化工工艺学4章纯碱和烧碱.ppt

化工工艺学4章纯碱和烧碱第4章纯碱和烧碱Sodaandcausticsoda4.1纯碱Industryofmakingsoda4.1.1概述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：2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+CO2+H2ONH3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-NH4HCO3-NaHCO3-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。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-1Na+NH4+Cl-HCO3-Na+NH4+Cl-HCO3-14.623.738.170.1851.345.656.000.9923.394.527.650.3061.275.215.411.0732.195.457.130.5171.254.925.031.1241.446.286.790.9381.164.144.001.30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。干盐相图的读法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。原料利用率注意到只析出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。表4.2温度的影响4.1.2.2氨碱法的工业生产图4.4(1)饱和盐水的制备和精制两种除钙方法比较(2)吸氨吸氨过程的主要反应为：NH3+H2O=NH4OHH=-35.2kJ/mol2NH3+CO2+H2O=(NH4)2CO3H=-95.2kJ/mol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°C。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°C，底部为30°C。副反应有与钙镁离子反应生成沉淀的反应。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。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。(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=H2CO3CO2+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。碳酸化度R的定义当碳酸氢钠全部结晶出来时，CCO2=0，所以此时的碳酸化度为200%。通常生产中保持R=180~190%.氨盐水碳酸化反应是放热反应，放热量不大，但是要注意冷却才能保证反应正常进行。钠和氨的利用率取决于前述按相图选择的条件。但实际浓度条件的选择及如何满足气相分压的要求必须有热力学计算，要保证一定产量必须有动力学计算。氨盐