化工工艺学课件薛荣书、谭世语主编第4章纯碱和烧碱

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1、化工工艺学Chemicalengineeringtechnics化学工程与工艺专业第4章纯碱和烧碱Sodaandcausticsoda4.1纯碱4.2电解制烧碱和氯4.1纯碱Industryofmakingsoda4.1.1概述4.1.2氨碱法制纯碱4.1.3联合制碱法生产纯碱和氯化铵4.1.1概述纯碱和烧碱都是重要的轻工、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

2、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。4.1.2氨碱法制纯碱4.1.2.1氨碱法的生产原理1.主要化学反应NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3(s)+NH4Cl生成的碳酸氢钠煅烧分解后可得纯碱：2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+CO2+H2ONH3是要循环利用的，可由下列反应回收：NH4Cl+Ca(OH)2=2NH3+CaCl2+2H2O反应需要的CO2主要由煅烧石灰石得到，煅烧碳酸氢钠时也可回收一部分。2.氨碱法相图讨论氨盐水

3、碳酸化反应实质上是液固相反应，原则上可用液相平衡常数来确定平衡反应量。但由于体系复杂，液相活度系数计算困难，所以工业上往往利用实验得到的相图来确定生产条件，保证在给定工艺条件下得到所需的产品及质量。反应体系有5种物质：NaCl-NH4Cl-NH4HCO3-NaHCO3-H2O,有一个化学反应平衡常数方程，独立组分数为4。水是溶剂，所以可以将体系看成是除水外的其它4组分构成的。也可用Na+,Cl-,NH4+和HCO3-离子浓度表示。相律F=C-+2定压下，当只有需要的碳酸氢钠析出，没有其它盐类析出时自由度为：F=4-2+1=3。应用温度及

4、两个浓度变量来讨论。相图的组成必须用立体相图表示。工业上通常用四棱锥或四棱柱相图表示。15°C平衡数据如表。浓度/mol.kg-1Na+NH4+Cl-HCO3-Na+NH4+Cl-HCO3-14.623.738.170.1851.345.656.000.9923.394.527.650.3061.275.215.411.0732.195.457.130.5171.254.925.031.1241.446.286.790.9381.164.144.001.30立体相图虽然能全面表示体系平衡状况，但读数较麻烦，生产上通常使用其投影图即平面相图

5、来表示。带水的平面相图如下图左部，将水视为定数时相图如下图右边。由于生产中往往控制水量变化不大，所以经常应用的实际是干盐相图。干盐相图的读法座标：下横座标表示CNH4ClCNH4+左纵座标表示CNaHCO3CHCO3-然后由正离子浓度等于负离子浓度易得其它两种离子浓度。再由对应水图得出水含量与总盐量之比，然后就可计算出各种物质浓度。CCl-CHCO3-CNH4+CNa+原料配比和产品析出总组成在AC线上，只析出NaHCO3时，又必须在其饱和面上。所以在RS线内。RP1，P1N,P1M为饱和线。1区为NaHCO3析出区，2区为NH4HCO3

6、析出区，3区为NaCl,NH4Cl析出区。132图4.1原料利用率原料利用率Na利用率氨利用率从图中可看出，操作点在P1点时角最小，角较小，因此两种利用率都较高。利用P1点浓度数据可计算出UNa=(6.79-1.44)/6.79=78.8%UNH3=(6.28-0.93)/6.28=85.2%注意到只析出NaHCO3时P1点角最小，P1点钠利用率最高。若操作点向P2方向移动，钠利用率降低，氨利用率提高。因为实际生产中氨是循环利用的，所以应主要考虑钠利用率，操作点要尽量靠近P1点。氨盐比的影响氨盐比略大于1时，相点落在V点附近，只

7、有少量碳酸氢铵析出。钠利用率高，氨利用率降低，但后者可通过循环弥补，所以可取。氨量高，虽可提高钠利用率，但过高会影响NaHCO3产量。其关系如表4.2和图4.2。图4.2表4.2表4.2温度的影响温度升高，饱和线P1E向右移动，P1点向右上移动，钠利用率增大，但氨利用率降低。在生产条件下，一般为了得到碳酸氢钠，氨盐水浓度不变，碳酸化后降低温度可减少其溶解度，相应提高钠利用率。图4.34.1.2.2氨碱法的工业生产1.氨碱法的生产流程氨碱法生产流程如图4.4。主要分为石灰锻烧制CO2、盐水预处理、吸收制氨盐水、碳酸化、氨的回收、锻烧制纯碱等

8、系统。图4.4图4.4炉气(1)饱和盐水的制备和精制精制的目的是将粗盐中所含杂质如Ca盐和Mg盐等除去。因为在吸收氨和碳酸化过程中，可能生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀，使管道堵塞或影响产品质量。先加