从纯碱工业的发展看化工生产原理

从纯碱工业的发展看化工生产原理

人类的生产生活离不开化工生产，但化工生产容易产生污染危害到人类自身及其生活环境。化学生产工作者们一直在尝试着干净高效低能耗的生产方式，现在就以纯碱

工业的发展来看先贤们的努力成果。————————摘要关键字：生产工艺产能原料利用率

纺织，造纸，制皂等工业需要大量的碳酸钠，随着这些工业的迅速发展，单纯的依靠盐碱湖中的碳酸钠已经远远满足不了实际需求。从18世纪起，化学家们就开始利用其他原料来进行工业生产。

地球上的海水中含有大量氯化钠，是纯碱工业的基本原料，1788年法国的勒布朗用浓硫酸使氯化钠转化为硫酸钠，在四年的努力之后勒布朗设计出了一套生产流程。尽管勒布朗法耗煤量巨大，产品质量差，设备极易被腐蚀，但是解决了当时纯碱需求的燃眉之急。到19世纪末，才被淘汰。勒布朗法的成本极高、产能低、耗能大、原料利用率低如果不是当时需求这种生产方式很难被接受。当需求逐渐满足后，人们发现了勒布朗法的缺点然后开始着手开发新的生产工艺。

1861年，比利时人索尔维（Ernest Solvay,1832-1922）以食盐、石灰石和氨为原料，制得了碳酸钠和氯化钙，是为氨碱法（ammonia soda process）。

反应步骤为：

NaCl+NH3+CO2+H2O===NaHCO3+NH4Cl，

CaCO3===CaO+CO2↑，2NH4Cl+CaO===2NH3↑+CaCl2+H2O

2NaHCO3===Na2CO3+CO2 +H2O

总反应式为：CaCO3+2NaCl+H2O+CO2===CaCl2+2NaHCO3。以煅烧石灰石的方法提供二氧化碳，并使生石灰转化为消石灰，与分离出的氯化铵反应生成循环使用的氨气。但氯化钠利用率只有72%~74%。且在回收氨的过程中，大量氯化钙作为废液被排出。

然而氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率相较于勒布朗法得到提高，产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。此时，纯碱的价格大大下降。消息传到英国，正在从事路布兰法制碱的英国哈琴森公司取得了两年独占索尔维法的权利。1873年哈琴森公司改组为卜内门公司，建立了大规模生产纯碱的工厂，后来，法、德、美等国相继建厂。这些国家发起组织索尔维公会，设计图纸只向会员国公开，对外绝对保守秘密。凡有改良或新发现，会员国之间彼此通气，并相约不申请专利，以防泄露。除了技术之外，营业也有限制，他们采取分区售货的办法，例如中国市场由英国卜内门公司独占。由于如此严密的组织方式，凡是不得索尔维公会特许权者，根本无从问津氨碱法生产详情。多少年来，许多国家要想探索索尔维法奥秘的厂商，无不以失败而告终。

排除外在因素，索尔维法初步实现了纯碱生产高产能、高质量的目标。在化工生产中产量被放到了第一要素，废料的排放容易被忽略从而导致环境污染。实际上，大多数化工废料都可以重新利用在其他生产工艺之中。比如炼铁产生的废气可以重新和焦炭产生一氧化碳，或者将废气加工制成煤气提供附近居民。中国最大、最现代化的钢铁联合企业宝钢公司就使用了以上方法将废物重新利用又带来经济效益。

我国化学家侯德榜勇于改进创新，看出了氨碱法的不足。他将合成氨法与氨碱法工艺联合起来同时制造纯碱和氯化铵。诞生

了联合制碱法。

由氨厂提供碱厂需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化铵用加入食盐的办法使它结晶出来，作为化工产品或化肥。食盐溶液又可以循环使用。为了实现这一设计，在1941一1943年抗日战争的艰苦环境中，在侯德榜的严格指导下，经过了500多次循环试验，分析了2000多个样品后，才把具体工艺流程定下来，这个新工艺使食盐利用率从70%一下子提高到96%，也使原来无用的氯化钙转化成化肥氯化铵，解决了氯化钙占地毁田、污染环境的难题。这方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度，赢得了国际化工界的极高评价。1943年，中国化学工程师学会一致同意将这一新的联合制碱法命名为“侯氏联合制碱法”。所谓“联合制碱法”中的“联合”，指该法将合成氨工业与制碱工业组合在一起，利用了生产氨时的副产品CO2，革除了用石灰石分解来生产，简化了生产设备。此外，联合制碱法也避免了生产氨碱法中用处不大的副产物氯化钙，而用可作化肥的氯化铵来回收，提高了食盐利用率，缩短了生产流程，减少了对环境的污染，降低了纯碱的成本。联合制碱法很快为世界所采用。

化学原理

总反应方程式：

NaCl + CO2 +NH3+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3=加热=Na2CO3↓+H2O+CO2（CO2循环使用）

(在反应中NaHCO3沉淀，所以这里有沉淀符号，这也正是这个方法的便捷之处）

即：①NaCl(饱和溶液)+NH3（先加）+H2O（溶液中）+CO2（后加）=NH4Cl+NaHCO3↓ （溶解度一般，因为不断添加原料达到溶液饱和才沉淀）

（先添加NH3而不是CO2：CO2在NaCl中的溶解度很小，先通入NH3使食盐水显碱性，能够吸收大量CO2气体，产生高浓度的HCO3-,才能析出NaHCO3晶体。）

②2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2↑

优点

保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到 96 %； NH4Cl 可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气 CO 转化成 CO2，革除了 CaCO3制 CO2这一工序。

注：纯碱就是碳酸钠（Na2CO3）

在制碱过程中向滤出NaHCO3晶体后的NH4Cl溶液中加熟石灰以回收氨，使之循环使用：

2NH4Cl+Ca（OH）2（加热）= CaCl2+2NH3↑+2H2O

联合制碱法是依据离子反应发生的原理进行的，离子反应会向着离子浓度减小的方向进行（实质为勒夏特列原理），也就是很多初中高中教材所说的复分解反应应有沉淀、气体和难电离的物质生成。他要制纯碱（Na2CO3），就利用NaHCO3在溶液中溶解度较小，所以先制得NaHCO3，再利用碳酸氢钠不稳定性分解得到纯碱。要制得碳酸氢钠就要有大量钠离子和碳酸氢根离子，所以就在饱和食盐水中通入氨气，形成饱和氨盐水，再向其中通入二氧化碳，在溶液中就有了大量的钠离子、铵根离子、氯离子和碳酸氢根离子，这其中NaHCO3溶解度最小，所以析出，其余产品处理后可作肥料或循环使用。这种生产工艺直到现在还在大规模使用，不仅因为它解决了纯碱的产量质量问题还向世人展现了一种新的可能性。将两个或多个生产工艺联合起来，不再单单只是生产一种产品，而是生产一系列的产品。这种方式在二战后期开始被大规模采用。

化工生产关系着人类生活的方方面面，从最初的小作坊到现代的联合生产企业，化工就一直是人类文明开化，发展，进步的助理。它的发展也可以看做是人类对科学的不懈追求，然而当人类被欲望遮住眼后发展走向了畸形。为了保护我们的环境，一个接一个老旧，高污染的生产工艺被改进革新。虽然在现有技术水平下一些工艺还是得不到改进，希望在将来经由我们一代的努力让化工生产发展的更好。