年产30万吨氨碱法制纯碱碳化工段的工艺设计

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1、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 2020年6月28日 2020年10月8日目录摘要 1第一章 概述 2纯碱的性质和用途 2纯碱的物理性质 2纯碱的化学性质 2纯碱的用途 3纯碱的生产方式 3侯氏制碱法（又称联合制碱法） 3氨碱法制纯碱（又称苏尔维法） 4天然碱加工法 5联合制碱法与氨碱法比较 5纯碱的进展前景与展望 5第二章 氨碱法制纯碱 8氨碱法制纯碱的原料 8氨碱法制纯碱的原理 9氨碱法制纯碱的工艺流程 10石灰石的煅烧与石灰乳的制备 10氨盐水的制备 11氨盐水的碳酸化 11重碱的过滤与

2、煅烧 13第三章 氨碱法碳化工段物料及热量衡算 14物料衡算 14热量衡算 18第四章 碳化工段的工艺条件与要紧设备 21工艺条件的选择 21碳化度 21原始氨盐水溶液的适宜组成 21碳化温度 21要紧设备 22碳酸化塔 22二氧化碳紧缩机 23致 谢 25参考文献 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 热等单元进程。这些单元进程彼此联系彼此制约。碳酸化的目的在于取得产率高， 标志着氯化钠和氨的利用率高，从而使产品本钱降低。本设计介绍了纯碱的性质、 用途、生产方式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

3、艺流程；碳化第一章 概述纯碱的性质和用途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(25C)。熔点851C。比热 容(gC) (20C)。易溶于水，在C其溶解度最大，每100g水中可溶解碳酸钠(0C 时为，100C为)。微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。其水溶液水解呈碱性，有必然 的侵蚀性，能与酸进行中和反映，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 尽管碳酸钠俗称纯碱，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

4、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。纯碱确实是碳酸钠，最重 要的化工工业原材料之一，普遍地应用于玻璃、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、香皂、纺织、印染、皮革、 食物、医药、胶卷、轻工等行业。纯碱的化学性质稳固性高温下可分解，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。 溶解性易

5、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映，使溶液显碱性，有必然的侵蚀性，能与酸进行中和反映， 生成相应的盐并放出二氧化碳。(3)化学反映纯碱是一种强碱弱酸生成的盐，它的水溶液呈碱性，并能与强酸发生反映，如：Na2CO3 十 2HCl2NaCl 十 H2O 十 CO2在高温下，纯碱可分解为氧化钠和二氧化碳，反映为下:Na2CO3fNa2O十C02, 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 f 2NaHCO3。1. 纯碱的用途纯碱（学名碳酸钠）事实上是个盐，由于它在水中发

6、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。这些性质使它们被普遍地用于 制香皂、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。 一般香皂是高级脂肪酸的钠盐，一样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。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，一样在 石油馏分中加浓硫酸以使胶质成为酸渣而析出。通过酸洗后，石油里还含有酚、环 烷酸等酸性杂质和多余的硫酸，必需用纯碱溶液洗涤，再经水洗，才能取得精制的 石油产品。在造纸工业中，第一要用化学方式处置，将含有纤维

7、素的原料（如木材） 与化学药剂蒸煮制成纸浆。所谓碱法制浆确实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，如此就把纤维素分离出 来。在冶金工业中，往往要把矿石中的有效成份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 在铝的冶炼进程中，所用的冰晶石的制备和铝土矿的处置，都要用到纯碱。又如冶 炼钨时，也是第一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 进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，专门是制备一些钠盐（如硼砂、硅酸钠、磷酸钠、重铬酸钠

8、、亚硫酸钠 等等）都要用到纯碱。合成染料、药物和有机中间体等也要用到烧碱或纯碱。另外， 纯碱还用于食物工业和日常生活中。纯碱的生产方式1.2.1 侯氏制碱法（又称联合制碱法）该法要紧采纳食盐、氨和合成氨生产进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”。它使盐的利用率从原先的70%一下子提高到 96%。另外，污染坏境的废 物氯化钙成为对农作物有效的化肥氯化铵，还能够减少 1/3 设备，因此它的优 越性大大超过了苏尔维制碱法，从而开辟了世界制碱工业的新纪元。制碱的要紧原料是食盐，也确实是氯化钠，而四川的盐都是井盐，要用

9、竹筒从 很深很深的井底一桶桶吊出来。由于浓度稀，还要通过浓缩才能成为原料，如此食 盐本钱就高了。另外，苏尔维制碱法的致命缺点是食盐利用率不高，也确实是说有 30%的食盐要白白地浪费掉，如此本钱就更高了，因此侯德榜决定不用苏尔维制碱 法，而另辟新路。他第一分析了苏尔维制碱法的缺点，发觉要紧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，那个产物都没有利用上。那么怎祥才能使 另一半成份变废为宝呢？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，又能够作

10、为化肥，如此 能够大大地提高食盐的利用率，还能够省去许多设备，例如石灰窑、化灰桶、蒸氨 塔等。于是他又率领技术人员，做起了实验。一直进行了500 多次实验，还分析了 2000 多个样品，才把实验弄成功，使假想成了现实。1.2.2 氨碱法制纯碱(又称苏尔维法)苏尔维法生产纯碱主若是采纳食盐、石灰石、焦炭和氨为原料。氨碱法的生产 进程要紧分以下几步进行。(1) 二氧化碳和石灰乳的制备将石灰石于9401200C在煅烧窑内分解取得氧 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，它们阻碍后续工序

11、的正常进行。因此盐水溶液必需精制。(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。这一进 程包括了吸收、气液相反映、结晶和传热等其总反映可表示为：NaCl 十 NH3 十 CO2 十 H2O NaHCO3 十 NH4C1(5) 碳酸氢钠的煅烧 煅烧的目的是为了分解碳酸氢钠，以取得纯碱 Na2CO3， 同时回收近一半的CO2气体(其含量约为90%),供碳酸化利用。(6) 氨的回收 碳酸化后分离出来的母液中含有 NH4Cl、 NH4OH、(NH4

12、)2CO3 和NH4HCO3等，需要将氨回收循环利用。1.2.3 天然碱加工法天然碱加工法采纳天然碱矿物为原料，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（Na2CO3），碱湖水，其成份为Na2CO3、NaHCO3、NaCl 和 Na2SO4 等的混合物。与人工合成纯碱相较，天然碱的加工工艺流程简单、设备投资少、能耗低，其 相对本钱可减少 40%左右，顾进展前景是超级美好的。联合制碱法与氨碱法比较联合制碱最大的优势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， 生产出两种宝贵的产品纯碱和氯化铵。将氨

13、厂的废气二氧化碳，转变成碱厂的 要紧原料来制取纯碱，如此就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；将 碱厂的无用的成份氯离子（C1-）来代替价钱较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮 肥氯化铵。从而再也不生成没有多大用途，又难于处置的氯化钙，减少了对环境的 污染，而且大大降低了纯碱和氮肥的本钱，充分表现了大规模联合生产的优越性。氨碱法的优势是：原料（食盐和石灰石）廉价；产品纯碱的纯度高；副产品氨 和二氧化碳都能够回收循环利用；制造步骤简单，适合于大规模生产。但氨碱法也 有许多缺点：第一是两种原料的成份里都只利用了一半 食盐成份里的钠离子（Na+ ）和石灰石成份里的碳酸根离子（CO32-）结合成了

14、碳酸钠，可是食盐的另一 成份氯离子（Cl-）和石灰石的另一成份钙离子（Ca2+）却结合成了没有多大用途的 氯化钙（CaCl2），因此如何处置氯化钙成为一个专门大的负担。氨碱法的最大缺 点还在于原料食盐的利用率只有72%74%,其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废 液被抛弃了，这是一个专门大的损失。纯碱的进展前景与展望始于18世纪末，随着工业的需要和制碱原料的改变，（Na2CO3）生产技术 取得迅速进展，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，比利时人，中国人等，都作出了突出 的奉献。天然碱制碱法的进展要紧有：早在1849年拓荒者在美国怀俄

15、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，美国山间燃料供给公司在怀俄明州格林河盆地勘探油、气时，发觉富 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年占总产量的94%，年生产能力达。苏联自60年代以来,以霞石（含 有钠、钾、铝、硅氧化物的天然碱石）加工氧化铝同时副产纯碱、钾碱及水泥，实 现了工业化，使霞石原料取得综合利用，没有排废的问题。到 1975 年共成立了五 个霞石加工厂。中国纯碱工业的进展1949 年，仅在天津塘沽、大连有两家纯碱厂，总产量为 88kt。 50 年代，纯碱 工业有了专门大进展,除对原有厂进行扩建、改造外，从 1958 年起，前后兴修了四 川自贡、山东青岛、湖北应城三个中型纯碱厂和一批小型纯碱厂。 1985 年生产纯碱 2Mt （不包括台湾省），产量仅次于美、苏两国。生产方式主若是索尔维法和侯氏 制碱法， 1 9 84年以侯氏制碱法生产的纯碱占总量的% ，农用氯化铵产量居世界第一。 但此刻纯碱产量仍然不能知足国民经济进展需要，为使纯碱的供给能知足需要，已 确信了建设新厂的打算并与小型氨厂结合改建一些新的小型联合制碱法工厂。近十年来，我