4化工工艺学第四章纯碱和烧碱
化工工艺学4章
二、侯氏制碱法的流程图(联合制碱法）
侯氏制碱法的原理
1、合成氨工厂的反应： N2的制取：空气液化 H2、CO2的制取： C+H2O(g)→ H2+CO 、CO+H2O(g) → H2+CO2 高温 高温 NH3的合成： N2+3H2 → 2NH3 2、向已经氨化的饱和食盐水中通入二氧化碳 3、 加热碳酸氢钠，得到碳酸钠
§2 纯碱的用途
纯碱是一种大吨位化工原料， 用途极其广泛
•
• • • • • •
制造玻璃 制肥皂 硬水变软水 石油和油类的碱精制 冶炼工业上的应用 化学工业上的应用 洗涤、印染、漂白及其他
§3
纯碱的生产方法
两种著名的制碱技术：
(1)氨碱法制纯碱(索尔维制碱法) (2)联合制碱法(侯氏制碱法)
反应放热较多，每kg氨吸收成氨盐水可放热4280kJ. 如不及时移走，可使系统温度升高95 ℃ 。温度升高， 氨分压增加，对吸收过程是不利的。所以要用多个塔 外水冷器冷却。使塔中部温度为60 ℃ ，底部为30 ℃。 副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。 原盐和氨溶解度相互影响； 吸氨过程变化： 热效应 体积变化 吸氨变化
7、重质纯碱的制造
过滤：分离晶浆中悬浮的固相NaHCO3 (45~50%)
重碱
煅烧
晶浆
过滤 母液 蒸氨
煅烧：分解得到纯碱产品
§5 联合制碱法（侯氏制碱法）
一、概述
以食盐、氨及合成氨工业副产的二氧化碳为 原料，同时生产纯碱及氯化铵，即所谓联合 法生产纯碱及氯化铵，简称“联碱法” 联碱法前一部分与氨碱法一样，最后把 氯化铵晶体分离出来，作为一种氮肥产品， 把所余的食盐返回碳化塔，供制碳酸氢钠。
化工工艺学(本科)习题
1. 合成氨1什么是间歇制气法？2以煤为原料的半水煤气制备过程中，大多采用间歇法制气的原因是什么？如何才能使生产连续化？答：半水煤气中(CO+H2)/N2为3.1—3.2,由反应过程可以看出，以空气为气化剂时，可得含N2的吹风气，以水蒸汽为气化剂时，可得含H2的吹风气。
从气化系统的热平衡看，碳和空气反应是放热的，碳和水蒸气反应是吸热的，如果外界不提供热源，而是通过前者的反应热为后者提供反应所需的热，并能维持系统自热平衡的话，是不可能获得合格组成的半水煤气，反之，欲获得合格组成的半水煤气，该系统就不能维持系统的自热平衡。
为了解决供热和制备合格半水煤气这一矛盾，采用间歇制气法。
采用富氧空气（或纯氧）气化法和外热发能使生产连续化。
3间歇式制取半水煤气一个工作循环要分为几个阶段？各阶段的作用及时间分配的原则是什么？答：①吹风阶段，煤气发生炉底部吹入空气，作用是提高燃料层的温度，吹风气放空②上吹制气阶段，水蒸气由炉底送入，经灰渣层预热，进入气化层进行气化。
4气态烃蒸汽转化为什么要采用两段法？是如何操作的？5在天然气蒸汽转化系统中，水碳比从3.5～4.0降至2.5，试分析一段炉可能出现的问题及其解决办法．答：水碳比下降，一段转化炉出口气残余甲烷含量将不能达到所需要求的10％，解决方法是需要提高出炉气体温度，但不要太高，需视转化压力的不同而有所区别，转化压力低，出口温度可稍低，转化压力高，出口温度宜稍高，相应可采用较大的空速。
6试分析烃类蒸汽转化过程中加压的原因和确定操作温度的依据。
答：1）①节约动力消耗②提高过量蒸汽的热回收价值③减小设备容积，降低投资费用。
2）一段转化炉出口温度是决定转化出口气相组成的主要因素，需视转化压力的不同而有所区别，转化压力低，出口温度可稍低，转化压力高，出口温度宜稍高。
3）二段转化炉的出口温度可按压力、水碳比和残余甲烷含量小于0.5％的要求，以20—45℃的平衡温距来选定，压力变大，水碳比变小，出口温距则相应提高。
化工工艺学烧碱
φ2.6的铁丝编织成孔眼尺寸3×3钢丝网 打孔的铁板
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10.3 电解法制烧碱技术
（3）隔膜材料 ① 隔膜材料的选择 较强的化学稳定性。 良好的渗透率，并防止阴极液与阳极液机械混 和。 具有较小的电阻。 材料成本低，隔膜制造简便和易更换。 石棉 表征隔膜特性的参数： MacMullin数：Nm=r/r0； 隔膜厚度
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10.3 电解法制烧碱技术
石棉隔膜 温石棉 耐碱性和二次加工性能良好 化学成分：3MgO·2SiO2·2H2O ③ 改性石棉隔膜 “搭桥现象” ④ 合成材料隔膜 微孔聚四氟乙烯(PTFE)隔膜
②
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5.2.4 离子交换膜法电解 5.2.4.1 电解原理
法拉第定律
（1）法拉第第一定律 电解过程中，电极上所生成物质的质量与通过电解质溶液 的电量成正比。 （2）法拉第第二定律 相同的电量通过不同的电解质时，电极上每析出的物质 的量与通过电解液的电量成正比。即通过1法拉第电量可析 出1克当量物质。 电解时，根据电解质的电流强度、 通电时间及运行电槽 数可计算出理论产量。 由于存在副反应等原因，实际产量总比理论产量低。实 际产量与理论产量之比就是电流效率，这是电解生产中一个 重要的指标。成槽电压 的主要部分，其次是电解质溶液和隔膜电压降。
降低槽电压手段： 选择和研制新型阴阳极材料、隔膜材料，调整两极间离，提 高电解质溶液的温度和浓度，控制适宜的电流密度，设 计合理的电解槽结构。
10.3 电解法制烧碱技术
10.3.1 隔膜法电解 石墨或涂 RuO 10.3.1.1 隔膜法电解制碱原理 2TiO2阳极 铁阴 阴极上： 极
《化工工艺学》简答题含答案
第一章 合成氨1.合成氨的主要生产工序，各工序的作用和任务？答：1.原料气制备，制备含有氢、氮的原料气。
用煤、原油或天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。
2.净化，因为无论用何种方法造气，原料气中都含有对合成氨反应过程有害的各种杂质，必须采取适当的方法除去这些杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。
3.压缩和合成，将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在铁催化剂的作用下合成氨。
2.写出烃类蒸汽转化的主要反应。
CH 4+H 2O(g)=CO+3H 2，CH 4=2 H 2+C3.简述常用脱硫方法及技术特点以及适用流程。
答：干法脱硫(氧化锌法脱硫；钴钼加氢脱硫法)是用固体吸收剂吸收原料气体中的硫化物一般只有当原料气中硫化氢质量浓度不高标准状态下在3-5g/m 3才适用。
特点：能脱除有机硫和无机硫而且可以把脱得很精细，但脱硫剂不能再生而且设备庞大占地多，不适用于脱除大量无机硫，只有天然气、油田气等含硫低时才使用；湿法脱硫（化学吸收法，物理吸收法，化学-物理综合吸收法）特点：脱硫剂是便于运输的液体物料，脱硫剂是可以再生并且能回收的硫磺，适用于脱除大量无机硫。
4.改良ADA 法脱硫的主要化学反应和脱硫原理是什么？ADA 法脱硫主要化学反应及脱硫原理：在脱硫塔中用PH 为8.5--9.2的稀碱溶液吸收硫化氢并生成硫化氢物： 液相中的硫化氢物进一步与偏钒酸钠反应，生成还原性焦性偏钒酸钠盐并析出无素硫 还原性焦性偏钒酸钠盐接着与氧化态ADA 反应，生成还原态的ADA 和偏钒酸盐 还原态的ADA 被空气中的氧气氧化成氧化态的ADA ，其后溶液循环使用 4.少量 CO 的脱除方法有哪些？答：铜氨液洗涤法、甲烷化法、液氮洗涤法。
5.以天然气为原料生产合成气过程有哪些主要反应？答：主反应：CO+H 2O(g)=H 2+CO 2 ,CH 4+H 2O(g)=CO+3H 2副反应：CH 4=2 H 2+C ，2CO=C+CO 2,CO+H 2=H 2O+C6.简述一段转化炉的炉型结构。
化工工艺学,纯碱
氨利用率
U NH3 生成NH 4Cl的量 C NH4 C HCO3 1 tg 原始NH 4Cl的量 C NH
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从图中可看出，操作点在P1点时角最小， U(Na)最大；在P2点时角最小，U（NH3）最 大 。
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，选择接 近P1点的条件可以充分 利用原料。
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3
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析出 区，3区为 NaCl,NH4Cl析出区。
Na利用率
U Na 生成NaHCO3的量 CCl C Na 1 tg 原始NaCl的量 CCl
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。
Na+ 4.62 3.39 2.19 1.44 NH4+ 3.73 4.52 5.45 6.28 浓度/mol.kg-1 Cl- HCO3Na+ 8.17 0.18 5 1.34 7.65 0.30 6 1.27 7.13 0.51 7 1.25 6.79 0.93 8 1.16 NH4+ Cl5.65 6.00 5.21 5.41 4.92 5.03 4.14 4.00 HCO30.99 1.07 1.12 1.30
氨盐比的影响
•析出NaHCO3时，有一些NH4CO3随之共晶析出。氨的溶入， 可提高钠利用率，但过高会影响NaHCO3产量。 •氨盐比略大于1时，只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。
化学工艺学 第4章 烧碱
第4章 烧碱
Biblioteka 4.3 隔膜法电解 4.3.1 隔膜法电解原理 立式隔膜电解槽示意图
要注意一些不利的副反应
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第4章 烧碱
4.3.1 隔膜法电解原理
阳极材料：石墨或金属阳极（DSA） 石墨电极：易损耗，隔7~8个月需要更换（在阳极区易 被氧化） DSA电极：钛为基体，涂以活化层，活化层有两类： 钌活化层，钌丝网上涂钌氧化物 非钌活化层，如铂-铱层 阴极材料：粗铁丝网或多孔铁板，并附上隔膜 食盐水连续地加入阳极室，通过隔膜空隙流入阴极室， 为避免阴极室的OH-向阳极区扩散，要调节电解液从阳极 区向阴极区的流速，使其略大于OH-的电迁移速度 13 （17×10-5 m/sV）。
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分解槽
氯气 洗涤塔
浓盐水 贮槽
水雾 分离器
氯气 鼓风机
淡盐水泵 离子膜 电解槽
碱液 受槽
碱冷 却器 碱泵
盐水预热器
碱泵
碱液 贮槽
离子膜电解工艺流程图 28
第4章 烧碱
4.4.2 工艺流程 淡盐水脱氯流程
氯气+水蒸气
钛冷 却塔 85℃ 淡盐水
脱氧 塔
淡盐 水罐
淡盐 水泵
脱氯 盐水罐
脱氯 盐水泵
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第4章 烧碱
4.3.3 食盐水溶液的制备与净化
盐水的二次精制主要采取三步： (1)进一步除游离Cl2、次氯酸： 用Na2SO3或Na2S、Na2S2O7（硫代硫酸钠还原剂）进 行氧化还原反应。（为避免鳌合树脂中毒失效） (2)除悬浮物： 用助沉剂（α-纤维素，羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺） 在过滤器内壁上涂一层助滤层（即将少量的盐水与α-纤维 素调成悬浮物过滤）。再进行盐水、α-纤维素大量同时过 滤。除悬浮物的目的是其对螯合树脂有不良影响。 (3)鳌合树脂塔除去微量Ca2+,Mg 2+，及螯合树脂的再生
化工工艺学第4章纯碱与烧碱
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３槽电压及电压效率
(4) 过电位的作用 在一定的条件下,存在过电位要消耗一部分电能,这是
不利的一面,但利用过电位的性质结合选择适当的电解 条件,可使电解过程符合需要。
思考：电解食盐水阳极产物是氯气还是氧气？
电解液中存在OH- 和Cl- ,由于Cl2 /Cl-电对的标准
电极电位为+1.38V,O2/OH-电对的标准电极电位为0.410
伏,阳极上应是OH-放电并放出氧气.实际情况是,O2在
2某020些/10/2电7 极上具有较高的过电位,
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３槽电压及电压效率
相比之下Cl2的过电位较低,导致使OH-电极电位比Cl的高,保证了阳极上Cl-先放电并生成Cl2。
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水银法 离子交换膜法
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一 概述
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氢氧化钠产品
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二 电解法制烧碱的基本原理
1 法拉第定律 1) 法拉第第一定律
电解过程中,电极上所析出的物质的量与通过电解质的 电量成正比.即与电流强度及通电时间成正比.P173
G = KQ = KIt 式中：Ｇ－－电极上析出物质的质量，g 或kg；
１克当量(1克当量即物质Ｂ得或失１mol电子时的物质的 量)的任何物质，所需电量是恒定的，在数值上约等于 96500Ｃ，称为１法拉第常数（用Ｆ表示）．
即 1F ＝ 96500C ＝ 96500A.s ＝26.8A.h
利用法拉第第二定律，可计算出通过１A.h电量时，
在电极上所析出物质的量．
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第4章 纯碱与烧碱
第4章-烧碱详解
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1 电解原理
离子膜法氯碱生产工艺对离子膜性能的要求:
(1)具有高化学稳定性和热稳定性。
(2)具有较低的膜电阻,以降低电解能耗。 (3)具有优良的渗透选择性。离子膜只允许阳离子通
过,不允许阴离子OH-及Cl-通过,否则会影响碱液的质
向阴极移动， Cl- 、OH-向阳极移动。
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1 隔膜法电解原理
阳极
2 ClCl2
+
2e
阴极
2H+ + 2e H2
阴极的Na+不参加反应与留在溶液中的OH-形成NaOH 溶液,并聚集在阴极附近,使阴极附近的碱浓度不断增大。
与此同时，阳极附近的NaCl浓度不断降低。
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膜在长期使用后，由于各种杂质及悬浮物的沉积，会堵塞 隔膜的孔隙，使隔膜的渗透性恶化，阳极液流量下降，造 成电解液温度升高，槽电压升高。因此隔膜要定期更换。
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四 离子交换膜法电解
1 电解原理 离子膜法制碱与隔膜法制碱的根本区别在于离子膜 法的阴极室和阳极室是用离子交换膜隔开。 离子交换膜是一种耐腐蚀的磺酸型阳极离子交换膜， 它的膜体中有活性基团，活性基团是由带负电荷的固 定离子（如-SO3-、-COO-）和一个带正电荷的对离子
第四章
氯碱工业
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一 电解法制烧碱的基本原理
１理论分解电压Ｅ（理）
电解过程发生所必须的最小外加电压称为理论分解
化工工艺学4章纯碱和烧碱
化工工艺学4章纯碱和烧碱1. 纯碱1.1 纯碱的定义纯碱（Sodium Carbonate）是指化学式为Na2CO3的无机化合物。
它是一种白色结晶固体，具有碱性。
1.2 纯碱的制备方法纯碱的制备主要有两种方法：氨法和苏打法。
1.2.1 氨法氨法是使用氨来制备纯碱的方法。
主要步骤包括：1.天然钠碱石经过破碎、筛分等处理后，与水一起进入反应釜。
2.在反应釜中，将氨气通过氨吸收塔吸收，并与水发生反应，生成氢氧化钠。
3.将氢氧化钠溶液进行浓缩，得到纯碱固体。
氨法制备纯碱的优点是能够充分利用氨气和原料，并且操作相对简单。
然而，氨法也存在一些问题，例如氨气成本较高，对环境的影响较大等。
1.2.2 苏打法苏打法是使用石灰石和盐酸来制备纯碱的方法。
主要步骤包括：1.将石灰石和盐酸进行反应，生成氯化钙和二氧化碳。
2.将生成的氯化钙溶液与氨气进行反应，生成氯化铵和氢氧化钙。
3.将氢氧化钙与二氧化碳反应，生成碳酸钙。
4.将碳酸钙溶液与钠盐进行反应，生成纯碱的溶液。
5.通过浓缩、结晶等步骤，得到纯碱固体。
苏打法制备纯碱的优点是原料成本相对较低，并且反应过程中产生的副产品可以继续利用。
然而，苏打法也有一些问题，如废气处理困难、产生大量的废水等。
1.3 纯碱的用途纯碱具有广泛的用途，主要包括以下几个方面：•玻璃工业：纯碱是玻璃工业的主要原料之一，用于调节玻璃的成分和性质。
•日用化工：纯碱可以用于洗涤剂、肥皂、洗衣粉等的生产中，起到去污、去垢的作用。
•医药工业：纯碱也可以用于制备药物，如制碱类药物、消化剂等。
•冶金工业：纯碱可以用于炼铝、炼钼等冶金工艺中的脱硫、脱碳等反应。
•环保工程：纯碱可以用于废水处理、烟气回收等环保工程中。
2. 烧碱2.1 烧碱的定义烧碱（Potassium Hydroxide），化学式为KOH，是一种白色固体，具有强碱性。
2.2 烧碱的制备方法烧碱的制备主要有电解法和石碱法两种方法。
2.2.1 电解法电解法是使用电解池将食盐溶液进行电解，产生氯气和氢气的同时，还会生成氢氧化钠和氯化钾。
化工工艺学纯碱与烧碱
化工工艺学纯碱与烧碱简介在化工工艺学中，纯碱和烧碱是两种重要的化工原料。
纯碱（又称重晶石）是一种无机化合物，化学式为Na2CO3，它广泛应用于玻璃、清洗剂、纺织品等行业。
烧碱（又称氢氧化钠）是一种强碱性化合物，化学式为NaOH，它主要用于制造肥皂、造纸、合成纤维等。
本文将探讨纯碱和烧碱的制备工艺、应用以及相关的环境问题。
一、纯碱的制备工艺纯碱主要通过氯碱法和碱石法两种工艺进行制备。
1.1 氯碱法氯碱法是目前最常用的纯碱制备工艺。
该工艺将食盐（氯化钠）与水和电能进行电解，产生氯气、氢气和氢氧化钠。
通过反应、蒸发和结晶等步骤，可以将氢氧化钠转化为纯碱。
氯碱法制备纯碱的主要过程有：1.电解：在电解槽中，将食盐溶解在水中形成盐水溶液。
通过电流的作用，分解盐水中的氯化钠产生氯气和氢气。
2.钠氢化：将氯气通过氢氧化钠溶液中，使其与氢氧化钠反应生成钠亚氯酸盐。
然后，通过中和反应将生成的酸盐中和，得到氯化钠。
3.晶体化：通过蒸发控制工艺，将氯化钠溶液转化为纯度较高的氯化钠晶体。
4.碱变换：将氯化钠晶体与氢氧化钠反应，生成碳酸钠。
通过过滤和干燥等步骤，可以得到纯度较高的纯碱。
1.2 碱石法碱石法是另一种制备纯碱的工艺。
该工艺主要通过矿石烧烤和水解等步骤将碳酸钠转化为纯碱。
碱石法制备纯碱的主要过程有：1.矿石烧烤：将硝酸钠矿石烧烤，获得烧碱石（含碳酸钠）。
2.水解：将烧碱石与水反应，生成氢氧化钠。
然后，通过过滤和干燥等步骤，可以得到纯度较高的纯碱。
二、烧碱的制备工艺烧碱主要通过氯碱法和氧化法两种工艺进行制备。
2.1 氯碱法与纯碱制备类似，烧碱的氯碱法工艺也是将食盐进行电解，产生氯气、氢气和氢氧化钠，然后通过反应、蒸发和结晶等步骤，将氢氧化钠转化为烧碱。
2.2 氧化法氧化法是另一种制备烧碱的工艺。
该工艺主要通过电解和氧化等步骤将水中的氯离子氧化为氯气，然后与氢氧化钠反应生成烧碱。
三、纯碱与烧碱的应用纯碱和烧碱在许多行业中广泛应用。
4化工工艺学-第四章-纯碱和烧碱全解
水化反应如下： CO2 (aq) 2 H 2O H 2CO3 (aq)
CO2 (aq) OH HCO3
由于水化反应速度慢，且溶液中氨的浓度比OH－离子浓度大 很多，所以主要生成氨基甲酸铵。
④温度的影响
温度升高，氨盐水中的 NH3减小，饱和线P1C向右移 动(但NaHCO3在溶液中的溶解 度变化不大)；P1点向右上移 动，溶液的碳酸化度增加； 均可析出等多的NaHCO3结晶， 钠利用率增大，氨利用率降 低。 在生产条件下，一般为 了得到NaHCO3，NaCl浓度不 变，采取较高温度进行碳酸 化。碳酸化后降低温度可减 少其溶解度，相应提高钠利 用率。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
(1) 主要化学反应
根据上图，氨碱法以碳酸钙和氯化钠为原料，反应有： ① 焙烧CaCO3制得CO2：
CaCO3 ( s) 焙烧 CO2 ( g) CaO( s) 176.105kJ / mol
② NaHCO3沉淀的析出： NaCl NH3 CO2 H2O＝NaHCO 3 ( s ) NH4Cl ③ 生成的碳酸氢钠(NaHCO3)煅烧分解后可得纯碱：
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
碳酸化过程的氨盐比
从原料利用率相 图分析，氨盐比越大， 操作条件越接近P1点， 综合原料利用率越高。 当氨盐比为1:1且原 盐水饱和时，碳酸化 度与CO2平衡分压的 关系如右图。 CO2分压高，有利 于碳酸化反应。 温度低一点，溶 液饱和度大，有利于 结晶。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
③ 氨盐比的影响
氨盐比略大 于1时，相点落 在Z点附近，只 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。 其关系如右表和 上右图。
第四章 纯碱与烧碱
主讲教师： 主讲教师：续京 2005.1
第四章 纯碱与烧碱
纯碱和烧碱的性质和用途
纯碱 烧碱 NaOH俗称苛性钠 俗称苛性钠， 性 Na2CO3俗称苏打或碱 NaOH俗称苛性钠， 质 灰，白色粉末，易溶 纯态无水白色半透明 白色粉末， 于水呈碱性 晶体，强碱性，强腐 晶体，强碱性， 蚀性， 蚀性，易潮解 玻璃、 用 玻璃、制取钠盐和金 途 属碳酸盐、造纸等， 属碳酸盐、造纸等， 基本化工原料 造纸、纺织、炼铝、 造纸、纺织、炼铝、 石油、合成维、 石油、合成纤维、橡 胶等， 胶等，无机化工原料
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电极反应： 电极反应： 阴极： 阴极：H2O + e- → ½ H2 + OH阳极： 阳极： 2Cl- - 2e- → Cl2 副反应： 副反应： Cl2 + H2O → HClO + HCl NaOH + HClO + HCl → ClO- + Cl- + H2O 结果： 结果：
• • • 消耗产品 降低产品纯度 浪费电能
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三、 氨盐水碳酸化
吸收、结晶、 吸收、结晶、传热过程 目的：获得产率高、质量好NH 目的：获得产率高、质量好 4HCO3 结晶 碳酸化基本原理—相图分析 碳酸化基本原理 相图分析 碳酸化过程工艺条件 碳酸化流程 碳化塔操作条件
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四、 重碱过滤与煅烧
过滤：分离晶浆中悬浮的固相 过滤：分离晶浆中悬浮的固相NaHCO3 (45~50%)
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习题
简述隔膜法、 简述隔膜法、水银法和离子交换膜法的 优缺点对比？ 优缺点对比？ 新建一电解车间，年产含30% NaOH的 新建一电解车间，年产含 的 烧碱6000t，采用隔膜电解槽进行生产。 烧碱 ，采用隔膜电解槽进行生产。 槽电流为29000A，电流效率为 槽电流为 ，电流效率为96%。 。 求每年运行时间为8400h所需的电解槽 求每年运行时间为 所需的电解槽 数?
化工工艺学4章 纯碱
• 【淡液蒸馏】 将淡液中的游离氨直接加热蒸 馏出NH3的过程，叫淡液蒸馏。
图 4.10
（4）碳酸氢钠的过滤及煅烧 P156
【重碱过滤】
• 碳化塔底晶浆含NaHCO345%～ 50%，煅烧分离前需过滤。
真空过滤机
【滤饼洗涤】
• 洗涤重碱中残留母液，降低成品 纯碱中氯化钠的含量。
• 用软水洗，以免带入Ca+、Mg+形 成沉淀堵塞滤布。
杂质分解反应 NH4HCO3 = NH3+ CO2+ H2 O NH4Cl + NaHCO3 = NH3+CO2+NaCl+H2O
P157
• 蒸汽煅烧炉返碱量、蒸汽耗量与含水量关系如图4.14。
返 碱 量
蒸 汽 耗 量
进料含水量
图 4.13
进料含水量
自身返碱蒸汽煅烧炉回转凉碱炉
(5) 氨的回收 P158
• 【目的】回收碳酸化过滤重碱后的母液中的氨及淡液中的氨。 • 【母液】过滤重碱后含游离氨、结合氨的过滤液为母液。 母液中的氨 游离氨: (NH4)2CO3、 NH4HCO3
上部洗涤段
【设备】——吸氨塔
• 特点：塔上中下部分别 设置冷却排管。 • 澄清桶：用于除去少量 钙镁盐沉淀，最终杂质 含量﹤0.1kg/m3。 • 操作压力: 塔顶稍减压， 以减少氨损失。
（洗涤尾气回收氨） 35-40℃
中部吸氨段
（加强移热） 50℃
图 4.7
下部循环澄清段
（循环和澄清氨盐水）
（3）氨盐水的碳酸化
•
③ 析出碳酸氢钠
NaCl + NH4HCO3 = NaHCO3 (s) + NH4Cl
NH4+
工业化学-第四章纯碱工业
思考题1、纯碱工业有几种生产方法？2、简述氨碱法生产纯碱的主要过程。
3、写出氨碱法生产纯碱的原则流程。
4、石灰石煅烧反应是何反应（）、石灰石煅烧反应是何反应（）（）？5、煅烧与焙烧的主要区别是什么？6、碳化塔为什么要“倒塔”操作？碳化塔为什么要“倒塔”操作？概述4.1 4.1.1纯碱的作用纯碱即碳酸钠Na 2CO 3，也称苏打（Soda or Soda Soda or Soda--ash ）为白色细粒结晶粉末，相对密度为2.533，熔点为851℃，易溶于水。
工业产品纯度在99％左右，按颗粒大小、堆积密度不同，分为超轻质纯碱轻质纯碱重质纯碱分为超轻质纯碱、轻质纯碱、重质纯碱。
纯碱是用途广泛的基本化工原料，大量用于玻璃、搪瓷、制皂造纸纺织印染合成纤维冶金皮革无机盐和医皂、造纸、纺织、印染、合成纤维、冶金、皮革、无机盐和医药工业。
纯碱工业是在国民经济中有重要地位的基础化学工业。
概述4.14.1.2纯碱的工业生产方法1、氨碱法（索尔维法））为原料，焦炭为燃料，石灰石（CaCO）、石灰石（以食盐（NaCl）、）为原料焦炭为燃料3以氨为催化剂在系统中循环使用的制碱法。
）。
产品为纯碱，废物为氯化钙（CaCl2具有原料易得，价格低廉，生产连续，产品纯度高，能大规模生产等优点。
是当前占主导地位的工业制碱法。
重点介绍氨碱法的工艺流程和设备。
重点介绍氨碱法的工艺流程和设备概述4.14.1.2纯碱的工业生产方法2、联碱法1942年化学家侯德榜的研究成果，科学地将合成氨与制碱工艺联合起来，称“联合制碱法”，或“侯氏制碱法”。
）合成氨装置的产品氨（）副联碱法以食盐（NaCl）、合成氨装置的产品氨（NH3）、副产品二氧化碳（CO2），产品为纯碱和氯化铵（NH4Cl）。
联碱法具有原料利用率高，可达95％以上，不需石灰石和焦炭，节省了原料、能量及运输等的消耗，故成本低，流程短，无大量废液、废渣等优点。
概述4.14.1.2纯碱的工业生产方法3、天然碱加工法天然碱是制碳酸钠、碳酸氢钠和氢氧化钠的种原料。
化工工艺学第四章
合成氨厂 合成氨厂 不消耗
废物共几kg到几十kg / 1t 纯碱 纯碱、氯化铵
废液主要来自蒸氨塔，废渣主要来自石灰窑。
纯碱
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能耗
能耗大, 12000-14000 MJ / t
能耗较氨碱法少, 7100-8200 MJ / t
联合制碱典型流程如图4.29
洗涤-粉碎法精制食盐 (制得的盐中NaCl>98%, Mg2+、Ca2+、SO42<0.3%) 甩掉氯化铵浆液中水分 H2O<6%-8%
干燥后氯化铵中 H2O<1%-8%
图 4.29 联合制碱法流程
联碱法与氨碱法的制碱原理完全 相同，最大的区别在于原料来源 及对氯化铵的处理不同。
氨碱法与联碱法的比较 P171
氨碱法
盐来源 原 Na+及Cl-利用 料 率 NH3来源 CO2来源 石灰石及焦 炭 废物排放 产品 对原盐质量要求不高，来源广，卤水也可。 Na+利用率73%左右； Cl-利用率为0
联碱法
需质量较高的固体盐 Na+及Cl-利用率可达93%
蒸氨塔回收NH4Cl中的氨 由焦炭煅烧石灰石得来 回收氨及生产CO2系统需消耗： （1.3t石灰石+100kg焦炭）/ 1t 纯碱 （10m3废液+300～400kg废渣）/ 1t 纯碱
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化工工艺学
第四章 纯碱与烧碱 4.1.3.3 联碱流程
联碱法制碱过程说明：
• ①析铵过程 是用冷析和盐析，利用不同温度下氯化 钠和氯化铵的溶解度差异从母液中分出氯化铵。
• ②冷吸前，母液Ⅰ中吸氨是为了将母液中碳酸氢盐转 换为碳酸盐，以免冷却母液时，碳酸氢盐也结晶析出。
化工工艺学-纯碱和烧碱
• 2. 氨碱法相图讨论 • 氨盐水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-NH4HCO3NaHCO3-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。 •
• • • • •
1 2 3 4
Na+ 4.62 3.39 2.19 1.44
NH4+ 3.73 4.52 5.45 6.28
Cl8.17 7.65 7.13 6.79
HCO30.18 0.30 0.51 0.93
5 6 7 8
Na+ 1.34 1.27 1.25 1.16
NH4+ 5.65 5.21 4.92 4.14
图 4.7
• (3) 氨盐水的碳酸化 • 碳酸化过程分为三步：氨盐水先与CO2反应生成氨基 甲酸铵，然后再水解生成碳酸氢铵，再与钠离子反应 生成碳酸氢钠。主要反应如下： • CO2 + NH3 = H+ + NH2COO－ • NH3 + H+ = NH4+ • CO2 + 2NH3 = NH4+ + NH2COO－ • 还有水化反应 • CO2 + H2O = H2CO3 • CO2 +OH- = HCO3－ • 由于水化反应速度慢，且溶液中氨的浓度比OH－离子 浓度大很多，所以主要生成氨基甲酸铵。
4.1.1 概述
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④ 焙烧CaCO3得到的CaO，即水泥的有效成分，可作为水泥产 品，这里水合生成Ca(OH)2：
CaO H2O Ca(OH )2
⑤ NH4Cl中的NH3是要循环利用的，可由下列反应回收：
NH4Cl Ca(OH )2 2NH3 CaCl2 2H2O
氨盐水碳酸化后的组成 在 AC 线 上 。 如 果 只 需 析 出 N超析a出过HCNSOa析3C时l。出，N组H4成HC应O3R,-超S线过内R，
如果总组成在X点，T点 为饱和溶液，结晶与溶液 比为TX:XD，比值越大，析 出最好结。晶越多。可见P1点操作
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
② 原料利用率
④温度的影响
温度升高，氨盐水中的 NH3减小，饱和线P1C向右移 动(但NaHCO3在溶液中的溶解 度变化不大)；P1点向右上移 动，溶液的碳酸化度增加； 均可析出等多的NaHCO3结晶， 钠利用率增大，氨利用率降 低。
在生产条件下，一般为 了得到NaHCO3，NaCl浓度不 变，采取较高温度进行碳酸 化。碳酸化后降低温度可减 少其溶解度，相应提高钠利 用率。
U ห้องสมุดไป่ตู้a
生成NaHCO3量 原始NaCl量
CCl C Na CCl
1 tg
U NH3
生成NH 4Cl量 原始NH 4Cl量
C C NH
4
HCO3
C NH
4
1 tg
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。根据P1点浓度数据可计算：
U Na (6.79 1.44) 6.79 78.8%
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
第4章 纯碱和烧碱
Soda and Caustic Soda
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。
1 4.1 纯 碱 2 4.2 烧 碱
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
(1) 主要化学反应
根据上图，氨碱法以碳酸钙和氯化钠为原料，反应有： ① 焙烧CaCO3制得CO2：
CaCO3 (s) 焙烧 CO2 ( g) CaO(s) 176.105kJ / mol
② NaHCO3沉淀的析出：
NaCl NH3 CO2 H2O＝NaHCO3 (s) NH4Cl ③ 生成的碳酸氢钠(NaHCO3)煅烧分解后可得纯碱：
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
(2) 氨碱法相图讨论
氨盐水碳酸化反应(反应②)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NaCl-NH4Cl-NH4HCO3-NaHCO3-H2O五种物质， 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。
4.1 纯碱(Industry of making soda)
4.1.1 概述
纯碱，化学名称为碳酸钠，Na2CO3，分子量105.9902。化学 品的纯度多在99.5%以上，故称“纯碱”。贸易商品名为苏打 (soda)或碱灰(soda ash)。
纯碱主要用于平板玻璃、玻璃制品、陶瓷釉料的生产，还广 泛用于生活洗涤、酸类中和、食品加工等。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。 中国纯碱工业据世界前茅，达到5Mt/a。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
4.1.2 氨碱法制纯碱
4.1.2.1 氨碱法的生产原理
氨碱法(Ammonia soda process) 也称索尔维(Solvay process)法， 氨碱法主要反应与物流转移见下图。
可见，氨碱法制备纯碱是以氯化钠(NaCl)和碳酸钙(CaCO3)为原 料，①碳酸钙经过焙烧产生CO2和CaO； ②CO2与NH3在NaCl水溶液 中沉淀出碳酸氢钠(NaHCO3)；③ NaHCO3再经焙烧制得纯碱 (Na2CO3)；④副产CaO经水合、NH4Cl反应制得氯化钙；⑤释放的 NH3循环利用，再与NaCl 和CO2制备NaHCO3 。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
③ 氨盐比的影响
氨盐比略大 于1时，相点落 在Z点附近，只 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。 其关系如右表和 上右图。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
4.1.2.2 氨碱法的工业生产
无水Na2CO3是白色粉末或细粒结晶，有吸湿性，其水合物有 一水、七水、十水盐。无水盐热容为(25℃)1.034J/(kg.K)，晶体密 度(20℃)2.533g/cm-3，熔点851℃，熔融热315.9kJ/kg。工业用纯碱 商品有轻质(light)、中重质(medium)、重质(dense)三种不同表观密 度，分别为0.49~0.58、0.8、0.95~1.07g/cm-3。
U NH3 (6.28 0.93) 6.28 85.2%
注意到，析出NaHCO3时P1点钠利用率最高。若操作点向P2方向 移动，钠利用率降低(溶液中Na+增加，最终被洗掉)，氨利用率提 高(溶液中NH4+减小) 。因为实际生产中氨被蒸出是循环利用的， 所以应主要考虑钠利用率，操作点要尽量靠近P1点。
根据相律： f C P 2 定压下，当只有碳酸氢钠析出，没有其它盐类析出时，自由 度为f＝4－2＋1＝3。下面用温度及两个浓度变量来讨论。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
① 原料配比和产品析出
右图中，ⅠP2、P2Ⅱ、 P2P1、P1Ⅲ、P1Ⅳ为饱和线； 1,2,3区为NaHCO3、 NH4HCO3、NH4Cl的析出区； P1点可析出三种结晶。