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1、职业技术学院 毕 业 设 计（论 文）(冶金化工系)题 目 年产30万吨氨碱法制纯碱碳化工段的工艺设计 专 业 应用化工技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2010年6月28日2010年10月8日 目 录摘要1第一章 概述21.1 纯碱的性质和用途21.1.1 纯碱的物理性质21.1.2 纯碱的化学性质21.1.3 纯碱的用途31.2 纯碱的生产方法31.2.1 侯氏制碱法（又称联合制碱法）31.2.2 氨碱法制纯碱（又称苏尔维法）41.2.3 天然碱加工法51.3 联合制碱法与氨碱法比较51.4 纯碱的发展前景与展望5第二章 氨碱法制纯碱82.1 氨碱法制纯碱的原料82.2 氨
2、碱法制纯碱的原理92.3 氨碱法制纯碱的工艺流程102.3.1 石灰石的煅烧与石灰乳的制备102.3.2 氨盐水的制备112.3.3 氨盐水的碳酸化112.3.4 重碱的过滤与煅烧13第三章 氨碱法碳化工段物料及热量衡算143.1 物料衡算143.2 热量衡算18第四章 碳化工段的工艺条件与主要设备214.1 工艺条件的选择214.1.1 碳化度214.1.2 原始氨盐水溶液的适宜组成214.1.3 碳化温度214.2 主要设备224.2.1 碳酸化塔224.2.2 二氧化碳压缩机23致 谢25参考文献26- 26 -摘 要氨碱法制纯碱的一个重要工序是氨盐水的碳酸化，它同时具有吸收、结晶和传热
3、等单元过程。这些单元过程相互联系相互制约。碳酸化的目的在于获得产率高，标志着氯化钠和氨的利用率高，从而使产品成本降低。本设计介绍了纯碱的性质、用途、生产方法和氨碱法制纯碱的工艺流程。重点介绍了碳化工段的工艺流程和物料及热量的衡算。关键词：纯碱；工艺流程；碳化 第一章 概述1.1纯碱的性质和用途1.1.1纯碱的物理性质纯碱外观为白色粉末或细粒结晶，味涩。相对密度(25) 2.532。熔点851。比热容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碳酸钠（0时为7.0g，100为45.5g）。微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。其水溶液水解呈碱性，有一定的腐
4、蚀性，能与酸进行中和反应，生成相应的盐并放出二氧化碳。高温下可分解，生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳生成碳酸氢钠，并结成硬块。纯碱是碳酸钠（Na2CO3)的俗名，又称为苏打，是白色粉末虽然碳酸钠俗称纯碱，但它其实属于盐类物质，因其水溶液显弱碱性而称纯碱。其晶体含结晶水，化学式Na2CO310H2O。在空气里碳酸钠晶体很容易失去结晶水，并渐渐碎裂成粉末。失水以后的碳酸钠叫做无水碳酸钠。纯碱就是碳酸钠，最重要的化工工业原材料之一，广泛地应用于玻璃、化工工业（烧碱、硝酸钠、清洁剂、软化硬水）、石化、冶金等行业，同时也应用在造纸、肥皂、纺织、印染、皮革、食品、医药、胶
5、卷、轻工等行业。1.1.2 纯碱的化学性质(1) 稳定性 高温下可分解，生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳，生成碳酸氢钠，并结成硬块。吸湿性很强 ，很容易结成硬块，在高温下也不分解。含有结晶水3种：Na2CO3H2O、Na2CO37H2O 和 Na2CO310H2O。(2) 溶解性易溶于水，微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。碳酸钠易溶于水，是一种弱酸盐，溶于水后发生水解反应，使溶液显碱性，有一定的腐蚀性，能与酸进行中和反应，生成相应的盐并放出二氧化碳。(3) 化学反应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：Na2CO3十2HCl2NaCl
6、十H2O十CO2在高温下，纯碱可分解为氧化钠和二氧化碳，反应为下：Na2CO3Na2O十CO2，另外，无水碳酸钠长期暴露于空气中能缓慢地吸收空气中的水分和二氧化碳，生成碳酸氢钠。Na2CO3十H2O十CO2 2NaHCO3。1.1.3 纯碱的用途纯碱（学名碳酸钠）实际上是个盐，由于它在水中发生水解作用而使溶液呈碱性，纯碱易溶于水，呈强碱性，都能提供Na+离子。这些性质使它们被广泛地用于制肥皂、纺织、印染、漂白、造纸、精制石油、冶金及其他化学工业等各部门中。普通肥皂是高级脂肪酸的钠盐，一般是用油脂在略为过量的烧碱作用下进行皂化而制得的。印染、纺织工业上，也要用大量碱液去除棉纱、羊毛等上面的油脂。
7、生产人造纤维也需要纯碱。精制石油也要用纯碱。为了除去石油馏分中的胶质，一般在石油馏分中加浓硫酸以使胶质成为酸渣而析出。经过酸洗后，石油里还含有酚、环烷酸等酸性杂质以及多余的硫酸，必须用纯碱溶液洗涤，再经水洗，才能得到精制的石油产品。在造纸工业中，首先要用化学方法处理，将含有纤维素的原料（如木材）与化学药剂蒸煮制成纸浆。所谓碱法制浆就是用纯碱溶液作为蒸煮液来除去原料中的木质素、碳水化合物和树脂等，并中和其中的有机酸，这样就把纤维素分离出来。在冶金工业中，往往要把矿石中的有效成分转变成可溶性的钠盐，以便除去其中不溶性的杂质，因此，常需要加入纯碱（它又是助熔剂），有时也用烧碱。例如，在铝的冶炼过程中
8、，所用的冰晶石的制备和铝土矿的处理，都要用到纯碱。又如冶炼钨时，也是首先将精矿和纯碱焙烧成可溶的钨酸钠后，再经酸析、脱水、还原等过程而制得粉末状钨的。在化学工业中，制金属钠、电解水都要用纯碱。许多无机盐的生产，特别是制备一些钠盐（如硼砂、硅酸钠、磷酸钠、重铬酸钠、亚硫酸钠等等）都要用到纯碱。合成染料、药物以及有机中间体等也要用到烧碱或纯碱。此外，纯碱还用于食品工业和日常生活中。1.2纯碱的生产方法1.2.1侯氏制碱法（又称联合制碱法）该法主要采用食盐、氨以及合成氨生产过程中所产生的二氧化碳气体为原料，同时生产纯碱和氯化铵肥料，将合成氨和纯碱两大生产系统联合，故简称“联合制碱”或“联碱”。它使盐
9、的利用率从原来的70%一下子提高到96%。此外，污染坏境的废物氯化钙成为对农作物有用的化肥氯化铵，还可以减少1/3设备，所以它的优越性大大超过了苏尔维制碱法，从而开创了世界制碱工业的新纪元。制碱的主要原料是食盐，也就是氯化钠，而四川的盐都是井盐，要用竹筒从很深很深的井底一桶桶吊出来。由于浓度稀，还要经过浓缩才能成为原料，这样食盐成本就高了。另外，苏尔维制碱法的致命缺点是食盐利用率不高，也就是说有30%的食盐要白白地浪费掉，这样成本就更高了，所以侯德榜决定不用苏尔维制碱法，而另辟新路。 他首先分析了苏尔维制碱法的缺点，发现主要在于原料中各有一半的比分没有利用上，只用了食盐中的钠和石灰中碳酸根，二
10、者结合才生成了纯碱。食盐中另一半的氯和石灰中的钙结合生成了氯化钙，这个产物都没有利用上。那么怎祥才能使另一半成分变废为宝呢？制碱用的氨和二氧化碳直接由氨厂提供，滤液中的氯化铵加入食盐水，让它沉淀出来。这氯化铵既可作为化工原料，又可以作为化肥，这样可以大大地提高食盐的利用率，还可以省去许多设备，例如石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等。于是他又带领技术人员，做起了实验。一直进行了500多次试验，还分析了2000多个样品，才把试验搞成功，使设想成为了现实。 1.2.2氨碱法制纯碱（又称苏尔维法）苏尔维法生产纯碱主要是采用食盐、石灰石、焦炭和氨为原料。氨碱法的生产过程主要分以下几步进行。(1) 二氧化碳和石灰乳
11、的制备 将石灰石于9401200在煅烧窑内分解得到氧化钙和CO2气体，氧化钙加水制成氢氧化钙乳液。 (2) 盐水的制备和精制 将原盐溶于水制得饱和食盐水溶液。由于盐水中含有赂Ca2+、Mg2+等杂质离子，它们影响后续工序的正常进行。所以盐水溶液必须精制。(3) 氨盐水的制备 精制后的盐水吸氨制备含氨的盐水溶液。(4) 氨盐水的碳酸化 是氨碱法的一个最重要工序，将氨盐水与CO2作用，生成碳酸氢钠和氯化铵，碳酸氢钠浓度过饱和后即结晶析出，从而与溶液分离。这一过程包括了吸收、气液相反应、结晶和传热等其总反应可表示为： NaCl十NH3十CO2十H2O NaHCO3十NH4Cl(5) 碳酸氢钠的煅烧
12、煅烧的目的是为了分解碳酸氢钠，以获得纯碱Na2CO3，同时回收近一半的CO2气体(其含量约为90)，供碳酸化使用。(6) 氨的回收 碳酸化后分离出来的母液中含有NH4Cl、NH4OH、（NH4）2CO3和NH4HCO3等，需要将氨回收循环使用。1.2.3 天然碱加工法天然碱加工法采用天然碱矿物为原料，来制取纯碱。天然碱是指含碱的天然矿石及湖水，如倍半碳酸钠（Na2CO3NaHCO3.2H2O），碱湖水，其成分为Na2CO3、NaHCO3、NaCl和Na2SO4等的混合物。与人工合成纯碱相比，天然碱的加工工艺流程简单、设备投资少、能耗低，其相对成本可减少40%左右，顾发展前景是非常美好的。1.3
13、 联合制碱法与氨碱法比较联合制碱最大的优点是使食盐的利用率提高到96以上，应用同量的食盐比氨碱法生产更多的纯碱。另外它综合利用了氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时，生产出两种可贵的产品纯碱和氯化铵。将氨厂的废气二氧化碳，转变为碱厂的主要原料来制取纯碱，这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；将碱厂的无用的成分氯离子（Cl）来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵。从而不再生成没有多大用处，又难于处理的氯化钙，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。氨碱法的优点是：原料（食盐和石灰石）便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可
14、以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。但氨碱法也有许多缺点：首先是两种原料的成分里都只利用了一半食盐成分里的钠离子（Na+）和石灰石成分里的碳酸根离子（CO32）结合成了碳酸钠，可是食盐的另一成分氯离子（Cl）和石灰石的另一成分钙离子（Ca2+）却结合成了没有多大用途的氯化钙（CaCl2），因此如何处理氯化钙成为一个很大的负担。氨碱法的最大缺点还在于原料食盐的利用率只有7274，其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废液被抛弃了，这是一个很大的损失。 1.4 纯碱的发展前景与展望纯碱工业始于18世纪末，随着工业的需要和制碱原料的改变，纯碱(Na2CO3)生产技术得到迅速发展，生产装置趋向大型化、机械化、自动化。1983年世界纯碱产量约30Mt。在纯碱工业史上，法国人N吕布兰，比利时人E索尔维，中国人侯德榜等，都作出了突出的贡献。 1.4.1 天然碱制碱法的发展主要有：早在1849年拓荒者在美国怀俄明州的甜水河就找到了碳酸氢钠，并用于洗涤和制药。1905年利用加利福尼亚州的瑟尔斯湖天然碱第一次试生产纯碱。1938年，美国山间燃料供应公司在怀俄明州格林河盆地勘探油、气时，发现富含碳酸钠的世界最大的天然碱矿藏。1976年，美国由天然碱生产的纯碱占总产量的70，1982年占总产量
