毕业论文-年产30万吨氨碱法制纯碱碳化工段的工艺设计（可编辑）

职业技术学院毕业设计(论文)冶金化工系题目年产30万吨氨碱法制纯碱碳化工段的工艺设计专业应用化工技术班级姓名学号指导教师完成日期2021年6月28日??2021年10月8日目录摘要 1第一章概述 21.1纯碱的性质和用途 21.1.1纯碱的物理性质 21.1.2纯碱的化学性质 21.1.3纯碱的用途 31.2纯碱的生产方法 31.2.1侯氏制碱法(又称联合制碱法) 31.2.2氨碱法制纯碱(又称苏尔维法) 41.2.3天然碱加工法 51.3联合制碱法与氨碱法比拟 51.4纯碱的开展前景与展望 5第二章氨碱法制纯碱 82.1氨碱法制纯碱的原料 82.2氨碱法制纯碱的原理 92.3氨碱法制纯碱的工艺流程 102.3.1石灰石的煅烧与石灰乳的制备 102.3.2氨盐水的制备 112.3.3氨盐水的碳酸化 112.3.4重碱的过滤与煅烧 13第三章氨碱法碳化工段物料及热量衡算 143.1物料衡算 143.2热量衡算 18第四章碳化工段的工艺条件与主要设备 214.1工艺条件的选择 214.1.1碳化度 214.1.2原始氨盐水溶液的适宜组成 214.1.3碳化温度 214.2主要设备 224.2.1碳酸化塔 224.2.2二氧化碳压缩机 23致谢 25参考文献 26摘要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。这些单元过程相互联系相互制约。碳酸化的目的在于获得产率高,标志着氯化钠和氨的利用率高,从而使产品本钱降低。本设计介绍了纯碱的性质、用途、生产方法和氨碱法制纯碱的工艺流程。重点介绍了碳化工段的工艺流程和物料及热量的衡算。关键词:纯碱;工艺流程;碳化第一章概述纯碱外观为白色粉末或细粒结晶,味涩。相对密度25℃2.532。熔点851℃℃)(20℃℃其溶解度最大,每100g水中可溶解49.7g碳酸钠(0℃时为7.0g,100℃为45.5g)。微溶于无水乙醇,不溶于丙醇。其水溶液水解呈碱性,有一定的腐蚀性,能与酸进行中和反响,生成相应的盐并放出二氧化碳。高温下可分解,生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳生成碳酸氢钠,并结成硬块。纯碱是碳酸钠(Na2CO3的俗名,又称为苏打,是白色粉末虽然碳酸钠俗称纯碱,但它其实属于盐类物质,因其水溶液显弱碱性而称纯碱。其晶体含结晶水,化学式Na2CO3?10H2O。在空气里碳酸钠晶体很容易失去结晶水,并渐渐碎裂成粉末。失水以后的碳酸钠叫做无水碳酸钠。纯碱就是碳酸钠,最重要的化工工业原材料之一,广泛地应用于玻璃、化工工业(烧碱、硝酸钠、清洁剂、软化硬水)、石化、冶金等行业,同时也应用在造纸、肥皂、纺织、印染、皮革、食品、医药、胶卷、轻工等行业。1.1.2纯碱的化学性质1稳定性高温下可分解,生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中能吸收空气中的水分及二氧化碳,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。含有结晶水3种:Na2CO3?H2O、Na2CO3?7H2O和Na2CO3?10H2O。2溶解性易溶于水,微溶于无水乙醇,不溶于丙醇。碳酸钠易溶于水,是一种弱酸盐,溶于水后发生水解反响,使溶液显碱性,有一定的腐蚀性,能与酸进行中和反响,生成相应的盐并放出二氧化碳。3化学反响纯碱是一种强碱弱酸生成的盐,它的水溶液呈碱性,并能与强酸发生反响,如:Na2CO3十2HCl→2NaCl十H2O十CO2在高温下,纯碱可分解为氧化钠和二氧化碳,反响为下:Na2CO3→Na2O十CO2,另外,无水碳酸钠长期暴露于空气中能缓慢地吸收空气中的水分和二氧化碳,生成碳酸氢钠。Na2CO3十H2O十CO2→2NaHCO3。1.1.3纯碱的用途纯碱(学名碳酸钠)实际上是个盐,由于它在水中发生水解作用而使溶液呈碱性,纯碱易溶于水,呈强碱性,都能提供Na+离子。这些性质使它们被广泛地用于制肥皂、纺织、印染、漂白、造纸、精制石油、冶金及其他化学工业等各部门中。普通肥皂是高级脂肪酸的钠盐,一般是用油脂在略为过量的烧碱作用下进行皂化而制得的。印染、纺织工业上,也要用大量碱液去除棉纱、羊毛等上面的油脂。生产人造纤维也需要纯碱。精制石油也要用纯碱。为了除去石油馏分中的胶质,一般在石油馏分中加浓硫酸以使胶质成为酸渣而析出。经过酸洗后,石油里还含有酚、环烷酸等酸性杂质以及多余的硫酸,必须用纯碱溶液洗涤,再经水洗,才能得到精制的石油产品。在造纸工业中,首先要用化学方法处理,将含有纤维素的原料(如木材)与化学药剂蒸煮制成纸浆。所谓碱法制浆就是用纯碱溶液作为蒸煮液来除去原料中的木质素、碳水化合物和树脂等,并中和其中的有机酸,这样就把纤维素别离出来。在冶金工业中,往往要把矿石中的有效成分转变成可溶性的钠盐,以便除去其中不溶性的杂质,因此,常需要参加纯碱(它又是助熔剂),有时也用烧碱。例如,在铝的冶炼过程中,所用的冰晶石的制备和铝土矿的处理,都要用到纯碱。又如冶炼钨时,也是首先将精矿和纯碱焙烧成可溶的钨酸钠后,再经酸析、脱水、复原等过程而制得粉末状钨的。在化学工业中,制金属钠、电解水都要用纯碱。许多无机盐的生产,特别是制备一些钠盐(如硼砂、硅酸钠、磷酸钠、重铬酸钠、亚硫酸钠等等)都要用到纯碱。合成染料、药物以及有机中间体等也要用到烧碱或纯碱。此外,纯碱还用于食品工业和日常生活中。1.2.1侯氏制碱法(又称联合制碱法)该法主要采用食盐、氨以及合成氨生产过程中所产生的二氧化碳气体为原料,同时生产纯碱和氯化铵肥料,将合成氨和纯碱两大生产系统联合,故简称“联合制碱〞或“联碱〞。它使盐的利用率从原来的70%一下子提高到96%。此外,污染坏境的废物氯化钙成为对农作物有用的化肥??氯化铵,还可以减少1/3设备,所以它的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。制碱的主要原料是食盐,也就是氯化钠,而四川的盐都是井盐,要用竹筒从很深很深的井底一桶桶吊出来。由于浓度稀,还要经过浓缩才能成为原料,这样食盐本钱就高了。另外,苏尔维制碱法的致命缺点是食盐利用率不高,也就是说有30%的食盐要白白地浪费掉,这样本钱就更高了,所以侯德榜决定不用苏尔维制碱法,而另辟新路。他首先分析了苏尔维制碱法的缺点,发现主要在于原料中各有一半的比分没有利用上,只用了食盐中的钠和石灰中碳酸根,二者结合才生成了纯碱。食盐中另一半的氯和石灰中的钙结合生成了氯化钙,这个产物都没有利用上。那么怎祥才能使另一半成分变废为宝呢?制碱用的氨和二氧化碳直接由氨厂提供,滤液中的氯化铵参加食盐水,让它沉淀出来。这氯化铵既可作为化工原料,又可以作为化肥,这样可以大大地提高食盐的利用率,还可以省去许多设备,例如石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等。于是他又带着技术人员,做起了实验。一直进行了500屡次试验,还分析了2000多个样品,才把试验搞成功,使设想成为了现实。1.2.2氨碱法制纯碱(又称苏尔维法)苏尔维法生产纯碱主要是采用食盐、石灰石、焦炭和氨为原料。氨碱法的生产过程主要分以下几步进行。1二氧化碳和石灰乳的制备将石灰石于940~1200℃在煅烧窑内分解得到氧化钙和CO2气体,氧化钙加水制成氢氧化钙乳液。2盐水的制备和精制将原盐溶于水制得饱和食盐水溶液。由于盐水中含有赂Ca2+、Mg2+等杂质离子,它们影响后续工序的正常进行。所以盐水溶液必须精制。3氨盐水的制备精制后的盐水吸氨制备含氨的盐水溶液。4氨盐水的碳酸化是氨碱法的一个最重要工序,将氨盐水与CO2作用,生成碳酸氢钠和氯化铵,碳酸氢钠浓度过饱和后即结晶析出,从而与溶液别离。这一过程包括了吸收、气液相反响、结晶和传热等.其总反响可表示为:NaCl十NH3十CO2十H2ONaHCO3十NH4Cl5碳酸氢钠的煅烧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。6氨的回收碳酸化后别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。1.2.3天然碱加工法天然碱加工法采用天然碱矿物为原料,来制取纯碱。天然碱是指含碱的天然矿石及湖水,如倍半碳酸钠(Na2CO3?NaHCO3.2H2O),碱湖水,其成分为Na2CO3、NaHCO3、NaCl和Na2SO4等的混合物。与人工合成纯碱相比,天然碱的加工工艺流程简单、设备投资少、能耗低,其相对本钱可减少40%左右,顾开展前景是非常美好的。1.3联合制碱法与氨碱法比拟联合制碱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(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本钱,充分表达了大规模联合生产的优越性。氨碱法的优点是:原料(食盐和石灰石)廉价;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(CO32-)结合成了碳酸钠,可是食盐的另一成分氯离子(Cl-)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(CaCl2),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。1.4纯碱的开展前景与展望纯碱工业始于18世纪末,随着工业的需要和制碱原料的改变,纯碱Na2CO3生产技术得到迅速开展,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N?吕布兰,比利时人E?索尔维,中国人侯德榜等,都作出了突出的奉献。1.4.1天然碱制碱法的开展?主要有:①早在1849年拓荒者在美国怀俄明州的甜水河就找到了碳酸氢钠,并用于洗涤和制药。1905年利用加利福尼亚州的瑟尔斯湖天然碱第一次试生产纯碱。1938年,美国山间燃料供给公司在怀俄明州格林河盆地勘探油、气时,发现富含碳酸钠的世界最大的天然碱矿藏。1976年,美国由天然碱生产的纯碱占总产量的70%,1982年占总产量的94%,年生产能力达9.5Mt。②苏联自60年代以来,以霞石(含有钠、钾、铝、硅氧化物的天然碱石)加工氧化铝同时副产纯碱、钾碱及水泥,实现了工业化,使霞石原料得到综合利用,没有排废的问题。到1975年共建立了五个霞石加工厂。1.4.2中国纯碱工业的开展?1949年,仅在天津塘沽、大连有两家纯碱厂,总产量为88kt。50年代,纯碱工业有了很大开展,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开展需要,为使纯碱的供给能满足需要,已确定了建设新厂的方案并与小型氨厂结合改建一些新的小型联合制碱法工厂。近十年来,我国通过控制新建碱厂、限产保价、扩大出口等措施,有效地控制了纯碱生产能力的无序增长。通过多年的技术改造后,原有生产装置进一步增产的潜力不大。如果下游行业消费不断增加,将引起市场短缺。我国纯碱主要消费于玻璃、洗涤剂和无机化学品等领域。近年来纯碱下游行业保持了较高的消费增长速度,近5年国内的年平均消费增加40万吨,共消费增加200万吨。2001年纯碱国内消费比2000年增长10%。随着我国住房、汽车、轻工、无机盐等行业的开展,国内对纯碱的需求平均以4~5%左右的速度增加,5年将增加纯碱需求150~200万吨。从周边国家情况看,目前缺碱的东南亚、南亚、东亚的一些国家和地区环绕在我国周围,相比与相隔千里之遥的美国,地利是我国纯碱出口到这些国家的最有利因素。2001年全国累计出口纯碱110万吨,于2000年相比增加13万吨。从国内进口的情况看,我国大量进口纯碱的可能性不大,2001年全国累计进口6.8万吨,与2000年相比减少6.7万吨。减少进口纯碱的主要原因有两个:一是美国天然气涨价,致使美国天然碱本钱增高;二是与2000年比拟,我国纯碱价格有下降。另外,参加WTO后,虽然纯碱进口关税降低了5%,进口总本钱降低幅度不大,缺乏以支持大规模进口。我国有很大的纯碱消费市场,随着经济的开展,纯碱需求量每年会以35~40万吨的速度增长。但是我国不会让大量的外来碱进入,因为我国有丰富的原料资源,有成熟而先进的纯碱生产技术和装备制造能力,努力开展纯碱工业、让有优势的企业扩大纯碱产量、同时积极开拓国际市场,扩大出口是中国纯碱工业的必然选择。与此同时,虽然美国天然碱本钱低,但要进入中国市场并非易事,因为其长距离的运输费用,使其到中国口岸的价格与国产碱比并不具有优势。第二章氨碱法制纯碱氨碱法生产纯碱,需要大量的CO2和石灰乳,CO2用于碳酸化过程,石灰乳供蒸氨及盐水精制使用。因而燃烧石灰石制取CO2及石灰,再由石灰消化制取石灰乳,就成为氨碱法生产中不可缺少的准备工序。1CO2二氧化碳在通常状况下是一种无色、无臭、无味的气体能溶于水,溶解度为0.144g/100g水。在20℃××105Pa时变为固体。液态二氧化碳碱压迅速蒸发时,一局部气化吸热,另一局部骤冷变成雪状固体,将雪状固体压缩,成为冰状固体,即俗称“干冰〞。“干冰〞×℃时可直接升华变成气体。二氧化碳比空气重,在标准状况下密度为1.977g/L,约是空气的1.5倍。二氧化碳无毒,但不能供给动物呼吸,是一种窒息性气体。在空气中通常含量为0.03%(体积),假设含量到达10%时,就会使人呼吸逐渐停止,最后窒息死亡。枯井、地窖、地洞底部一般二氧化碳的浓度较高,所以在进入之前,应先用灯火试验,如灯火熄灭或燃烧减弱,就不能贸然进入,以免发生危险。2石灰乳石灰乳一般是在氧化钙中加水生成的,因为氢氧化钙CaOH2溶解度不是很大,所以往往生成的是氢氧化钙的悬浊液(即水溶液中还存在着没有溶解的氢氧化钙),这就是石灰乳。把石灰窑排出的成品石灰CaO加水进行消化,即可成为盐水精制和蒸氨过程所需的氢氧化钙,消化时因加水量不同即可得到消石灰细粉末,石灰膏稠厚而不流动的膏,石灰乳消石灰在水中的悬浮液和石灰水CaOH2水溶液。氢氧化钙溶解度很低,且随温度的升高而降低,粉末消化使用很不方便,因此,工业上采用悬浮液,又称石灰乳。石灰乳较稠,对生产有利,但其粘度随稠厚程度升高而增加。太稠那么沉降和阻塞管道及设备。一般工业上制取和使用的石灰乳中含活性氧化钙CaO约160~220t,比重约为1.27。化灰机又称消化机为卧式回转圆筒,出口端向下倾斜。石灰和水从上端参加,互相混合反响。圆筒内装有许多螺旋形式排列的角铁,在转动过程中使石灰与水充分接触反响的同时,并呈螺旋状推动物料前进。物料从出口端流出后入两层振动筛。石灰乳从筛孔流下入石灰乳桶,剩下的未消化石灰与杂渣从筛面上流入螺旋洗砂机,经洗砂机再次洗涤后,洗水返回消化机入口废渣砂排弃。它是比利时工程师苏尔维(1838~1922)于1892年创造的纯碱制法。他以食盐(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。其化学反响原理是:NaCl+NH3+H2O+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl;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,其化学反响原理:2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑,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(CaOH2)混合加热,所放出的氨气可回收循环使用,其化学反响原理:CaO+H2O=CaOH2,2NH4Cl+CaOH2=CaCl2+2NH3↑+2H2O图2-1氨碱法工艺流程1-化盐桶;2-调和桶;3-一次澄清桶;4-除钙塔;5-二次澄清桶;6-吸氨塔;7-氨盐水澄清桶;8-碳酸化塔清洗;9-碳酸化塔制碱;10-过滤机;11-重碱煅烧炉;12-旋风别离器;13-炉气冷凝塔;14-炉气洗涤塔;15-二氧化碳压缩机;16-三层洗泥桶;17-石灰窑;18-洗涤塔;19-化灰桶;20-预灰桶;21-蒸氨塔2.3.1.1石灰石的煅烧石灰石的主要成分为CaCO3,含量95%左右,此外尚有2%~4%的MgCO3及少量SiO2、Fe2O3及Al2O3等,在煅烧过程中的主要反响为:CaCO3s=CaOs十CO2g;ΔH>0;石灰石中含有的MgCO3也发生反响:MgCO3s=MgOs十CO2g;ΔH>0。产生的窑气必须及时导出,否那么将影响反响的进行。在生产中,窑气经净化、冷却后被压缩机不断抽出,以实现石灰石的持续分解。盐水精制及蒸氨所用的不是氧化钙而是氢氧化钙,用少量水仅使氧化钙转化为氢氧化钙时,石灰呈粉末状;这种粉末称为熟石灰,亦称消石灰,这个过程叫做石灰的消化。其化学反响式为:CaOs+H2Ol→CaOH2s;ΔH<0MgOs十H2Ol→MgOH2s;ΔH<0氨碱法生产的主要原料之一是食盐水溶液,由于原料盐都含有杂质如钙镁离子等,所以,为了制备合格的食盐水溶液,除了进行原料盐溶解之外,还要除去钙镁离子等杂质。1饱和食盐水的制备2盐水的精制氨盐水的碳酸化是氨碱法制纯碱的中心环节和关键步骤。它同时伴有吸收、结晶和传热等单元操作,各单元操作相互关联互为影响。碳酸化总反响式为:NaCl十NH3十CO2十H2O→NaHCO3十NH4Cl碳酸化的目的是为了获得适合于质量要求的碳酸氢钠结晶。此工艺过程,首先要求碳酸氢钠的产率要高,即氯化钠和氨的利用率要高;其次要求碳酸氢钠的结晶质量要好,结晶颗粒尽量大,以利于过滤别离。而降低碳酸氢钠粗成品的含水量,又有利于重碱的煅烧。氨碱法生产纯碱的碳酸化过程与碳酸氢铵生产中用氨水吸收二氧化碳很相似,其区别在于该溶液中存在有氯化钠.因而碳酸化所生成的碳酸氢铵将进一步与氯化钠反响生成碳酸氢钠。诸多研究学者认为碳酸化过程的反响机理可分为三步进行。1氨基甲酸铵的生成实验研究证实,当二氧化碳调入浓氨水时,最初总是出现氨基甲酸氨:CO2+2NH3NH2COO-十NH4+这一三分子反响的可能性很小,可视为两个反响过程:CO2十NH3=NH2COO-+H+;NH3十H+=NH4+2氨基甲酸铵的水解上述反响生成的氨基甲酸铵.进一步进行水解反响:NH2COO-+H2O=HCO3-+NH33复分解反响析出碳酸氢钠结晶溶液中HCO3-积累到一定程度,当碳酸化液中HCO3-与Na+的浓度乘积超过碳酸氢钠溶度积时,复分解反响发生而析出碳酸氢钠结晶:Na++HCO3-=NaHCO3这将影响其他离子反响的过程,尤其是氨基中酸铵水解过程,会加快水解反响的进行,致使溶液中游离态的氨增加,从而加快了对二氧化碳的吸收。反响如此连续进行,氨盐水不断吸收二氧化碳气体,溶液又不断产生碳酸氢钠结晶,完成整个碳酸化过程。氨盐水用泵1注入清洗塔6a,塔底通过清洗气压缩机2及别离器5鼓入窑气,对氨盐水进行预碳酸化并对溶解疤垢过程起搅拌作用。清洗塔内气液逆流接触,清洗液从清洗塔6a底部流出,经气升输卤器9送入制碱塔6b上部,窑气经中段气压缩机3及中段气冷却塔7,送入制碱塔中部;锻烧重碱所得炉气,又称锅气,含CO29%左右,经下段气压缩机4和下段气冷却塔8送人制碱塔底部。图2-2碳酸化工艺流程1-氨盐水泵;2-清洗气压缩机;3-中段气压缩机;4-下端气压缩机;5-别离器;6a-碳酸化清洗塔;6b-碳酸化制碱塔;7-中段气冷却塔;8-下段气冷却塔;9-气升卤器;10-尾气别离器;11-倒塔桶碳化后的晶浆靠液位送入过滤工序碱槽中。制碱塔生产一段时间后,塔内壁、笠帽、冷却水管等处结疤垢较厚,传热不良,不利结晶。清洗塔那么已清洗完毕,此时可相倒换使用,谓之“倒塔〞。两塔塔顶尾气中含有少量氨及二氧化碳,经气液别离后,母液送往盐水车间供精制盐水用。碳化塔取出的晶浆中含有悬浮的固相NaHCO3,大约有45~50%体积,需用过滤的方法加以别离,所得重碱送往煅烧以制纯碱,母液送去蒸氨。过滤时,必须对滤饼洗涤,将重碱中残留的母液洗去,使纯碱中含有的氯化钠降到最低,洗水宜用软水,以免水中含有Ca2+,Mg2+形成沉淀而堵塞滤布。人们通常将100份重量的重碱,经煅烧后所得的产品重量分数成为“烧成率〞。烧成率的大小与重碱组成及水分含量有关。纯碳酸钠的烧成率为63%,而一般生产中重碱的烧成率约在50~60%左右。碳化取出液与过滤母液之间,因参加了洗水而使母液体积略有增大。这种增大常以溶液中氯离子浓度的变化来表示,称为“率差〞,一般约为3~5t。第三章氨碱法碳化工段物料及热量衡算(1)数据见表3-1和表3-2以1t纯碱为基准表3-1物料衡算数据名称 物料当量/m3 TCl/tt FNH3/tt CNH3/tt CO2/tt 密度/(kg/L) 比热容/kcal(kg?℃)] 温度/℃氨盐水5.43 8998 990.78 3830表3-2气体性质名称 CO2/% 惰气/% 温度/℃ 压力/MPaNaCl+NH3+H2O+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑2NH4Cl+CaOH2=CaCl2+2NH3↑+2H2O2计算NaCl和NaHCO3量氨盐水含NaCl(89-2.5)×(58.45/20)×61517kg;转化为NaHCO3的NaCl1517×0.75771149.4kg(NaCl转化率为75.77%);×3碳酸化尾气含NH3量碳酸化尾气带走NH3占入口NH3的分率[氨盐水总NH4-出碱液总NH3×(氨盐水TCl-/出碱液TCl-)]/氨盐水总NH3[101.5-102×(89/98)]/101.50.08748.74%4碳酸化尾气含(NH4)2CO3量氨盐水含自由氨量×(44/40)××5出碱液出碱液的碳酸化度Rs(2CNH3+CO2)/TNH3[2×(77-2.5×98/89)+37.6]/101.5-2.5×98/89187.4%出碱液中CO2为37.6tt,FNH3为25tt,设NH42CO3为Xtt,NH4HCO3为Ytt,那么X+Y25(氨衡算)X+2Y37.6(CO2衡算)解此方程式,得NH42CO3为13.4tt,NH4HCO3为11.6tt。×(96/40)××(79/26吸收CO2量氨盐水碳酸化后含NH3量27.039kmol(存在于溶液和固相中)7气量计算进入碳酸化塔的CO2气有炉气和窑气炉气(干基)含CO294%,空气6%,进塔温度35℃炉气全部以下段气进塔,压力为0.42Mpa(绝压)3192mmHg(绝压)实际炉气成分:H2OP'H2O/P×10043/3192×100%1.35%CO2[94/100+1.35×100%92.73%空气[6/100+1.35]×100%5.92%窑气(干基)含CO242%,N258%,进塔温度45℃,饱和水蒸气分压P'H2O72mmHg,中段气压力0.35MPa(绝压)2660mmHg故实际窑气成分:H2O(P'H2O/P)×10072/2660×100%2.7%CO242/100+2.7]×100%40.9%N2[58/100+2.7]×100%56.5%8炉气量以重碱分解的CO2重碱成分H2O20%;NH4HCO34%;Na2CO35.9%;NaCl0.3%;NaHCO369.8%;烧成率50.2%;当量2033kg;损失2%2NaHCO3(g)NaCO3(g)+CO2(g)+H2O(g)CO2生成量1000/[(1-0.02)×0.502]×××0.502]××合计CO2生成量为416.9kg。冷母液预分解CO2量:冷母液CO234tt;TCl-92tt;热母液CO220tt;TCl-84tt氨盐水TCl-89.5tt;当量6m3/tE冷母液6××母液预分解进入炉气的CO2量(44/40)×××损失CO2量重碱煅烧损失15.0kg(生产经验与统计数据)炉气冷凝液移走(44/40)×100×0.222kg(其中CO2100tt;当量0.2m3/t)溶解于重碱过滤洗水中的CO2量(44/40)×7××0.78.39kg(其中CO27tt。当量0.7m3/t)下段气冷却塔溶解损失5.0kg(技术查定)×炉气中的H9窑气量设V进塔要其总量,kmolW尾气总量,kmol窑气中CO2量:0.109VkmolN2量:0.565VkmolH2O量:0.027Vkmol而尾气CO25%,N295%,故尾气(干基)中CO2量:0.05WkmolN2量:0.95Wkmol表3-3年产30万吨的物料衡算表组成 吸入/kg 支出/kg氨盐水 窑气 参加反响 反响生成 共计 出碱液尾气 共计NaCl 4550 NaHCO3 49500 49500 99000 NH42CO3 229.64 62460 6266890.64 5256 2520 7776H2Ol505.85 43.06548.91 热量衡算一输入热量Q入(以每吨纯碱为基准)1.氨盐水带入的热量Q1温度38℃℃2.窑气带入热量Q2温度45℃,水蒸气热焓2579.854kJ/kg,CN21.029kJ/kg?℃,CCO20.879kJ/kg?℃×××456742kcal28208.53kJN2代入热量39.695×0.565×28×0.216×456943kcal29049.51kJ××18×616.611880kcal49705.92kJQ225565kcal106963.96kJ3.炉气代入热量Q3温度35℃,水蒸气热焓2561.44kJ/kg。×××28××35156kcal652.70kJ×18××219.299kmolNH4OH与H2CO3作用生成(NH4)2CO3的反响热2NH4OH(l)+H2CO3(l)(NH4)2CO3+2H2O(l)+73906.18kJ/kmolQ(NH4)2CO319325.213kmol(NH4)2CO3与H2CO3作用生成NH4HCO3的热量(NH4)2CO3l+H2CO3l2NH4HCO3l+16602.11kJ/kmolNaCl+NH4HCO3NaHCO3+NH4Cl+15438.96kJ/kmolQNaHCO319.64×369072472kcal303222.85kJQ121552+170449+50022+72472414495kcal1734247.08kJ(二)输出热量Q出(以每吨纯碱为基准)1.出碱液带出热量Q'1温度30℃,当量5.45m3/t,密度1127kg/m3,比热容3.264kJ/kg?℃2.重碱带出热量Q'2温度30℃,比热容1.172kJ/kg?℃,当量2033kg3.出气NH3挥发带出的热量Q'3NH4OH(l)NH3g+H2O(l)-34781.59kJ/kmol4.散热损失(以化学反响热的3%计算)Q'45.出气带出热量Q'5温度50℃QH2O(22.896×8.73/91.27)×18×620.924476kcal102407.58kJQCO222.896×0.05×44×0.21×50529kcal2213.34kJQN222.896×0.95×28×0.246×507491kcal31342.34kJQ'24476+529+749132496kcal135963.26kJ(三)需要冷却水导出的热量Q冷Q冷649650-227855121795kcal1764790kJ第四章碳化工段的工艺条件与主要设备碳化度即表示氨盐水吸收CO2程度的量,一般以R表示。定义为碳化液体系中全部CO2摩尔数与总NH3摩尔数之比。对于未析出结晶的碳化氨盐水来说,取样液分析计算即可;对于已析出结晶的碳化液来说,由于一局部二氧化碳被氨盐水吸收成为NaHCO3析出,同时液相中还出现等摩尔数的结合氨,因此结合氢的浓度CNH3。可用来间接表示NaHCO3中的CO2。R值越大,总氨转变成NH4HCO3越完全,NaCl的利用率也就越高。在实际生产中应尽量提高碳化液的碳化度以提高钠利用率。但因受各种条件的限制,实际生产中的碳化度一般只能到达0.9~0.95。所谓适宜的理论氨盐水组成,就是在一定的温度和压力下,反响到达平衡母液组成时,所对应的原始氨盐水组成,亦即钠利用率最高时的原始氨盐水组成。在同一温度和压力下,由于原始氨盐水的组成不同,最终液相组成亦不同,相应的钠利用率也不同。实际生产中,原始氨盐水的组成不可能正好到达其相对应浓度。一方面因为饱和盐水在吸氨过程中被稀释.氯化钠的浓度相应降低实际饱和盐水吸收来自蒸氨塔的湿氨气。另一方面,由于要考虑碳化塔顶尾气带氨的损失以及碳化度的缺乏和NH4HCO3?NaHCO3的共析作用,都会使NH3/NaCl升高。因此,实际生产中,一般控制氨盐水中的NH3/NaCl=1.08~1.12。这使得氨盐水中的NaCl浓度更低,NaHCO3析出率也相应降低,从而降低了钠的利用率。温度不仅影响到NaHCO3结晶生成的数量,而且影响到NaHCO3结晶的质量。NaHCO3在水中的溶解度随温度降低而减少,所以,低温对生成较多的NaHCO3结晶有利。但NaHCO3容易形成过饱和溶液。由过饱和溶液中析出碳酸氢钠结晶的情况,服从一般结晶规律,即过饱和度愈大,结晶速率也愈快,但结晶粒度小,质量差。因而对过滤锻烧操作不利。根据结晶动力学可知,在同样的过饱和情况下,高温时晶粒生长速率大于晶核生成的速率。所以,在结晶初期维持较高一些的温度60℃左右,就不至于形成过多的细小结晶。在氨盐水碳酸化过程中放出大量热,这些热量使液体进塔后由30℃升高至60~65℃。由于温度高时NaHCO3溶解度大,故在结晶析出后应逐渐冷却至可能的限度,使反响逐渐趋于完全。冷却过程中NaHCO3不断析出,这样可以得到质量高的结晶,而且产率和氯化钠利用率都很高。为了保证结晶质量,必须注意冷却速度的控制。在较高温度时,即60℃条件下应有一段停留时间,以保证有足够的品种生成。在实际生产过程中,开始降温的速度要慢,使过饱和度保持恒定,或不增加太快。溶液出塔前降温速度可稍快,因为此时碳化度已较大,反响速率慢,不易形