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文档简介
Chlor-AlkaliandRelatedProcesses氯碱工业与相关过程Historicallythebulkchemicalindustrywasbuiltonchlor-alkaliandrelatedprocesses.纵观历史,大部分化学工业是建立在氯碱工业及其相关过程之上。Thesegmentisnormallytakentoincludetheproductionofchlorinegas,causticsoda(sodiumhydroxide),soda-ash(derivativesofsodiumcarbonateinvariousforms)and,forconvenience,lime-basedproducts.该部分通常包括氯气、苛性钠(氢氧化钠)、无水碳酸钠(以各种形式存在的碳酸钠的衍生物),以及以石灰为基础的产品。Soda-ashandsodiumhydroxidehavecompetedwitheachotherasthemajorsourceofalkalieversinceviableprocesseswerediscoveredforboth.作为碱的主要来源,自从发现很多过程对于纯碱和火碱都是可行的,它们就相互竞争。Thepeculiareconomicsofelectrolyticprocessesmeanthatyouhavetomakechlorineandcausticsodatogetherinafixedratiowhatevertherelativedemandforthetwototallydifferenttypesofproduct,andthiscausesswingsinthepriceofcausticsodawhichcanrendersoda-ashmoreorlessfavorableasanalkali.电解过程的特殊经济性意味着,不管对氯气和氢氧化钠这两种不同类型的产品的相对需求量如何,你只有以固定的比例同时制备氯气和氢氧化钠。这引起了氢氧化钠的价格的摇摆不定,从而使得纯碱作为一种碱或多或少有利。Bothchlorine/causticsodaandsoda-ashproductionaredependentoncheapreadilyavailablesuppliesofrawmaterials.氯气/氢氧化钠和纯碱的生产都依赖于廉价的现成的原材料供应。Chlorine/causticsodarequiresareadysupplyofcheapbrineandelectricity,soda-ashrequiresbrine,limestoneandlotsofenergy.氯气/氢氧化钠需要廉价的现成的卤水和电力的供应,纯碱需要卤水、石灰石和大量的能量。Soda-ashplantsareonlyprofitableiftheirrawmaterialsdonothavetobetransportedfar.如果纯碱厂的原材料不需要运输的话,它们是盈利的。Theavailabilityofsuchsuppliesisamajorfactorinthelocationofmanyofthechemicalindustry’sgreatcomplexes.在许多化学工业的重大复合物的位置中,这种供货的可行性是一个主要因素。1.Lime-BasedProducts1.基于石灰的产品Oneofthekeyrawmaterialsislime.一种重要的原料是石灰。Limestoneconsistsmostlyofcalciumcarbonate(CaCO3)laiddownovergeologicaltimebyvariousmarineorganisms.石灰石主要由CaCO3组成,CaCO3是多种多样的海洋生物经过整个地质年代留下来的。Highqualitylimestonesareoftengoodenoughtobeuseddirectlyascalciumcarbonateinfurtherreactions.高质量的石灰石可以作为CaCO3直接用于下一步反应。Limestoneisusuallyminedinvastopen-castquarries,manyofwhichwillalsocarryoutsomeprocessingofthematerials.石灰石通常在大型露天采石场开采,其中,许多还将进行一些材料的处理。Thetwokeyproductsderivedfromlimestonearequicklime(CaO)andslakedlime[Ca(OH)2].来自于石灰石的两个主要的产品是生石灰(CaO)和熟石灰[Ca(OH)2]。Quicklimeismanufacturedbythethermaldecomposition(1200~1500℃石灰石在1200~1500℃下热分解即可制得生石灰,反应方程式如下:Typicallylimestoneiscrushedandfedintothehigherendofaslopingrotatingkilnwherethedecompositiontakesplaceandquicklimeisrecoveredfromtheend.通常,将石灰石打碎,然后将它放入倾斜的旋转窑较高的末端,在那里,石灰石将会分解,从这个窑的末端将会得到生石灰。Mostfrequently,however,thequicklimeisnotisolatedforfurtherreactions,rather,othercompoundsarefedinwiththelimetogivefinalproductsatthelowendofthekiln.NaHCO3经过滤、干燥和煅烧生成Na2CO3。Thefilteredammoniumchlorideprocessliquorismadealkalinewithslakedlimeandtheammoniaisdistilledoutforrecycletothefrontendoftheprocess.过滤后的NH4Cl溶液与熟石灰反应后,呈碱性,为了循环利用,蒸馏出的NH3放回到该过程的前端。Theresultantcalciumchlorideisawasteorby-productstream.生成物CaCl2是废弃物或副产物。ForasimplebasicproducttheSolvayprocessappearsexceedinglycomplicated.对于一个简单基本产品来说,索尔维工艺是极其复杂的。Thebasicprincipleofthereactionistotakesalt(NaCl)andcalciumcarbonate(CaCO3)asinputsandtoproducecalciumchlorideandsodiumcarbonateasoutputs.反应的基本原理是盐(NaCl)和碳酸钙(CaCO3)作为原料,氯化钙和碳酸钠作为产物。However,thereactionsoccurringbetweeninputandoutputarenotremotelyobviousandinvolvetheuseofammoniaandcalciumhydroxideasintermediatecompounds.然而,反应物和产物之间的反应是很不明显的,主要涉及到了中间产物氨和氢氧化钙的使用。Theessentialprincipleisthat,bycarefullycontrollingtheconcentrationofthecomponents(especiallyammoniaandsalt),sodiumbicarbonatecanbeprecipitatedfromsolutionscontainingsalt,carbondioxideandammonia.该过程的基本原理为:利用准确的控制组分(尤其是NH3和NaCl)的浓度,NaHCO3能够从含NaCl、CO2和NH3的溶液里沉淀析出。Thekeytomakingtheprocessworkiscontrollingthestrengthofthesolutionsandratesofcrystallization.该过程的关键是控制溶液的酸碱强度和结晶的速度。Theessentialstepsoftheprocessareasfollows.这一过程的基本步骤如下。Ammoniaisabsorbedinanammoniaabsorberintobrinewhichhaspreviouslybeenpurifiedtoreducetheamountofcalciumandmagnesiumions(whichtendtoprecipitateduringtheprocessinallthewrongplaces,blockingpipe-work).将氨吸收在氨吸收器中并倒入卤水中,为了减少钙离子和镁离子的含量(钙离子和镁离子将会在不合适的地方沉淀,堵塞反应管),卤水在之前已经被提纯。Thesolution(nominallycontainingsodiumchlorideandammoniumhydroxide)isthenpasseddownatowerwhereitabsorbscarbondioxide(passingupthetower)toformammoniumcarbonateatfirstandlaterammoniumbicarbonate.然后将所得溶液(通常包含NaCl和NH4OH)通过吸收塔,起初它将会吸收二氧化碳(离开塔)形成碳酸铵,随后变成碳酸氢铵。Bythenextstageoftheplantsodiumchlorideandammoniumbicarbonatehavemetathesisedtosodiumbicarbonate(whichprecipitates)andammoniumchloride.在车间的下一个阶段,氯化钠和碳酸氢铵会发生复分解反应,形成碳酸氢钠(沉淀)和氯化铵。Filtrationseparatesthesolidbicarbonatefromtheremainingsolution.通过过滤将碳酸氢钠从剩下的溶液中分离出来。Thebicarbonateispassedtoarotarydryerwhereitloseswaterandcarbondioxidetogiveafluffycrystallinemassknownaslightsoda-ashwhichismostlysodiumcarbonate.碳酸氢钠通过旋转干燥器,脱去水分和二氧化碳,得到了蓬松的晶体,它是轻质纯碱,成分主要是碳酸钠。Thefluffymassislightbecausetheoriginalcrystalshapeisretainedonthelossofcarbondioxide,leavingmanyvoids.蓬松状的物质是轻的,由于它最初的晶体形状仍然保持着失去二氧化碳的空位。Itisusuallymoreconvenienttomakeamoredensematerialandthisisachievedbyaddingwater(whichcausesrecrystallizationinadenserform)andfurtherdrying.制备更致密的材料通常是更方便的,这将会通过添加水(这将会引起更致密形式上的重结晶)和进一步的干燥来实现。Itisdebatablewhethertheactualchemistrygivenaboveisagooddescriptionoftheprocess,butitcertainlyaidsunderstanding.仍值得商榷的是上面给出的实际化学是否是对一个过程的很好的描述,但是它肯定有助于理解。Foradetailedunderstanding,agreatdealneedstobeknownaboutsolubilityproductsofmulticomponentsystems.对于详细理解来说,需要知道许多关于多组分体系溶度积的知识。Theimportantthingtoknowisthatthesystemiscomplexandrequirescarefulcontrolatallpartsoftheprocessinorderforittooperateeffectively.要知道的重要的事情是体系是复杂的,需要仔细控制过程的各个方面,才能够有效进行操作。Onedisadvantageoftheprocessistheamountofcalciumchlorideproduced.这个过程的一个缺点是产生氯化钙的数量。Farmoreisproducedthancanbeused,somuchoftheproductionissimplydumped(itisnotaparticularlynoxiousornastyproduct).比起使用的数量来说,更多的氯化钙将会产生,所以大部分产品是被简单地丢弃(由于它不是特殊有毒的或极脏的产品)。Itwouldbeadvantageoustousealltheinputmaterialinthisprocess,forexampleproducinghydrogenchloridefromthechloride.它将有利于使用这个过程中的所有原始物料,例如,采用氯来制备氯化氢。UseofSodaAsh.Ofallsodaash,50%issoldtotheglassmakingindustryasitisaprimaryrawmaterialforglassmanufacture.纯碱的利用。由于纯碱是制造玻璃的主要原材料,所以50%的纯碱将被卖到玻璃厂。Thefortunesoftheindustryarethereforestronglytiedtoglassdemand.因此,行业的命运将与玻璃需求紧紧联系在一起。Sodaashalsocompetesdirectlywithsodiumhydroxideasanalkaliinmanychemicalprocesses.作为一种碱,纯碱在许多化学领域与火碱直接竞争。Sodiumsilicatesareanotherimportantclassofchemicalsderivedfromsodaashbyreactionwithsilicaat1200~1400℃硅酸钠是来自于纯碱的另一种重要的化学物质,它是纯碱与二氧化硅在1200~1400℃Silica-gelisafinesodiumsilicatewithalargesurfaceareaandisusedincatalysts,chromatographyandasapartialphosphatereplacementindetergentsandsoaps.硅胶是一种较细的硅酸钠,有较大的比表面,它通常被用作催化剂领域、色谱法与洗涤剂和肥皂中偏磷酸盐的替代物。3.ElectrolyticProcessesforChloride/CausticSoda3.氯气/苛性钠的电解过程Introduction.Bothchlorineandcausticsodahave,atvarioustimesinthehistoryofthechemicalindustry,beengreatlyindemand,butunfortunatelyforoperatorsofelectrochemicalplants,notalwaysatthesametime.介绍。在化学工业的不同时代,氯气和苛性钠都有很大的需求。但是不幸的是,在当时电化学工厂的操作者并不多。Chlorinehasbeenvaluedasableach,orarawmaterialfortheproductionofbleachingpowder,asadisinfectantinwatersuppliesandasarawmaterialforplasticsandsolventsmanufacture.氯被作为漂白剂或者生产漂白剂的原料、供水时的消毒剂及塑料和溶剂生产中的原料。Causticsodahasbeenusedintheproductionofsodaash,soap,textiles,andasaveryimportantrawmaterialinanincrediblevarietyofchemicalprocesses.烧碱已经被用于生产纯碱、肥皂、纺织物和各种各样化学过程中的一个非常重要的原材料。Alltheelectrolyticprocesseshaveincommontheelectrolysisofsalttogivechlorineandsodiumhydroxide.所有的电解过程都有共同点,盐电解生成氯气和氢氧化钠。Thevastmajorityofproductionelectrolysesasolutionofsalt,buttherearesomesignificantplantsthatelectrolyzemoltensalttogiveliquidsodiumandchlorine.绝大多数生产电解盐溶液,但是有一些重大的工厂电解熔融盐生成液体钠和氯气。Theseareusedbyindustriesthatneedtheliquidsodium,mainlyintheproductionoftetra-alkylleadpetroleumadditives,thoughthepetroleumadditivecompaniesarediversifyingandotherusesmayappear.这种方法主要被需要液体钠的工业使用,主要有四烷基铅石油添加剂的生产,但石油添加剂公司是多种多样的,其他的用法可能出现。Thereareessentiallythreedifferenttypesofcellusedforaqueouselectrolysis:mercurycells,diaphragmcellsandmembranecells.基本上有三种不同类型的电池应用于水的电解:甘汞电池、隔膜电池和膜电池。Membranecellsarereallytheonlytechnologythatisviablefornewcapacityinmodernplants,butalargeamountofoldcapacitystillexistsandmanycompanieshavenotfounditeconomicaltoreplaceeventheirmercurycells,despitetheenvironmentalimplications.膜电池是真正唯一的技术,它对于现代工厂新的生产力是可行的,但是,大量的旧的生产力仍然存在,许多工厂还没有发现它甚至可以从经济上替代他们的甘汞电池,尽管受环境的影响。Allelectrolyticreactionsarebasedontheideaofusingelectronsasareagentinchemicalreactions.Thebasicreactionsofbrineelectrolysiscanbewrittenasfollows:所有的电解反应都是基于采用电子作为化学反应试剂的想法。卤水电解的基本反应为以下两个方程式:Theoverallreactionis:总的电解反应为:Thisreactionhasapositivefreeenergy()andneedstobedrivenuphillbyelectricity.这个反应的自由能变为正值,需要通过电力来使它向右进行。Likemanybasicchemicalprocesses,thoughthereactionappearstobegloriouslysimple,therearesomesignificantcomplications.像许多基本化学过程一样,虽然反应看起来是非常简单,但是存在一些重要的复杂性。Forastart,thereactionproductsneedtobekeptapart:hydrogenandchlorinewillreactexplosivelyiftheyareallowedtomix.Chlorinereactswithhydroxidetogivehypochlorousacid(HOCl)andchloride(bothwastingproductandcreatingby-products).首先,反应产物需要分开:如果氢气和氯气混合的话,它们将会激烈地反应。氯和氢氧化物反应生成次氯酸(HOCl)和氯化物(都浪费了产品,产生了副产品)。Thehypochlorousacidandhypochlorite(ClO-)inturnreacttogivechlorate(ClO3-),protonsandmorechloride.次氯酸和次氯酸盐轮流反应生成了氯酸盐、电子和更多的氯化物。Hydroxidereactsattheanodetoformoxygen,whichcancontaminatethechlorine.氢氧化物在阳极反应生成氧气,它能够腐蚀氯气。Allthereactionsreduceefficiencyand/orcreatedifficultseparationofcontaminationproblemsthatneedtobesortedoutbeforeanyproductscanbesold.所有的反应降低了效率,并创造了分离污染难题,这些难题在出售产品之前需要被挑出来。Thekeytounderstandingthevarioustypesofprocessusedfortheelectrolysisisthewaytheyseparatethereactionproducts.理解电解中各种类型过程的关键是他们分离反应产物的方法。Therearebasicallythreetypesofelectrolyticcellforbrineelectrolysis,thoughtherearemanyvariationsofdetailamongthecellsfromdifferentmanufactures.虽然不同的厂家所使用的电解池之间有许多不同的详细信息,但是对于卤水电解基本有三种类型的电解池。4.TheUsesofChlorineandSodiumHydroxide4.氯气和氢氧化钠的使用Sodiumhydroxidehassomanychemicalusesthatitisdifficulttoclassifythemconveniently.氢氧化钠有太多用途以至于难以归类。Oneofthelargestusesisforpaper-making,wherethetreatmentofwoodrequiresastrongalkali.氢氧化钠的最大的用途之一是造纸,在造纸业中对木头的处理需要一个强碱。Insomecountriesthisconsumes20%ofproduction.An
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