化工工艺学4章纯碱和烧碱
《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。
化工工艺学烧碱
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由于磺酸基团具有亲水性，在溶液中膨胀，使膜体
结构变松，形成许多微细弯曲通道。活性基团中的 对离子（Na+)可与水中的Na+进行交换并透过膜， 与阴极室的OH-生成NaOH。同时，活性基团中固定 离子（SO3-）具有排斥Cl-和OH-能力，使他们没法 通过膜，可获得高纯度NaOH。
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（1）原料易得 （2）能源消耗大 （3）氯与碱的平衡 （4）腐蚀和污染严重
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第二章 电解制碱原理
2.1 电解过程
电解过程是将电能转化 为化学能的过程。过程不能 自发进行，电解方法强制进 行。溶液中离子产生定向移 动，阴离子向阳极，阳离子 向阴极，发生氧化还原反应 。这种通过电流使电解质水 溶液产生的化学反应称为电 化学反应。
3
苛化法生产过程分为：化碱、苛化、澄清、蒸发等四 个工序。在19世纪末电解法出现之前，苛化法一直是 世界上生成烧碱的主要方法。
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4
电解法及发展概况
隔膜法
隔膜法于1890年在德国首先出现，随后
1892年水银法电解槽在美国取得专利。
电
隔膜法：石墨或金属为阳极，铁为阴极。两
解
极间用隔膜将溶液分开。
解食盐水时，等于阳极析出氯电位与阴极析出氢之差。
计算：能斯脱方程或吉布斯－盖姆荷茨方程
吉布斯－盖姆荷茨方程计算V理
V理=△H/nF+（dF/dT)T 式中 △H－反应热效应，隔膜法和离子膜法电解氯化钠
水溶液时为221.08kJ； T—绝对温度，K； n －电极反应得失电子数； F －法拉第常数（96500C）； dF/dT电动势温度系数，为-0.0004（V/K）
NaOH ； Cl － 离 子 则 在 阳 极 表
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
4
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。
2 1
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
4化工工艺学-第四章-纯碱和烧碱
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
两种除钙(Ca2+)方法的比较
前者称“石灰-纯碱法”，是用扫地碱或 回收的低质量纯碱为精制剂，事先将固体 Na2CO3加热水溶解，与石灰乳混合后一次加 入反应器除去Ca2+、Mg2+离子。该法用纯碱 除钙虽损耗了部分产品，但没有氯化铵生成， 对后续工序碳酸化有利。 后者称 “石灰-碳铵法”，同氨的除钙 塔基本构造如右图。焙烧气体(CO2)从塔底经 菌帽齿缝后与溶液充分接触，在上部用水洗 涤后排空。为了加速沉降过程，可加适当助 沉剂，使形成絮状沉淀。 该法可用尾气中的氨，节省原料，但生 成的氯化铵对碳酸化过程不利。
NH3 (aq) H NH4 CO2 (aq) 2 NH3 (aq) NH4 NH2COO
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。
U NH 3 (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。
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。 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。
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。
化工工艺纯碱工艺
注意:
若溶液中CO2浓度增大，反应右移可使氨平衡分 压下降，从而使气相中pCO2增加。如图4.6所示。
图 4.6
吸氨的主要设备是吸氨 塔，其结构如图4.7。 氨从中部引入，引入处 反应剧烈，温升大，所 以部分吸氨液循环冷却 后继续。上部各段都有 溶液冷却循环以保证塔 内温度。 澄清桶的目的是除去少 量钙镁盐沉淀，达到杂 质含量少于0.1kg/m-3的 标准。 操作压力略低于大气压， 减少氨损失和循环氨引 入。
碳化塔是氨碱 法制纯碱的主要 设备之一。它是 由许多铸铁塔圈 组装而成，结构 上大致可分上、 下两部分：上部 为二氧化碳吸收 段，下部有一些 冷却水箱，用以 冷却碳化液以析 出晶体。碳酸化
塔.jpg
4、碳酸氢钠的煅烧（p156页）
此处适当添加相关内容，可以不作为重 点。
5、氨的回收（p158页）
NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用： 2NH4Cl+Ca(OH)2→2NH3↑+CaCl2+2H2O （NH3循环使用）
饱 和 食 盐 水 过滤 通NH3 氨 洗涤 盐 通CO2 水 煅烧 石灰石 CO2 CaO 沉淀
NaHCO3
煅烧
CO2(循环使用） Na2CO3产品 NH3(循环使用）
图 4.7
3、氨盐水的碳酸化（p151页）
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
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
黔南民族师范学院
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。
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1 tg
• 氨利用率
U NH3
生成NH 4Cl的量 原始NH 4Cl的量
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。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%
干盐相图的读法
• 座标：下横座标表示CNH4Cl CNH4+
•
左纵座标表示CNaHCO3 CHCO3-
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。
CClCHCO3-
CNH4+ CNa+
• 原料配比和 产品析出
• 总组成在AC线
•
2NaHCO3 (s) = Na2CO3 (s)+ CO2 + H2O
• NH3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。
•
• 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。应用温度及两个浓 度变量来讨论。
化工工艺学 Chemical engineering
technics
化学工程与工艺专业
第4章 纯碱和烧碱 Soda and caustic soda
• 4.1 纯碱 • 4.2 电解制烧碱和氯
4.1 纯碱 Industry of making soda
• 4.1.1 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
• 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：
• 3 2.19 5.45 7.13 0.51 7 1.25 4.92 5.03 1.12
• 4 1.44 6.28 6.79 0.93 8 1.16 4.14 4.00 1.30
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。
CO2、盐水预处理、吸收制氨盐水、碳酸化、氨的 回收、锻烧制纯碱等系统。
图 4.4
炉 气
图 4.4
(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。
• 先加入石灰乳使镁离子变成钙离子：
上，只析出
NaHCO3时， 又必须在其饱
和面上。所以
在RS线内。
• R为P饱1，和P线1N。,P11区M
为 出
NaHC 区，2
O区3
析 为
N区H，4HC3O区3析出为
NaCl,NH 出区。
4Cl析
2 1
3
图 4.1
原料利用率
原料利用率
• Na利用率
U Na
生成NaHCO3的量 原始NaCl的量
CCl C Na CCl
• Mg2+ + Ca(OH)2(s) = Mg(OH)2(s) + Ca2+ • 除钙可用下列两法之一：
• 2NH3 + CO2 + H2O +Ca2+ = CaCO3(s) + 2NH4+ • Na2CO3 + Ca2+ = CaCO3(s) + 2Na+
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 4.3
4.1.2.2 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
• 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。
• 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-1
•
Na+ NH4+ Cl- HCO3-
Na+ NH4+ Cl- HCO3-
• 1 4.62 3.73 8.17 0.18 5 1.34 5.65 6.00 0.99
• 2 3.39 4.52 7.65 0.30 6 1.27 5.21 5.41 1.07
Hale Waihona Puke 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1.04kJ/kg等。