【原创】年产10万吨氨碱法制碱生产工艺毕业论文设计40论文41

毕 业 设 计（论 文）

（冶金化工系）

题 目 年产10万吨氨碱法制碱生产工艺

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目录

摘要 ............................................................................................................................... 1 第一章 纯碱的综述 ................................................................................................... 2

1.1纯碱的性质和用途 .......................................................................................... 2

1.1.1纯碱的性质 ........................................................................................... 2 1.1.2纯碱的用途 ........................................................................................... 2 1.2纯碱工业的发展史及发展方向 ...................................................................... 3

1.2.1纯碱工业发展史 ................................................................................... 3 1.2.2纯碱工业世界分布及发展方向 ........................................................... 5

第二章 纯碱的主要工艺及优缺点 ........................................................................... 7 2.1纯碱的生产工艺 ................................................................................................. 7 2.1.1纯碱的工艺简述 .......................................................................................... 7 2.2纯碱生产工艺的优缺点 .................................................................................. 8 第三章 氨碱法生产纯碱的工艺流程和主要设备 ................................................... 9

3.1氨碱法生产纯碱工艺流程及图示 .................................................................. 9

3.1.1氨碱法生产纯碱的工艺流程 ............................................................... 9 3.1.2氨碱法生产纯碱工艺图示介绍 ......................................................... 10 3.2蒸氨过程的主要设备及化学反应 ................................................................ 11

3.2.1蒸氨过程的主要设备 ......................................................................... 11 3.2.2蒸氨过程中的主要化学反应 ............................................................. 12 3.3蒸氨塔理论塔板数的确定 ............................................................................ 13

3.3.1石灰乳蒸馏段与预灰桶的理论塔板数 ............................................. 13 3.3.2预热段理论塔板数 ............................................................................. 15 3.4氨盐水的碳酸化过程及碳化塔 .................................................................... 16

3.4.1氨盐水碳酸化过程 ............................................................................. 16 3.4.2碳化塔设备 ......................................................................................... 17

第四章 氨盐水碳酸化系统的物料及热量衡算 ....................................................... 21

4.1碳酸化系统中的物料衡算 ............................................................................ 21

4.1.1典型溶液的组分归纳 ......................................................................... 21 4.1.2物料衡算 ............................................................................................. 21

4.3热量横算 .................................................................................................... 25

第五章 氨碱法制碱厂的排污与三废处理 ........................................................... 26

5.1氨碱法纯碱生产的排污系统 ........................................................................ 26

5.1.1氨碱法纯碱生产厂的排污 ................................................................. 26 5.1.2氨碱厂的三废处理 ............................................................................. 26

致谢 ............................................................................................................................. 28 参考资料 ..................................................................................................................... 29

摘要

纯碱是基本化学工业中产量最大的产品之一，是用途十分广泛的基本工业原料，它是玻璃、造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革等工业的重要原料，还常用作硬水的软化剂，也用于制造钠的化合物。它的工业制法主要有氨碱法和联合制碱法两种。本文介绍的主要是氨碱法制纯碱。该方法的好处有：原料便宜，产品纯碱的纯度高，副产品氨和二氧化碳都可以回收利用，适合我国现在的氮肥企业借鉴。本文介绍了纯碱的主要生产工艺流程，并对碳化炉进行了设计。首先根据工艺需要对碳化过程进行物料衡算和热量衡算，在此基础上碳化炉的相关参数进行计算，进而进行设备选型。该设计具有较好的实际应用价值，对环境污染小,同时具有一定的社会、经济效益。

关键词

纯碱 ；生产工艺 ；碳化炉

第一章 纯碱的综述

1.1纯碱的性质和用途

1.1.1纯碱的性质

纯碱学名碳酸钠，俗名又称苏打，化学式:Na2CO3，是白色粉末状晶体，高温下易溶解，易溶于水，使溶液呈碱性，微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。纯碱水溶液可以与酸碱盐反应，反应方程式如下:

Na2CO32HCI2NaCIH2OCO2Na2CO3Ca(OH)2CaCO32NaOH Na2CO3BaCI2BaCO32NaCI

,

工业产品纯度为98-99%，依颗粒大小堆密度不同，可分为超轻质纯碱，轻质纯碱和重质纯碱，其大致范围见表1-1：

表1-1：不同纯碱产品的堆积密度范围

品种 超轻质纯碱 轻质纯碱 重质纯碱 ①按法定计量单位制，改用密度。 1.1.2纯碱的用途

纯碱是重要的化工原料之一, 用于制化学品、清洗剂、洗涤剂、也用于照相术和制医药品。绝大部分用于工业，一小部分为民用。在工业用纯碱中，主要是轻工、建材、化学工业，约占23；其次是冶金、纺织、石油、国防、医药及其它工业。玻璃工业是纯碱的最大消费部门，每吨玻璃消耗纯碱0.2吨。化学工业用于制水玻璃、重铬酸钠、硝酸钠、氟化钠、小苏打、硼砂、磷酸三钠等。冶金工业用作冶炼助熔剂、选矿用浮选剂，炼钢和炼锑用作脱硫剂。印染工业用作软水剂。制革工业用于原料皮的脱脂、中和铬鞣革和提高铬鞣液碱度。还用于生产合成洗涤剂添加剂三聚磷酸钠和其他磷酸钠盐等。食用级纯碱用于生产味精、面食等

纯碱的用途很广，一般都是利用它的碱性，可以用于制造玻璃，还可利用脂肪酸与纯碱反应制肥皂；在陶瓷工业中制取耐火材料和釉也要用到纯碱，化学工业中制取钠盐、金属碳酸盐、漂白剂、填料、洗涤剂、催化剂及染料等均要用到它。

堆积密度①，tm3 0.3～0.44 0.45～0.69 0.8～1.1

表1-2为1980年纯碱在各个生产部门的消费量:

消费量Mt 消费比例% 玻璃生产 15.66 54 化学制品生产 7.83 27 造纸工业 1.16 4 肥皂和洗涤剂生产 1.45 5 其他 2.90 10 总计 29.00 100

1.2纯碱工业的发展史及发展方向

1.2.1纯碱工业发展史

始于18世纪末，随着工业的需要和制碱原料的改变，生产技术得到迅速发展，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，都作出了突出的贡献。

吕布兰法的盛衰。18世纪中叶，英、法爆发了七年战争(1756～1763)，当时依赖于西班牙植物碱的来源断绝。1775年法国科学院悬赏巨金，征求可供实用的制碱方法。吕布兰提出以普通食盐为原料，用硫酸处理得芒硝及盐酸，芒硝再与石灰石、煤粉配合入炉煅烧生成纯碱的方法。1783年，法国科学院同意授予吕布兰奖金，但终未颁发。1791年，吕布兰获得专利权，同年由奥尔良公爵筹集巨款，在巴黎附近的圣但尼建立第一个吕布兰法碱厂。1823年英国取消盐税，引进吕布兰法，在利物浦建成纯碱工厂投入生产。从此，英国制碱工业突飞猛进，远远领先于法国。 1825～1880年间是吕布兰法制碱的极盛时期。它带动了硫酸、盐酸、漂白粉、芒硝以及硫磺等一系列化工产品的生产;对于化工装置,如气体洗涤器、旋转炉、机械烤炉、开口式特兰锅和香克式浸溶装置等的出现，也起了很大的促进作用。吕布兰法是化学工业兴起的重要里程碑。但其产品纯度低，生产成本高,劳动效率低,生产过程均固相操作，难以连续作业，加之回收的盐酸腐蚀性强，必须外销或另作处理。这些缺点促使探索新的制碱方法。

索尔维法的崛起和演变。 1861年，E.索尔维在煤气厂从事稀氨水的浓缩工作时，在用盐水吸收氨和二氧化碳的试验中得到碳酸氢钠。同年，他获得了用食盐、氨和二氧化碳制取碳酸钠的工业生产方法的专利。此生产方法被称为索尔维法,又称氨碱法。1863年,E.索尔维与兄弟A.索尔维筹集资金，组建至今依然存在的索尔维公司,并在比利时库耶建立纯碱厂，1865年1月投产，1872年产量达到日产 10t。1873年索尔维

公司所产纯碱在维也纳国际博览会上获得了质量纯净荣誉奖，从此索尔维法为世人所公认。1872年在法国南锡附近的栋巴勒另建一厂,现在年生产规模已达600kt。1874年英国在诺斯威奇附近的威灵顿1881年美国在纽约州的锡拉丘兹1883年俄国卢比莫夫索尔维公司在别列兹尼基相继建立碱厂。中国实业家于1917年筹办永利制碱公司，1920年在天津塘沽兴建永利碱厂（见图1-1）,1924年8月开工生产。

图1-1 天津塘沽永利碱厂

永利制碱公司20世纪20年代在塘沽兴建的中国第一座纯碱厂，1926年8月红三角牌纯碱获得万国博览会(美国费城)金质奖章。索尔维法生产纯碱所用原料易得,成本低廉，产品纯净，而且是以液相和气相作业过程为主，适于大规模连续生产，因而使当时每吨纯碱价格由13英镑降到4英镑多,并逐步取代了吕布兰法。但索尔维法仍有不少缺点，如盐利用率低（以钠计最多为75％）；每产1t碱，排放9～10m废渣、废液，淤塞港湾,污染环境。因此，索尔维法不断演变，在德国、中国和日本出现了多种改进的方法：

侯氏制碱法1937年日本进一步入侵中国。位于塘沽的永利碱厂被迫迁至四川五通桥。当时盐价昂贵，牛华溪一带地下黄卤浓度过淡，不符合索尔维法要求，加之在该地区排放废液亦有困难，必须予以改进。该厂在侯德榜博士主持下，从事改进索尔维法的研究。几年后，获得成功。1941年 3月15日永利公司总经理范旭东集会宣布，决定将新法命名为侯氏碱法。1943年12日侯氏制碱法在中国化学学会第十一届年会上公布，现称联合制碱法。

侯氏制碱法的突出特点,在于使工艺过程连续化,从而规模得到扩大；其次,此法不从固体碳酸氢铵开始,而是用盐卤先吸氨后碳酸化进行连续生产。由于该法不需中间盐作辅助剂，成本可以降低。1952年，中国在大连化工厂建立了日产10t的联合制碱

中试车间,1957年加以改进，通过实验确定了一次加盐、二次吸氨、一次碳化的工艺流程，并对设备选型、操作指标加以肯定。1964年，大型联合制碱装置在大连化学工业公司建成投产。

中国纯碱工业的发展 1949年，仅在天津塘沽、大连有两家纯碱厂，总产量为88kt。50年代，纯碱工业有了很大发展（见图1-2）,除对原有厂进行扩建、改造外,从1958年起，先后兴建了四川自贡、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。生产方法主要是索尔维法和侯氏制碱法，1984年以侯氏制碱法生产的纯碱占总量的44.6％，农用氯化铵产量居世界第一。但现在纯碱产量仍然不能满足国民经济发展需要，为使纯碱的供应能满足需要，已确定了建设新厂的计划并与小型氨厂结合改建一些新的小型联合制碱法工厂。

1.2.2纯碱工业世界分布及发展方向

①东欧：产量占世界总产量的三分之一，年总生产能力约11～12Mt。以苏联产量最大，占东欧总产量的一半，是世界第二大纯碱生产国。保加利亚、罗马尼亚和波兰近年来纯碱工业发展很快。东欧是纯碱输出地区，罗马尼亚约三分之一以上的产品供出口，是世界纯碱出口的第三大国。东欧制碱原料主要为地下岩盐，制碱方法多为索尔维法，仅苏联少量采用天然霞石炼铝联产纯碱。②西欧：产量占世界总产量的五分之一以上，年总生产能力约7～8Mt，约90％的能力为欧洲经济共同体成员国所有。西欧制碱原料主要为地下优质岩盐。西欧的纯碱工业主要由索尔维公司和卜内门化学工业公司所控制。前者现有年生产能力约4.5Mt,后者则约1.8Mt。制碱方法几乎都为索尔维法。③北美洲:产量占世界总产量的四分之一以上，年总生产能力约12Mt。主要生产国是美国。美国纯碱产量约占世界总产量的四分之一,居世界第一位,也是纯碱最大输出国之一。近年来约有产量的7％～10％的产品出口,几乎占资本主义国家纯碱出口量的一半。美国制碱原料为天然碱。④中国和亚洲：亚洲产量占世界总产量的八分之一，年总生产能力约 4Mt以上。主要生产国是中国、日本和印度。亚洲制碱原料多采用海盐(日本的原料盐基本上依赖进口)，纯碱生产采用索尔维法和侯氏制碱法。亚洲是纯碱不足的地区之一。中国纯碱工业近十年发展迅速。1985年产量达

图1-2 中国历年纯碱产量变化

到 2Mt，居世界第三位。主要分布在东部沿海地区，其中渤海湾和山东半岛的纯碱产量占全国总产量的四分之三。⑤其他地区：拉丁美洲的墨西哥、巴西、智利等国也有纯碱生产，但产量较低。非洲、大洋洲等地有卜内门化学工业公司建的天然碱加工厂和索尔维法制碱厂。

纯碱工业的发展，索尔维法仍占主导地位，并将持续下去，生产中正在研究无废物流程或回收有用废物、节约能源和降低成本的改进方法。联邦德国用叔胺和极性有机溶剂加入氯化钠溶液中，然后通入二氧化碳进行碳化,生成碳酸氢钠结晶,母液通过加热从有机相中分离出氯化氢，有机胺及有机溶剂循环使用。苏联利用部分母液蒸发结晶（热法）生产氯化铵，同时副产食盐，另部分母液蒸馏回收氨，废液氯化钙通过浓缩成为固体氯化钙，用作防冻剂和防尘剂等。美国天然碱生产的纯碱成本低，仍将

牢固地占据世界纯碱生产的重要地位,水溶法开采天然碱的研究获得成功后,天然碱生产费用将进一步降低。中国一方面将建设大型碱厂，并对老厂进行技术改造；另一方面将重视综合利用，扩大索尔维法生产中伴生的氯化钙的应用范围，利用侯氏制碱法中联产的氯化铵进行复合肥料生产。此外，将生产重质纯碱及食品纯碱和其他特种碱类产品，以改变纯碱产品单一的局面，满足市场需要。

第二章 纯碱的主要工艺及优缺点

2.1纯碱的生产工艺

2.1.1纯碱的工艺简述

纯碱的生产方法主要有两种：索尔维制碱法与侯式制碱法（也叫氨碱法与联碱法）

氨碱法（又称索尔维法）

它是比利时工程师索尔维（1838～1922）于1892年发明的纯碱制法。它以食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气为原料来制取纯碱。先使氨气通入饱和食盐水中而成氨盐水，再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液。其化学反应原理是NaCINH3H2OCO2NaHCO3NH4CI 将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体，再加热煅烧制得纯碱产品，放出的二氧化碳气体可回收循环使用。2NaHCO3Na2CO3H2OCO2。含有氯化铵的滤液与石灰乳[Ca(OH)2]混合加热，所放出的氨气可回收循环使用。CaOH2OCa(OH)2，

2NH4CICa(OH)2CaCI22NH32H2O。 联合制碱法（又称侯式制碱法）

它是我国化学工程专家侯德榜（1890～1974）于1943年创立的。是将氨碱法和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。原料是食盐、氨和二氧化碳——合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气。其化学反应原理是：

CH2OCOH2,COH2OCO2H2。

联合制碱法包括两个过程：第一个过程与氨碱法相同，将氨通入饱和食盐水而

成氨盐水，再通入二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，经过滤、洗涤得NaHCO3微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有氯化铵和氯化钠的溶液。第二个过程是从含有氯化铵和氯化钠的滤液中结晶沉淀出氯化铵晶体。由于氯化铵在常温下的溶解度比氯化钠要大，低温时的溶解度则比氯化钠小，而且氯化铵在氯化钠的浓溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。所以在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。此时滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上被氯化钠饱和，可回收循环使用。

2.2纯碱生产工艺的优缺点

氨碱法的优缺点：原料（食盐和石灰石）便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。但氨碱法也有许多缺点：首先是两种原料的成分里都只利用了一半—食盐成分里的钠离子(Na)和石灰石成分里的碳酸根离子(CO3)结合成了碳酸钠，可是食盐的另一成分氯离子

2(CI)和石灰石的另一成分钙离子(Ca2)却结合成了没有多大用途的氯化钙(CaCI2)，因此如何处理氯化钙成为一个很大的负担。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，这是一个很大的损失。

联合制碱法的优缺点：其最大的优点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，生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵。将氨厂的废气二氧化碳，转变为碱厂的主要原料来制取纯碱，这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；将碱厂的无用的成分氯离子(CI)来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵。从而不再生成没有多大用处，又难于处理的氯化钙，减少了对环境的污染，并且大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。

通过对以上两种制碱方法的比较，本论文拟采用氨碱法生产纯碱。

第三章 氨碱法生产纯碱的工艺流程和主要设备

3.1氨碱法生产纯碱工艺流程及图示

3.1.1氨碱法生产纯碱的工艺流程

氨碱法制碱的总工艺流程见图3-1，从图中可以看出生产过程中各工序间的相互关系。

3-1 氨碱法制纯碱工艺总流程

图

3.1.2氨碱法生产纯碱工艺图示介绍

关于氨碱法生产过程中的物系组成变化，如三棱柱体图3-2）所示。

图3-2 氨碱法生产过程图示

图中三角坐标分别表示OH，HCO8和CI三种离子，第四垂直坐标下端为Na,上端为NH4,所以三棱柱的六个角分别代表：NaCl,NaHCO3,NaOH,NH4Cl,NH4HCO3和NH4OH。图中未涉及水，都是以干基表示的，图中各点意义如下： A—精制盐水（粗盐水经精制后会出现少量NH4Cl） B—蒸氨塔来气（含有氨和二氧化碳，相当于20%重碳酸化） C—氨盐水

E—预碳化塔（或称清洗塔，中和塔）来的预碳化氨盐水，约30%的重碳酸化 K—制碱塔出来的晶浆，约95%重碳酸化

M—预热段顶出气（约80%重碳酸化，但不包括石灰蒸馏段所蒸出的气） L—由蒸氨预热段流入预灰桶的液体（仅含固定氨）

N—重碱 P—滤液

R—煅烧后卸出轻质纯碱（含微量NaCl）

精制盐水由于除了钙镁而出现微量结合氨，所以代表原始液的点不能位于NaCI顶点，而位于NaCI和NH4CI边上的A点处。此盐水吸收了来自蒸氨塔顶的气体（以B点表示），用直线连接AB则代表氨化过程路径，最后进行到C点，即氨盐水的组成点，其中氨盐比为1.11：1。氨盐水经澄清冷却送入清洗塔，经预碳酸化而得含有约30%重碳酸盐的溶液，以点E示出；E为KC与AD的交点（D为30%重碳酸化点）。这预碳化液再送入制碱塔中，使之碳化到尽可能高的重碳酸化程度，这一碳酸化过程线并非与NH4HCO3— NaOH线完全平行，而是稍向下倾斜。这是因为在碳酸化过程中液相中少量NH3随惰性气体解吸吹出塔顶而损失。

重碱的沉淀是在塔中逐渐析出的，实际上，在95%左右的重碳酸化时已达最高点，这一点即为塔底与浓二氧化碳反应所得取出晶浆，这一点K位于碳化过程线KC与AH（H位95%重碳酸化点）的交点。

相当于K点的晶浆，经过滤分为滤液P和重碱N；对于过滤后所得的重碱一克分子中，由于含有0.05克分子的NH4HCO3，所以KN线并不通过NaHCO3顶点，而是附近N点；煅烧时因NaHCO3分解而达到Q点，继续分解而得到纯碱R，此点R应与NaHCO3-NaOH边线的中心点Na2CO3相重合，但由于煅烧重碱晶体表面附有微量母液，会由微量NaCl出现于产品纯碱中，故QR线并非沿着NaHCO3-NaOH边线到其中点。

P点代表滤液，滤液线到蒸氨塔预热段顶而后往下流动不断分解，得出高于80%重碳酸化的氨气M（不包括蒸出结合氨重的NH3）及流出预热段的溶液L，L液含有约72%的结合氨流入预灰桶石灰蒸馏段，这里蒸出的NH3液通过预热段并与预热段蒸出气M混合后成为相当于上述B点的蒸氨来气用于制氨盐水，而蒸氨塔底最后流出含有CaCl2的废液排出。

3.2蒸氨过程的主要设备及化学反应

3.2.1蒸氨过程的主要设备

蒸氨过程的的主要设备有蒸氨塔，它包括母液预热器、预热段和石灰蒸馏段。

母液预热器和气体冷凝器两部分的作用是回收热量和降低氨气中的水分。它们由7—10个卧式水箱组成，管外走热气，管内走母液或冷却水。冷母液在母液预热器中与蒸出的热气体间壁换热，使其温度由25—32℃升高到70℃左右，而后进入预热段。同时，热气体由88—90℃降到65—67℃后进入气体冷凝器，其中大部分水汽经冷凝后进入吸氨塔。位于塔的中部，也可称为加热器，一般采用各种填料或设置“托液槽”，以使气液良好接触，加大热量、质量传递表面。母液由上部经分液板加入，与下部来的热气体直接接触，蒸出所含的游离氨及二氧化碳，最后剩下只含结合氨和盐的母液。

经预热段后，因母液中的结合氨在加热时不能分解，所以先将母液从塔中引入预灰桶与石灰乳混合。预灰桶上装有搅拌器，使母液与石灰乳混合均匀。此时，大部分结合氨即转变为游离氨，再进如塔中的石灰乳蒸馏段进行蒸馏，石灰乳蒸馏段位于塔的下部，内设有十多个单菌帽形泡罩板。预灰桶出来的含石灰乳的母液加入该段的上部，与塔底蒸汽流接触。通过这段蒸馏后，99%的氨已被蒸出，含微量氨的废液由塔底排出。

蒸馏塔的所需热量谁由塔底进入的低压蒸汽供给的，每生产1t纯碱约需耗用蒸汽1.5—2.0t。近年塔内采用聚丙烯玻璃纤维增强的鲍尔环，优点是质轻易装卸破碎率低。

3.2.2蒸氨过程中的主要化学反应

母液是含有多种化合物的溶液，蒸氨过程中所发生的主要化学反应如下： 1.预热段中的反应

NH4OHNH2H2O

(NH4)2CO32NH3CO2H2O NH4HCO3NH3CO2H2O

溶解于过滤母液中的NaHCO3和Na2CO3发生如下反应：

NaHCO3NH4CINaCINH3H2OCO2 Na2CO32NH4CI2NaCI2NH3CO2H2O 2.在调和槽及石灰乳蒸馏段中的反应

Ca(OH)22NH4CICaCI22NH32H2O

Ca(OH)2CO2CaCO3H2O

3.3蒸氨塔理论塔板数的确定

3.3.1石灰乳蒸馏段与预灰桶的理论塔板数

石灰蒸馏段中料液可近似按NH3—H2O系统处理，在确定此二组分蒸馏过程中的设备时，其理论塔板数可利用简单图解法进行计算。但要注意计算是在下述假设条件下进行的，即没有热损失，同时在设备整个高度方向上的压力变化不大，可取平均值使用。其平衡曲线可由图3-3或图3-4求出。

图3-3 氨—水系统温度与组成曲线

图3-4 蒸馏段塔板x-y图计算 如当液相浓度x<0.5%（重量）时，完全可用亨利定律关系y=Kx计算，此处K=14.5L（若x值以tt计，可用y=1.3x），其操作线应为y=G(x-xm),式中xm为已知的塔下部废液中的氨含量，L,G分别为液、气的重量流速。 操作线的端点液相（具有浓度xB）是由预灰桶流出来的液体。而预灰桶中的氨的蒸出，也可在图中绘出操作线，它通过点（xB,0）和点（xC,y0），此处xC表示进预灰桶的液体的氨浓度，而y0为与进入石灰蒸馏段液相所平衡的气相浓度，如图中0点，预灰桶的操作线为B/C线，而蒸馏段操作线为AB线（见图3-4）。

3.3.2预热段理论塔板数

图3-5所表示的是当把预热段示为NH3CO2H2O三元系统时，在一大气压下蒸馏过程中用图解法确定理论塔板数和该塔各段成分的示例，其绘制法如下： 作一气相成分y-z等腰直角三角形，根据图3-6作出x=常数，u=常数的浓度线网，然后在边上接上两个正方形，以表示系统的个别组成相图。在y-x坐标内为NH3的相图，z-u坐标内为CO2相图，既已知L,G为定值，并知进塔液中xB、uB及塔底废液损失xm及um,则塔顶蒸出气组成应为： L(xBxm) GL z1(uBum) Gy1根据这些数据在正方形两象限中分别作出操作线A/B/和A//B//,以表示塔的任何断面上气液两相的关系，此两直线方程（操作线）为： 图3-5 三组分NH3CO2H2O蒸馏图解计算

xxBG(yy1) LGuuB(zz1) L由此可以确定，在已知出塔液成分（xm、um）和进塔气中NH3浓度（yu）情况下所必需的理论塔板数（m）。 必须指出，为了使用“理论板“法来计算三元混合物的蒸馏过程，曲线y=f(x)和z=f(u)应接近于直线。 3.4氨盐水的碳酸化过程及碳化塔

3.4.1氨盐水碳酸化过程

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、结晶和传热等单元过程。这些单元过程互相联系且互相制约。碳酸化的基本反应可以用下列方程式概括：

NaCINH3CO2H2ONaHCO3NH4CI

碳酸化的目的在于获得产率高、质量好的碳酸氢钠结晶，以便过滤、煅烧得到成品。结晶的产率高，标志着氯化钠和氨的利用率高，从而使产品成本降低。结晶质量好即颗粒大而均匀，便于和母液分离，可相应减少洗水用量，从而可以获得纯度较高的纯碱成品和降低蒸氨负荷。碳酸化的典型流程如图3-6所示。

将氨盐水注入清洗塔（又称预碳化塔和中和塔）中，鼓入窑气，溶解塔中的疤垢并初步提高碳化度后再送入制碱塔，窑气和煅烧重碱所得的炉气经压缩机（往复式或离心式）升压后送入塔内。出塔晶浆靠液位而自压到碱液槽，送往过滤工序。制碱塔生产一段后，塔内结疤垢较厚、传热不良、不利析晶，而清洗塔则已清洗完毕，此时可相互倒换使用，两塔尾气中含有少量的氨及二氧化碳，经气液分离后母液送往盐水车间供精制盐水用。在实际生产过程中，常由塔数组成一组，其中一塔清洗，其它塔制碱。

图3-6 碳酸化示意流程图

1— 氨盐水泵；2—清洗气压缩机；3—中段气压缩机；4—下段气压缩机；5—分离器；6a、6b—碳化塔；7—中段气冷却塔；8—下段气冷却塔；9—气升输卤器；10—尾气

分离器；11—碱液槽

3.4.2碳化塔设备

碳化塔是氨碱法制纯碱的主要设备之一，如图3-7所示。它是由许多铸铁塔圈组装而成，结构上大致可分为上、下两部分：上部为二氧化碳吸收段，每圈之间装有笠帽形板及略向下倾的漏液板，板及笠帽边缘都有分散气泡的牙齿以增加气液接触面积，促进吸收。塔的下部有十个左右的冷却水箱（其水箱数视水温和生产强度而定），用以冷却碳化液以析出结晶，水箱中间也设有笠帽。碳化塔的底部有晶浆取出口和浓CO2气（下段气）入口，冷却段中部又有稀CO2气（中段气）入口（此为两段进气）。塔顶有进液口及尾气出口，塔高约22～25m，目的是为保持一定的液柱和停留时间。液柱过高也无必要，因为静压过高会造成压缩机功率浪费，而出塔晶浆的碳化度也不会增加多少。

图3-7 碳化塔

碳化塔直径一般为1.98～3.2m，目前有向大型化发展的趋势。通常塔径可按下式估算。 D=〔生产能力（t/d)1/2〕 30.785塔高（m）生产强度（t/m·d)

冷却水箱的前后花板上设有隔板，可使冷却水走向成为“之”字或“田”字等，以利于传热。冷却水箱多采用铸铁制作，传热系数初期为186～233Wm2·K。后期降到105～140 Wm2·K左右。一般经验认为，日产t纯碱需冷却面积6～8m2。 我国各纯碱厂仍以传统塔型设备为主，其主要性能列于表3-1。 表3-1 不同尺寸碳化塔结构及主要工艺性能表 塔径，mm 塔高，mm 笠帽（上段） 个数（上段） 塔阀高度，mm 隔板开孔率，% 上盖开孔率，% 水箱数，个 冷却面积，m2 操作压力，Mpa 生产能力，td 空塔气速，m 生产强度tm3· 1200 22542 16 0 600 11.3 33.7 10 128 1.3 21 0.0355 0.83 1600 18200 16 0 450 9.55 23.4 10 200 0.7 35.6 0.038 0.554 1980 25069 21 11 375.606 9.0 33.5 11 内459外588 0.4 74 — 0.716 由于水箱笠帽式碳化塔存在表面结疤、生产周期短、结构复杂、建设投资大等缺点，我国开发的自然循环外冷式碳化塔已于1985年开展了大规模的实验。该塔如图3-8所示，上段直径2.5m、下段直径2.8m，高26.5m。外部冷却器两台，直径1.3m、高7.4m。塔上部为筛板和泡罩，中部和下部有多个中心循环管，塔内悬浮液经循环口j排出，冷却后液体由循环口m返回塔内，而从出碱口a取出。 2500 25117 21 10 420 8.4 31.5 9 内737外912 0.4 322 — 3200 26650 — 29 540.800 9.8 — 12 1921 0.3 220—240 — 0.98～1.15 1.22～1.33

图3-8 自然循环外冷式碳化塔

a—出碱口；b—下段气入口；c—中段气d—氨母液Ⅱ入口；e—尾气出口；j1,2—外循环出口；m1,2—外循环入口

入口；

第四章 氨盐水碳酸化系统的物料及热量衡算

4.1碳酸化系统中的物料衡算

4.1.1典型溶液的组分归纳

盐水吸氨成为氨水（NH4OH）.预碳化液虽然部分增添了CO2,但碳化度R未达到100，故部分仍以(NH4)2CO3形态存在。可归纳为NH4OH(NH4)2CO3。其后，在碳化塔中的NH4OH全部消耗完，出现碳酸氢盐（重碳酸盐）与碳酸盐并存，而碳酸氢盐又部分沉出为重碱，同时出现氨(NH4CI),故归纳为(NH4)2CO3NH4HCO3NH4CI。这种分析路线虽非反应机理，但对系统做物料、热量衡算时是合用的。 现举例计算如下： 表4-1 物料衡算的基本数据 密度 TC1(tt) CO2(tt) FNH3(tt) CNH3(tt) 温 度（℃） 热 容（KJkg·K） （kgm） 3氨盐水 取出97.5 清液 41.1 25.0 71.5 — 30 3.266 89.8 24.1 100.8 0 1175.00 35 3.266 进入系统气体：（炉气与窑气）平均温度30℃，压力为0.4Mpa，含CO2为57%。 排出系统气体：平均温度42℃，压力为0.25Mpa。CO2再碳化系统的吸收率为93%。 4.1.2物料衡算

计算基准：取10000kg产品为基准，考虑各种损失在内，按10500kgNa2CO3 计。

计算： 1.氨盐水摩尔体积 10500=60.168m3 89.85371.597.520取出清液摩尔体积 60.16889.8=55.416m3 97.52.氨盐水组成 89.858.560.16815804kg 2024.14860.1683480.1kg (NH4)2CO320100.824.13560.1688076kg NH4OH 20NaCI .0060.168(158043480.18076)43337.2kg H2O 11753.取出清液组成 97.571.558.555.4164214.4kg 2071.553.555.41610599kg NH4CI 2041.125.07955.4163524.2kg NH4HCO3 2025.0(41.125.0)4855.4161183.7kg (NH3)2CO320NaCI 4.沉出的重碱结晶量 1050084216641.5kg 1065.按化学反应式计算反应物量及生成物量由NaHCO3量计算得： NaCINH4HCO3NH4CINaHCO3 11589.6 15650.9 10599 16641.5 由参加反应的(NH4)2CO3计算得：

(NH4)2CO3CO2H2O2NH4HCO3 （3480.1-1183.7）1052.5 430.6 3779.5 求NH4OH及CO2参加反应量： NH4OHCO2NH4HCO3 6820.8 8574.8 (15650.9-3524.2-3779.5)=15395.6 剩余的NH4OH为气相所分解带走（即氨的挥发量）为： NH4OHNH3H2O (8076-6820.8) 609.7 645.5 6.进气的计算 系统吸收CO2量： 1050041.189.824.1244[]2260.1689627.3kg 1062097.520由吸收率93%可知鼓入总CO2为 9627.310351.9kg5270.1Nm3 0.93进气总量为 5270.19245.7Nm3 0.57其中H2O(g)为 9245.73297.3Nm378.2kg 4760惰气（按N2计）为： 9245.7-97.3-5270.1=3878.3Nm34847.9kg 7.出气的计算： 惰气 3878.3Nm34847.9kg CO2含量 10351.9-9627.3=724.6kg368.9Nm3

NH3含量 609.7kg803.3Nm3 干气总量 3878.3+368.9+803.3=5050.6Nm3 H2O(g)含量 5050.6622.5760170.37Nm3136.9kg 6212.5760表4-2 氨盐水碳化系统的物料衡算表 以上计算可得出氨盐水碳化系统物料衡算见表4-2。 组分 NaCI 收入 氨盐水 进气 15804 8076 3480.1 43337.2 70687.3 78.2 参加反应 11589.6 8076 2296.4 15650.9 反应生成 16641.5 19175.1 10599 共计 支出 取出清沉淀 液 4214.4 4214.4 16641.5 16641.5 1183.7 3524.2 10599 1183.7 3524.2 10599 16641.5 尾气 136.9 724.6 609.7 4847.9 6319.1 共计 4212.4 16641.5 1183.7 3524.2 10599 43493.4 136.9 724.6 609.7 4847.9 85975.3 NaHCO3 NH4OH (NH4)2CO3 NH4HCO3 NH6CI H2O(l) H2O(g) CO2(g) 430.6汽645.5 化58.7 58.7 609.7 47729.5 43493.4 43493.4 136.9 724.6 609.7 4847.9 NH3(g) 惰气 总计

10351.9627.3 9 4847.9 15278 47729.5 85975.3 63014.7

4.3热量衡算

计算基准：对所用化合物以0℃为基准温度，水为液态。 1.反映热计算（按25℃计算） NH6OH(aq)NH3(g)H3O35.2kJ/mol 氨解吸量为60.97kg ∴Q1=60.9735.2100001262437.6kJ 17NH3OH(aq)CO2(g)NH4HCO3(aq)77.4kJ/mol NH4OH反应量为682.08kg ∴Q2=682.0877.41000015083719.7kJ 35(NH4)2CO3(aq)CO2(g)H2O(l)2NH4HCO3(aq)59.9kJ/mol (NH4)2CO3反应量为229.6kg ∴ Q3=229.6459.9100001432857.9kJ 96NaCI(aq)NH4HCO3(aq)NH4CI(aq)NaHCO3(s)20.5J/mol NaCI 反应量为1158.96kg ∴Q4=1158.9620.5100004061372.8kJ 58.5总反应热： Q=Q1Q2Q3Q419315452.8kg 近年来人们深感能源紧张，而在使用中却浪费不少，其原因是由于对过程没有认真分析，对能量只停留在数量上加以理解与使用，未有更多地对其品味及做功率进行探求。在这方面合成氨等工业早已注意，并从能耗上进行了分析，已经在工艺上乃至设备选用上得到改进。

第五章 氨碱法制碱厂的排污与三废处理

5.1氨碱法纯碱生产的排污系统

5.1.1氨碱法纯碱生产厂的排污

因工厂所在位置不同而各异，一般说，沿海的工厂多采用把蒸馏废液排放入海，事先要静置沉去固体，此固体年久则成为“白灰埝”（此区即称为“白海”），排放入海尽量要远些，原因是工厂还需要大量海水，作为冷却水之用，这就要求排污区域要与取水区域中间筑一长堤以免互混。

有的工厂将使用完的冷却水送入大池存放，且使之循环喷到空中以自然冷却，此水也能重复使用，此即所谓冷却水喷淋池，如此则可减少由海洋取水的问题。新建的碱厂应认真对待排污问题。

5.1.2氨碱厂的三废处理

氨碱法生产纯碱过程中出现三废，如不经过处理必将造成环境的污染。纯碱厂的三废是指废液、废气和废渣，在氨碱法生产中，1t纯碱约消耗3.5t原料和燃料，除部分变成成品外，约有2t多的三废排出。氨碱法三废只要出现在蒸氨工序，除少部分CaCI2,NaCI回收利用外，其余皆属三废排放。总之，生产1t纯碱要排出废液废渣10t以上。三废组成为：废气：CO2CO2,NH3,水蒸汽，含碱空气等；废液：

H2O,NaCI,CaCI2等；废渣：CaCO3,SiO2等。这种长年昼夜排出的三废，进入江河湖海，当然造成系统污染，影响渔业及水产养殖业，淤塞航运，形成“白海”，使海中生物鱼虾，趋于日渐减少。

关于废渣，盐水精制中分离出的钙镁杂质，可生产优质氧化镁，轻质碳酸镁，碳酸钙等，用于橡胶塑料电缆等，作为填充剂，以及冶金化工中应用。蒸馏废渣经适当加工处理，可生产土壤改良剂，（或叫钙镁肥），低标号水泥，肥水泥粘结材料，家禽饲料等产品，应用于农牧业，建筑、石油等行业。

我国对纯碱生产中的蒸馏废渣利用，也曾开展多项科研工作，如大连制碱工业研究所、天津碱厂等与农业科研部门协作进行了土壤改良研究，1979年起在华南进行三年施肥实验，1982年起在大连市郊各县进行了三年大田实验，对花生、大豆、白

菜等梁菜作物，都有增产效果，天津碱厂利用废渣制水泥，大连碱厂利用废液研制碳化砖，青岛碱厂也进行了土壤改良剂试制，并在农田试验，都取得一定的成效。

废液废渣，不论国内外，目前采用排放式，如清废液排海，废渣堆存，围海造地，深海倾倒等。综合利用CaCI2,水泥，钙镁肥等有一定发展，如苏联用CaCI2作添加剂，低温煅烧水泥，可使煅烧温度降低400～500℃，节约燃料30%，并提高了水泥标号，提高了改革工艺，走盐碱联产技术路线。包括海盐为原料的盐碱联产和以地下盐卤为原料直接制纯碱的工艺。

致谢

本论文是在我的辅导老师王保玉的悉心知道下完成的，从课题的选择到论文的最终完成，王老师给为了我很大的帮助和支持，王老师多次询问论文进展情况，并为我指出需要修改的地方，在此向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

我还要感谢我的室友们和我的同班同学，是你们和我维系着彼此兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽，在做毕业论文期间，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情还始终无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，我的老师、同学、朋友给了我很多无言的帮助，在这里请接受我诚挚的感谢，最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！

参考文献

[1]侯德榜，《制碱工学》[M]，化学工业出版社，1956年.

[2]华东化工学院等编；《无机物工学（纯碱与烧碱）》[M]，中国工业出版社，1961年.

[3]王楚、廖伯达，化学工业，1965年.

[4]大连制碱研究所，制碱工业简讯[J]，1975年. [5]蒋坤良，氨碱厂蒸馏过程剖析，纯碱工业[J]，1987年. [6]自贡市红鹤化工总厂等，纯碱工业，1987年. [7]华克刚，纯碱工业[J]，1981年. [8]程京波，纯碱工业[J]，1981年. [9]叶铁林，纯碱工业[J]，1986年.

[10]切尔诺夫，《纯碱工业》，中译本，化学工业出版社，1959年.