩塔尾氣中含有少量的氨及二氧化碳，經(jīng)氣液分離后母液送往鹽水車間供精制鹽水用。在實際生產(chǎn)過程中，常由塔數(shù)組成一組，其中一塔清洗，其它塔制堿。圖3-6碳酸化示意流程圖1— 氨鹽水泵；2—清洗氣壓縮機；3—中段氣壓縮機；4—下段氣壓縮機；5—分離器；6a、6b—碳化塔；7—中段氣冷卻塔；8—下段氣冷卻塔；9—氣升輸鹵器；10—尾氣分離器；11—堿液槽3.4.2碳化塔設備碳化塔是氨堿法制純堿的主要設備之一，如圖3-7所示。它是由許多鑄鐵塔圈組裝而成，結(jié)構(gòu)上大致可分為上、下兩部分：上部為二氧化碳吸收段，每圈之間裝有笠帽形板及略向下傾的漏液板，板及笠帽邊緣都有分散氣泡的牙齒以增加氣液接觸面積，促進吸收。塔的下部有十個左右的冷卻水箱（其水箱數(shù)視水溫和生產(chǎn)強度而定），用以冷卻碳化液以析出結(jié)晶，水箱中間也設有笠帽。碳化塔的底部有晶漿取出口和濃CO氣（下段氣）入口，冷卻段中部又有稀CO氣（中段氣）入口（此為兩段進氣）。塔頂有進液口及尾氣出口，塔高約22～25m，目的是為保持一定的液柱和停留時間。液柱過高也無必要，因為靜壓過高會造成壓縮機功率浪費，而出塔晶漿的碳化度也不會增加多少。圖3-7碳化塔碳化塔直徑一般為1.98～3.2m，目前有向大型化發(fā)展的趨勢。通常塔徑可按下式估算。D=〔〕冷卻水箱的前后花板上設有隔板，可使冷卻水走向成為“之”字或“田”字等，以利于傳熱。冷卻水箱多采用鑄鐵制作，傳熱系數(shù)初期為186～233W/m·K。后期降到105～140W/m·K左右。一般經(jīng)驗認為，日產(chǎn)/t純堿需冷卻面積6～8m。我國各純堿廠仍以傳統(tǒng)塔型設備為主，其主要性能列于表3-1。表3-1不同尺寸碳化塔結(jié)構(gòu)及主要工藝性能表塔徑，mm12001600198025003200塔高，mm2254218200250692511726650笠帽（上段）16162121—個數(shù)（上段）00111029塔閥高度，mm600450375.606420540.800隔板開孔率，%11.39.559.08.49.8上蓋開孔率，%33.723.433.531.5—水箱數(shù)，個101011912冷卻面積，m2128200內(nèi)459外588內(nèi)737外9121921操作壓力，Mpa0.40.3生產(chǎn)能力，t/d2135.674322220—240空塔氣速，m/0.03550.038———生產(chǎn)強度t/m3·0.830.5540.7160.98～1.151.22～1.33由于水箱笠帽式碳化塔存在表面結(jié)疤、生產(chǎn)周期短、結(jié)構(gòu)復雜、建設投資大等缺點，我國開發(fā)的自然循環(huán)外冷式碳化塔已于1985年開展了大規(guī)模的實驗。該塔如圖3-8所示，上段直徑2.5m、下段直徑2.8m，高26.5m。外部冷卻器兩臺，直徑1.3m、高7.4m。塔上部為篩板和泡罩，中部和下部有多個中心循環(huán)管，塔內(nèi)懸浮液經(jīng)循環(huán)口j排出，冷卻后液體由循環(huán)口m返回塔內(nèi)，而從出堿口a取出。圖3-8自然循環(huán)外冷式碳化塔a—出堿口；b—下段氣入口；c—中段氣入口；d—氨母液Ⅱ入口；e—尾氣出口；j—外循環(huán)出口；m—外循環(huán)入口第四章氨鹽水碳酸化系統(tǒng)的物料及熱量衡算4.1碳酸化系統(tǒng)中的物料衡算4.1.1典型溶液的組分歸納鹽水吸氨成為氨水（）.預碳化液雖然部分增添了CO,但碳化度R未達到100，故部分仍以形態(tài)存在?？蓺w納為。其后，在碳化塔中的全部消耗完，出現(xiàn)碳酸氫鹽（重碳酸鹽）與碳酸鹽并存，而碳酸氫鹽又部分沉出為重堿，同時出現(xiàn)氨,故歸納為。這種分析路線雖非反應機理，但對系統(tǒng)做物料、熱量衡算時是合用的?，F(xiàn)舉例計算如下：表4-1物料衡算的基本數(shù)據(jù)密度（kg/m）溫度（℃）熱容（KJ/kg·K）氨鹽水89.824.1100.801175.00353.266取出清液97.541.125.071.5—303.266進入系統(tǒng)氣體：（爐氣與窯氣）平均溫度30℃，壓力為0.4Mpa，含CO為57%。排出系統(tǒng)氣體：平均溫度42℃，壓力為0.25Mpa。CO再碳化系統(tǒng)的吸收率為93%。4.1.2物料衡算計算基準：取10000kg產(chǎn)品為基準，考慮各種損失在內(nèi)，按10500kgNaCO計。計算：1.氨鹽水摩爾體積=60.168m取出清液摩爾體積60.168=55.416m2.氨鹽水組成3.取出清液組成4.沉出的重堿結(jié)晶量5.按化學反應式計算反應物量及生成物量由量計算得：11589.615650.91059916641.5由參加反應的計算得：（3480.1-1183.7）1052.5430.63779.5求及參加反應量：6820.88574.8(15650.9-3524.2-3779.5)=15395.6剩余的為氣相所分解帶走（即氨的揮發(fā)量）為：(8076-6820.8)609.7645.56.進氣的計算系統(tǒng)吸收量：由吸收率93%可知鼓入總為進氣總量為其中為惰氣（按計）為：9245.7-97.3-5270.1=3878.3Nm4847.9kg7.出氣的計算：惰氣含量10351.9-9627.3=724.6kg368.9Nm含量609.7kg803.3Nm干氣總量3878.3+368.9+803.3=5050.6Nm含量以上計算可得出氨鹽水碳化系統(tǒng)物料衡算見表4-2。表4-2氨鹽水碳化系統(tǒng)的物料衡算表組分收入支出氨鹽水進氣參加反應反應生成共計取出清液沉淀尾氣共計1580411589.64214.44214.44212.416641.516641.516641.516641.5807680763480.12296.41183.71183.71183.715650.919175.13524.23524.23524.21059910599105991059943337.2430.6汽化58.7645.543493.443493.443493.478.258.7136.9136.9136.910351.99627.3724.6724.6724.6609.7609.7609.7609.7惰氣4847.94847.94847.94847.9總計70687.31527847729.547729.585975.363014.716641.56319.185975.34.3熱量衡算計算基準：對所用化合物以0℃為基準溫度，水為液態(tài)。1.反映熱計算（按25℃計算）氨解吸量為60.97kg∴Q=反應量為682.08kg∴Q=反應量為229.6kg∴ Q=反應量為1158.96kg∴Q=總反應熱：Q=近年來人們深感能源緊張，而在使用中卻浪費不少，其原因是由于對過程沒有認真分析，對能量只停留在數(shù)量上加以理解與使用，未有更多地對其品味及做功率進行探求。在這方面合成氨等工業(yè)早已注意，并從能耗上進行了分析，已經(jīng)在工藝上乃至設備選用上得到改進。第五章氨堿法制堿廠的排污與三廢處理5.1氨堿法純堿生產(chǎn)的排污系統(tǒng)5.1.1氨堿法純堿生產(chǎn)廠的排污因工廠所在位置不同而各異，一般說，沿海的工廠多采用把蒸餾廢液排放入海，事先要靜置沉去固體，此