年产10万吨氨碱法制碱生产工艺毕业设计(论文).doc

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） （冶金化工系）（冶金化工系） 题题 目目 年产 10 万吨氨碱法制碱生产工艺 济源职业技术学院毕业设计（论文） i 毕业论文（设计）原创性声明毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的本人所呈交的毕业论毕业论文（文（设计设计）是我在）是我在导师导师的指的指导导下下进进行的研究工行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除文中已作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经经注明引用的内容外，本注明引用的内容外，本论论文文 （ （设计设计）不包含其他个人已）不包含其他个人已经发经发表或撰写表或撰写过过的研究成果。的研究成果。对对本本论论文（文（设计设计） ） 的研究做出重要的研究做出重要贡贡献的个人和集体，均已在文中作了明确献的个人和集体，均已在文中作了明确说说明并表示明并表示谢谢 意。意。 作者作者签签名：名： 日期：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明毕业论文（设计）授权使用说明 本本论论文（文（设计设计）作者完全了解）作者完全了解*学院有关保留、使用学院有关保留、使用毕业论毕业论文（文（设计设计）的）的 规规定，学校有定，学校有权权保留保留论论文（文（设计设计）并向相关部）并向相关部门门送交送交论论文（文（设计设计）的）的电电子版子版 和和纸质纸质版。有版。有权权将将论论文（文（设计设计）用于非）用于非赢赢利目的的少量复制并允利目的的少量复制并允许论许论文（文（设设 计计） ）进进入学校入学校图书馆图书馆被被查阅查阅。学校可以公布。学校可以公布论论文（文（设计设计）的全部或部分内容。）的全部或部分内容。 保密的保密的论论文（文（设计设计）在解密后适用本）在解密后适用本规规定。定。 作者作者签签名：名： 指指导导教教师签师签名：名： 日期：日期： 日期：日期： 济源职业技术学院毕业设计（论文） ii 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文 科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他 人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国 家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用 a4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 济源职业技术学院毕业设计（论文） iii 目录 摘要摘要1 第一章第一章 纯碱的综述纯碱的综述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 第二章第二章 纯碱的主要工艺及优缺点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 第三章第三章 氨碱法生产纯碱的工艺流程和主要设备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 第四章第四章 氨盐水碳酸化系统的物料及热量衡算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 济源职业技术学院毕业设计（论文） iv 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 致谢致谢28 参考资料参考资料29 济源职业技术学院毕业设计（论文） -1- 摘要摘要 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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -2- 第一章第一章 纯碱的综述纯碱的综述 1.1 纯碱的性质和用途纯碱的性质和用途 1.1.1 纯碱的性质纯碱的性质 纯碱学名碳酸钠，俗名又称苏打，化学式:na co ，是白色粉末状晶体，高温 23 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: , 2232 22coohnacihcicona naohcacoohcacona2)( 3232 nacibacobacicona2 3232 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 品种堆积密度，t/m3 超轻质纯碱 轻质纯碱 重质纯碱 0.30.44 0.450.69 0.81.1 按法定计量单位制，改用密度。 1.1.2 纯碱的用途纯碱的用途 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 2/3；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。 济源职业技术学院毕业设计（论文） -3- 表 1-2 为 1980 年纯碱在各个生产部门的消费量: 玻璃生产化学制品 生产 造纸工业肥皂和洗 涤剂生产 其他总计 消费量 mt15.667.831.161.452.9029.00 消费比例%54274510100 1.2 纯碱工业的发展史及发展方向纯碱工业的发展史及发展方向 1.2.1 纯碱工业发展史纯碱工业发展史 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(17561763)，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。 18251880 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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -4- 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 910m 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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -5- 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纯碱工业世界分布及发展方向 东欧：产量占世界总产量的三分之一，年总生产能力约 1112mt。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。西欧：产量占世 界总产量的五分之一以上，年总生产能力约 78mt，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。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 710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。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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -6- 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。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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -7- 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。 第二章第二章 纯碱的主要工艺及优缺点纯碱的主要工艺及优缺点 2.1 纯碱的生产工艺纯碱的生产工艺 2.1.1 纯碱的工艺简述纯碱的工艺简述 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（18381922）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 将经过滤、洗涤得到的微cinhnahcocoohnhnaci 43223 3 nahco 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。 。含有氯化铵的滤液与石灰乳混合加 22323 2coohconanahco)( 2 ohca 热，所放出的氨气可回收循环使用。， 22 )(ohcaohcao 。ohnhcaciohcacinh 23224 22)(2 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（18901974）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、 济源职业技术学院毕业设计（论文） -8- 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： ,。 22 hcoohc 222 hcoohco 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 和石灰石成分里的碳酸根离子结合成了碳酸钠，可是食盐的另一成分)( na)( 2 3 co 氯离子和石灰石的另一成分钙离子却结合成了没有多大用途的氯化钙)( ci)( 2 ca ，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)( 2 caci 料食盐的利用率只有 7274，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来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的)( ci 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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -9- 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。 第三章第三章 氨碱法生产纯碱的工艺流程和主要设备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。 图 3-1 氨碱法制纯碱工艺总流程 济源职业技术学院毕业设计（论文） -10- 3.1.2 氨碱法生产纯碱工艺图示介绍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 ，hco和 ci 三种离子，第四垂直坐标下端为 na ,上 8 端为 nh,所以三棱柱的六个角分别代表：nacl,nahco ,naoh,nh cl,nh hco 和 4 3443 nh oh。图中未涉及水，都是以干基表示的，图中各点意义如下： 4 a精制盐水（粗盐水经精制后会出现少量 nh cl） 4 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） 济源职业技术学院毕业设计（论文） -11- 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 nh ）及流出预热段的溶液 l，l 液含有 3 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 cacl 的废液排出。 2 3.2 蒸氨过程的主要设备及化学反应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。 济源职业技术学院毕业设计（论文） -12- 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 710 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 2532升高到 70左右，而后进入预 热段。同时，热气体由 8890降到 6567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 1.52.0t。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 ohnhohnh 224 ohconhconh 223324 2)( ohconhhconh 22334 溶解于过滤母液中的和发生如下反应： 3 nahco 32co na 22343 coohnhnacicinhnahco ohconhnacicinhcona 223432 222 2.在调和槽及石灰乳蒸馏段中的反应 济源职业技术学院毕业设计（论文） -13- ohnhcacicinhohca 23242 222)( ohcacocoohca 2322 )( 3.3 蒸氨塔理论塔板数的确定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 nh h o 系统处理，在确定此二组分蒸馏过程中 32 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 济源职业技术学院毕业设计（论文） -14- 图 3-4 蒸馏段塔板 x-y 图计算 如当液相浓度 x0.5%（重量）时，完全可用亨利定律关系 y=kx 计算，此处 k=14.5（若 x 值以 tt 计，可用 y=1.3x），其操作线应为 y=(x-x ),式中 x 为已 g l mm 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 x ）是由预灰桶流出来的液体。而预灰桶中的氨 b 的蒸出，也可在图中绘出操作线，它通过点（x ,0）和点（x ,y ），此处 x 表示 bc0c 进预灰桶的液体的氨浓度，而 y 为与进入石灰蒸馏段液相所平衡的气相浓度，如图 0 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）。 / 济源职业技术学院毕业设计（论文） -15- 3.3.2 预热段理论塔板数预热段理论塔板数 图 3-5 所表示的是当把预热段示为三元系统时，在一大气压ohconh 223 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 nh 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 x 、u 及塔 3bb 底废液损失 x 及 u ,则塔顶蒸出气组成应为： mm )( 1mb xx g l y )( 1mb uu g l z 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 三组分蒸馏图解计算ohconh 223 济源职业技术学院毕业设计（论文） -16- )( 1 yy l g xx b )( 1 zz l g uu b 由此可以确定，在已知出塔液成分（x 、u ）和进塔气中浓度（y ）情 mm3 nh u 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： cinhnahcoohconhnaci 43223 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。 济源职业技术学院毕业设计（论文） -17- 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 co 气（下段气）入口，冷却段中部又有稀 co 气（中段气）入口（此 22 为两段进气）。塔顶有进液口及尾气出口，塔高约 2225m，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。 济源职业技术学院毕业设计（论文） -18- 图 3-7 碳化塔 碳化塔直径一般为 1.983.2m，目前有向大型化发展的趋势。通常塔径可按下 式估算。 d= )/785 . 0 )/ 3 dmtm dt 生产强度（）塔高（ 生产能力（ 2/1 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 186233w/m k。后期 2 降到 105140 w/m k 左右。一般经验认为，日产/t 纯碱需冷却面积 68m 。 22 济源职业技术学院毕业设计（论文） -19- 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，mm12001600198025003200 塔高，mm2254218200250692511726650 笠帽（上段）16162121 个数（上段）00111029 塔阀高度， mm 600450375.606420540.800 隔板开孔率， % 11.39.559.08.49.8 上盖开孔率， % 33.723.433.531.5 水箱数，个101011912 冷却面积， m2 128200内 459 外 588 内 737 外 912 1921 操作压力， mpa 1.30.70.40.40.3 生产能力， t/d 2135.674322 220240 空塔气速， m/ 0.03550.038 生产强度 t/m3 0.830.5540.716 0.981.151.221.33 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。 济源职业技术学院毕业设计（论文） -20- 图 3-8 自然循环外冷式碳化塔 a出碱口；b下段气入口；c中段气入口； d氨母液入口；e尾气出口；j外循环出口；m外循环入口 2, 12, 1 济源职业技术学院毕业设计（论文） -21- 第四章第四章 氨盐水碳酸化系统的物料及热量衡算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碳酸化系统中的物料衡算 4.1.1 典型溶液的组分归纳典型溶液的组分归纳 盐水吸氨成为氨水（）.预碳化液虽然部分增添了 co ,但碳化度 r 未ohnh4 2 达到 100，故部分仍以形态存在。可归纳为。其后， 324) (conh 3244 )(conhohnh 在碳化塔中的全部消耗完，出现碳酸氢盐（重碳酸盐）与碳酸盐并存，而ohnh4 碳酸氢盐又部分沉出为重碱，同时出现氨,故归纳为)( 4ci nh 。这种分析路线虽非反应机理，但对系统做物料、cinhhconhconh 434324) ( 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 )( 1 tttc)( 2 ttco)( 3 ttfnh)( 3 ttcnh 密度（kg/m ） 3 温 度 （） 热 容 （kj/kgk） 氨 盐 水 89.824.1100.801175.00353.266 取 出 清 液 97.541.125.071.5 303.266 进入系统气体：（炉气与窑气）平均温度 30，压力为 0.4mpa，含 co 为 2 57%。 排出系统气体：平均温度 42，压力为 0.25mpa。co 再碳化系统的吸收率为 93%。 2 济源职业技术学院毕业设计（论文） -22- 4.1.2 物料衡算物料衡算 计算基准：取 10000kg 产品为基准，考虑各种损失在内，按 10500kgna co 计。 23 计算： 1.氨盐水摩尔体积 =60.168m 20 53 5 . 97 8 . 89 5 . 71 10500 3 取出清液摩尔体积 60.168=55.416m 5 . 97 8 . 89 3 2.氨盐水组成 nacikg15804168.60 5 . 58 20 8 . 89 324) (conhkg 1 . 3480168.6048 20 1 . 24 ohnh4kg8076168.6035 20 1 . 24 8 . 100 oh2kg 2 . 43337)8076 1 . 348015804(168.6000.1175 3.取出清液组成 nacikg 4 . 4214416.55 5 . 58 20 5 . 71 5 . 97 cinh4kg10599416.55 5 . 53 20 5 . 71 34hco nhkg 2 . 3524416.5579 20 0 . 25 1 . 41 323) (conhkg 7 . 1183416.5548 20 ) 0 . 25 1 . 41( 0 . 25 4.沉出的重碱结晶量 kg 5 . 16641284 106 10500 5.按化学反应式计算反应物量及生成物量由量计算得： 3 nahco 3434 nahcocinhhconhnaci 11589.6 15650.9 10599 16641.5 济源职业技术学院毕业设计（论文） -23- 由参加反应的计算得： 324) (conh 3422324 2)(hconhohcoconh （3480.1-1183.7）1052.5 430.6 3779.5 求及参加反应量：ohnh4 2 co 3424 hconhcoohnh 6820.8 8574.8 (15650.9-3524.2-3779.5)=15395.6 剩余的为气相所分解带走（即氨的挥发量）为：ohnh4 ohnhohnh 234 (8076-6820.8) 609.7 645.5 6.进气的计算 系统吸收量： 2 co kg 3 . 9627168.6022 20 1 . 24 5 . 97 8 . 89 20 1 . 41 442 106 10500 由吸收率 93%可知鼓入总为 2 co 3 1 . 5270 9 . 10351 93 . 0 3 . 9627 nmkg 进气总量为 3 7 . 9245 57 . 0 1 . 5270 nm 其中为)( 2 goh kgnm 2 . 78 3 . 97 7604 32 7 . 9245 3 惰气（按计）为： 2 n 9245.7-97.3-5270.1=3878.3nm4847.9kg 3 7.出气的计算： 惰气 kgnm 9 . 4847 3 . 3878 3 济源职业技术学院毕业设计（论文） -24- 含量 2 co 10351.9-9627.3=724.6kg368.9nm 3 含量 3 nh 609.7kg803.3nm 3 干气总量 3878.3+368.9+803.3=5050.6nm 3 含量)( 2 goh kgnm 9 . 13637.170 7605 . 2 62 1 7605 . 2 62 6 . 5050 3 以上计算可得出氨盐水碳化系统物料衡算见表 4-2。 表 4-2 氨盐水碳化系统的物料衡算表 收入支出 组分 氨盐水进气参加反 应 反应生 成 共计取出清 液 沉淀尾气共计 naci1580411589.64214.44214.44212.4 3 nahco 16641. 5 16641.516641. 5 16641.5 ohnh4 80768076 324) (conh 3480.12296.41183.71183.71183.7 34hco nh 15650.919175. 1 3524.23524.23524.2 cinh6 10599105991059910599 )( 2 loh 43337. 2 430.6 汽 化 58.7 645.543493.443493. 4 43493.4 )( 2 goh 78.258.7136.9136.9136.9 )( 2 gco 10351. 9 9627.3724.6724.6724.6 )( 3 gnh 609.7609.7609.7609.7 惰气4847.94847.94847.4847.9 济源职业技术学院毕业设计（论文） -25- 9 总计70687. 3 1527847729.547729. 5 85975.363014. 7 16641. 5 6319. 1 85975.3 4.3 热量衡算热量衡算 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） 氨解吸量为 60.97kgmolkjohgnhaqohnh/ 2 . 35)()( 336 q = 1 kj 6 . 126243710000 2 . 35 17 97.60 molkjaqhconhgcoaqohnh/ 4 . 77)()()( 3423 反应量为 682.08kgohnh4 q = 2 kj 7 . 1508371910000 4 . 77 35 08.682 molkjaqhconhlohgcoaqconh/ 9 . 59)(2)()()()( 3422324 反应量为 229.6kg 324) (conh q = 3 kj 9 . 143285710000 9 . 59 96 64.229 反moljsnahcoaqcinhaqhconhaqnaci/ 5 . 20)()()()( 3434 naci 应量为 1158.96kg q = 4 kj 8 . 406137210000 5 . 20 5 . 58 96.1158 总反应热： q=kgqqqq 8 . 19315452 4321 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