年产15万吨纯碱生产车间工艺设计毕业设计.docx

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年产15万吨纯碱生产车间工艺设计毕业设计

本科毕业设计（论文）资料

题目名称

：

年产15万吨纯碱生产车间工艺设计

1.1纯碱的性质和用途

纯碱即碳酸钠（Na2CO3），也称苏打或碱灰。

1.1.1纯碱的性质

碳酸钠的性状为白色粉末或者颗粒，无气味，有碱性，是碱性的盐，有吸湿性，溶于水和甘油，水溶液呈碱性，pH为11.6，相对密度为2.53，熔点845~852℃[1]。

碳酸钠与水生成Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O和Na2CO3·10H2O三种水合物，依据颗粒大小、堆积密度的不同依次可分为：

超轻质纯碱、轻质纯碱和重质纯碱。

1）溶解性

碳酸钠易溶于水和甘油，微溶于无水乙醇，不溶于丙醇。

碳酸钠是一种强碱弱酸盐，溶于水后发生水解反应（碳酸钠水解会产生碳酸氢钠和氢氧化钠），使溶液显碱性，有一定的腐蚀性，并且能与酸进行复分解反应生成相应的盐并放出二氧化碳气体[1]。

2）稳定性

碳酸钠稳定性较强，但高温下也会分解，生成氧化钠和二氧化碳气体。

长期暴露在空气中能吸收空气中的水分和二氧化碳，生成碳酸氢钠，并结成硬块。

吸湿性很强，很容易结成硬块，在高温下也不分解。

1.1.2纯碱的用途

1）用作基本化工原料

纯碱用途广泛且需求量大，是重要的基本化工原料。

化工生产中经常以纯碱为原料制取其他性质的碱和无机盐等化工产品，例如：

以碱的酸化法可以用来制取小苏打；用苛化法制取苛化烧碱；硅砂与纯碱在熔融条件下，可以制取硅酸钠（泡花碱）；以再结晶法可以制取十水碳酸钠（晶碱）；以石灰硫化氢法和硫化钡法，都可以用纯碱来制取硫化碱；以纯碱为原料还可以制取各种含钠盐类；还被用做生产其它化工产品的原料或辅料[1]。

2）用作基本工业原料

纯碱还大量用于冶金工业（如炼铝）、玻璃工业、合成洗涤剂、纺织工业、石油化工、搪瓷、造纸、印染、食品及民用等方面。

因此纯碱被称为基本工业原料，在国民经济中占有重要地位，它的产量和用量通常标志着一个国家的工业水平[1]。

1.2纯碱工业的发展史

对中国纯碱工业的发展史和世界纯碱工业的发展和现状进行分析。

1.2.1中国纯碱工业发展史

中国纯碱工业的发展可分为两个时期，一是天然碱的加工利用，二是现代纯碱工业的建立和发展。

天然碱的利用历史悠久，从三代建都河洛时期，就用天然碱。

河套平原建郡时，已是天然碱产地。

近代制碱工业以采用路布兰法制碱为先，四川最早以芒硝为原料制纯碱。

20世纪初天津成立永利制碱公司，采用索尔维法制碱工艺。

1921年侯德榜担任永利制碱公司技师，刻苦钻研技术问题，1924年开始生产碱。

1926年美国博览会上，永利的红三角牌纯碱获金质奖章，打入国际市场。

1.2.2世界纯碱工业发展及现状

人类使用碱的历史已有几千年，最早是取自草木灰和天然碱。

大规模的工业生产开始于18世纪末，随后法国人路布兰提出以食盐、硫酸、石灰石、煤粉为原料的工业生产纯碱方法，现称路布兰制碱法。

随后1861年索尔维发现用食盐水吸收氨和二氧化碳的实验中可以得到碳酸氢钠，他因此而获得了用海盐和石灰石为原料制取纯碱的专利，被称为索尔维制碱法。

1939年侯德榜开展改进氨碱法的实验研究，把索尔维制碱工业和合成氨工业联合起来，这种即产纯碱、又产氯化氨的新工艺取得成功，被称为“侯氏制碱法”，现称“联合制碱法”[1]。

世界纯碱工业经历两个世纪的发展，20世纪末期纯碱的总生产能力达44Mt，其中合成法纯碱约30Mt，占68%；天然碱法14Mt，占32%，纯碱产量约35Mt[1]。

1.3纯碱的生产方法

纯碱的生产方法有很多种，下文主要介绍侯氏制碱法与氨碱法并作简单的比较。

1.3.1侯氏制碱法

该方法主要采用食盐、氨以及合成氨生产过程中产生的二氧化碳气体为原料，同时生产纯碱和氯化铵，将纯碱和合成氨两大生产系统联合起来，简称“联合制碱”，这种方法使得原料盐的利用率从70%提高到96%。

此外，污染环境而且难以处理的废物氯化钙成为有用的产品氯化铵，变废为宝，还能减少设备，因此其优越性大大超过了苏尔维制碱法，从而开创了世界制碱工业的新纪元。

制碱的主要原料是氯化钠，而四川的盐是井盐，提纯造成成本高，并且苏尔维制碱法的缺点就是食盐利用率不高，使成本更高，所以侯德榜不用苏尔维制碱法而另辟蹊径。

他先分析了苏尔维制碱法的缺点，发现主要原因在于原料的利用率过低，只用了石灰石中的碳酸根离子和食盐中的钠，二者结合生成了纯碱，然而石灰中的钙和食盐中的另一半氯结合生成了氯化钙，这个显然没有利用上，那么怎样才能利用上氯化钙，这个问题困扰着侯德榜。

他考虑到制碱用的氨和二氧化碳直接由氨厂提供，滤液中的氯化铵如果加入食盐水，让它沉淀出来，这样氯化铵就即可以作为化工原料也可以作为化肥，这种方法大大提高了食盐的利用率，还可以省去许多设备。

直到他进行了500多次试验后终于成功了使设想成为了现实[1]。

1.3.2苏尔维制碱法

苏尔维制碱法主要是采用石灰石、食盐、氨和焦炭为原料。

二氧化碳和石灰乳的制备是将石灰石在煅烧窑内分解得到氧化钙和二氧化碳气体，氧化钙加水制成氢氧化钙乳液；盐水的制备和精制则是将原盐溶于水制得饱和食盐水溶液，因为盐水中含有钙镁等杂质离子，它们的存在会影响后续工序的正常进行，所以盐水溶液必须精制；氨盐水的制备则是精制后的盐水吸氨制备含氨的盐水溶液；之后氨盐水的碳酸化是氨碱法中最重要的工序，在这里将二氧化碳通入氨盐水作用，生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，碳酸氢钠浓度过饱和后即结晶析出，从而与溶液分离。

这一过程包括了而二氧化碳的吸收、气液相反应、溶液的结晶和等[1]。

碳酸氢钠的煅烧过程中煅烧的目的是为了分解碳酸氢钠，以获得纯碱Na2CO3，同时回收近一半的CO2气体（其含量约为90%），供碳酸化使用；氨的回收是指碳酸化后分离出来的母液中含有NH4Cl、NH4OH、（NH4）2CO3和NH4HCO3等，需要将氨回收循环使用。

1.4联合制碱法与氨碱法的比较

联合制碱法最大的优点是使食盐的利用率提高到96%以上，首先等量的食盐比氨碱法能生产更多的纯碱。

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；将碱厂无用成分氯离子（Cl-）来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵。

从而不再生成即没有多大用处，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。

氨碱法的优点则是原料食盐和石灰石成本较为便宜，而且产品纯碱的纯度高，副产品二氧化碳和氨都可以回收循环使用，并且制造步骤较为简单，适合于大规模生产。

但是氨碱法也有许多缺点，首先是两种原料的成分都只利用了一半，石灰石成分里的碳酸根离子（CO32-）和食盐成分里的钠离子（Na+）结合成了碳酸钠，可是石灰石的另一成分钙离子（Ca2+）和食盐的另一成分氯离子（Cl-）却结合成了没有多大用途且污染环境的氯化钙（CaCl2），因此如何处理氯化钙就成为一个很大的问题。

其实氨碱法的最大缺点还是在于原料食盐的利用率只有72%~74%，没利用上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。

2.1纯碱工艺的生产原理和工艺概述

纯碱的生产方法主要有两种：

联合制碱法和氨碱法。

本设计采用联合制碱法的生产方案，对联合制碱法做简要的工艺流程介绍和物料衡算。

联合制碱法的优点是结合了氨碱法的大部分优点，消除了氨碱法原料利用率低的主要缺点，使食盐的利用率从70%提高到96%；同时产物NH4Cl可用做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，这样就省去了CaCO3制CO2的工序，精简了设备。

NH3+H2O+CO2=NH4HCO3

NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓

2.1.1生产原理和工艺简述

联合制碱法工艺分为两个过程：

一过程为制碱过程，即铵盐水碳酸化生成NaHCO3沉淀。

NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl

该过程中的碳酸化和吸氨的原理与氨碱法基本相同，可用相图分析法进行讨论，下章节有分析。

过程中分离出NaHCO3的母液称为母液Ⅰ，其中主要含NH4Cl、NH4HCO3和未利用的NaCl。

二过程是用加NaCl盐析和冷析的方法从母液Ⅰ中将NH4Cl分离出来。

由于母液Ⅰ中NH4HCO3是饱和的，所以直接采用盐析和冷析的方法无法使NH4Cl单独分离出来。

如果将母液Ⅰ氨化，会发生如下反应：

NH3+HCO3-=NH4++CO32-

NH3+HCO3-=NH2CO3-+H2O

这样溶液中的HCO3-浓度会降低，NaHCO3溶液便不再是饱和的了。

氨化后再采用降温和盐析的方法就可以使NH4Cl单独析出。

析出NH4Cl固体后的母液称为母液Ⅱ，母液Ⅱ再经吸氨、吸二氧化碳来制取重碱，如此一、二过程可交替循环进行，这就是联合制碱法的过程分析。

2.1.2工艺流程

生产工艺流程是生产过程中的主要参照标准，结合工艺流程图即是一个生产过程的简要介绍。

2.2生产工艺流程

2.2.1生产工艺流程

联合制碱法有多种流程，由加入原料的次数不同可分为两次吸氨与一次吸氨，两次碳化与一次碳化等不同工序。

我国的联合制碱法主要通过两次吸氨一次碳化，一次加盐的方法，其中原盐在洗盐机中用饱和盐水洗涤，以除去其中影响之后反应的钙镁等杂质，然后再经过粉碎机的粉碎，虑盐机的分离，制成符合规定纯度和粒度的“洗盐”，然后再将“洗盐”送往盐析结晶器等待下一步反应。

其中洗涤液循环使用，当液中杂质含量增高时回收处理[2]。

原始结晶器主要用来制备饱和食盐水，饱和食盐水再经吸氨器吸氨制成氨盐水，此氨盐水在外冷式碳化塔内与合成氨系统提供的二氧化碳气体进行反应即碳化过程，所得到的重碱再经过滤碱机的分离，然后送到煅烧炉内加热分解成就得到了产品纯碱。

煅烧分解出的炉气，经炉气冷凝器与炉气洗涤器，回收其中的氨气与碱粉，并使水蒸气冷凝降低炉气温度，再使炉气进入二氧化碳压缩机压缩，重新送回碳化塔供制碱使用。

过滤重碱后的母液称为母液Ⅰ，由于母液Ⅰ中NaHCO3已经饱和，如果母液Ⅰ立即在制铵过程中进行冷却加盐，将导致钠离子浓度增高，而使一部分重碳酸盐与氯化铵同时析出，从而影响产品质量，为了使氯化铵单独析出，生产中母液Ⅰ首先需要经过吸氨器吸氨，成为氨母液Ⅱ，以破坏HCO3-，降低其浓度，然后送往冷析结晶器中降温，使部分氯化铵析出，这个过程称为“冷析”，冷析后母液称为“半母液Ⅱ”。

由于冷析结晶器流入盐析结晶器，加入洗盐，所以由于同离子效应，可再析出部分氯化铵，并补充了下一过程中所需要的钠离子。

由冷析结晶器及盐析结晶器的下部取出的氯化铵悬浮液，然后经稠厚器、滤铵机，再干燥就得成品氯化铵。

滤液送回盐析结晶器，盐析结晶器母液Ⅱ送入母液换热器与氨母液Ⅰ进行换热，经吸氨器制成氨母液Ⅱ，再经澄清桶除去氨母液Ⅱ中的泥后，送去碳化塔制碱。

生产过程中的各种含氨杂水送入淡液蒸馏塔以回收氨[2]。

滤铵机通常使用自动卸料离心机，滤渣中含水分7%左右。

氯化铵经过转筒的干燥或流态化干燥，这样使得其含水量降至1%以下就能作为产品。

结晶器是析铵过程中的主要设备，分为冷析结晶器和盐析结晶器，构造有差别，但原理相似。

对结晶器的要求为：

有足够的容积。

足够的容积能使母液在反应器内平均停留时间大于8h，以稳定结晶质量。

盐析结晶器的析铵负荷应大于冷析结晶器，所以其相应地容积也应该较大[2]。

能起分级作用。

因为结晶器的上段是清液段，溢流的液体以低的流速溢流，这区域的流速一般为0.015~0.02m·s-1；悬浮段的流速为0.025~0.05m·s-1。

中下段是悬浮段，所以能保持晶体悬浮在母液中并不断成长；为了使晶体能有足够时间长大，悬浮段一般应高3m左右[2]。

起搅拌和循环作用。

如同盐析结晶器中有中央循环管一样，利用轴流泵使晶