年产30万吨纯碱项目课程设计.doc

1、目 录一、 总论-3二、 生产流程或生产方案确定- 9三、 生产流程简述 -15四、 工艺计算书-16五、 主要的设备工艺计算-27六、 环境保护与安全措施-31七、 参考资料 -34一、总论1. 概述1.1纯碱 碳酸钠（Na2CO3）sodium carbonate，分子量105.99，俗名块碱、纯碱、石碱、苏打(Soda)、口碱（历史上，一般经张家口和古北口转运全国，因此又有“口碱”之说），无结晶水的工业名称为轻质碱，有一个结晶水的工业名称为重质碱。CAS编号497-19-8，外观白色粉末或细粒结晶(无水纯品)，口味涩，相对密度(水=1)2.532，熔点851，强碱弱酸盐 ，纯碱不是碱，是

2、盐类！ 化学性质：溶液显碱性，能与酸反应。稳定性：高温下可分解，生成氧化钠和二氧化碳。长期来自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。含有结晶水的碳酸钠有3种：NaCO3 10 H2O外，尚有NaCO37H2O及NaCO3 H2O等。它们之间的转变温度分别为 31.5oC和32.5oC，即溶解性：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应，使溶液显碱性，有一定的腐蚀性，能与酸进行中和反应，生成相应的盐并放出二氧化碳。 健康危害：本品具有刺激性和腐蚀性。直接接触可引起皮肤和眼

3、灼伤。生产中吸入其粉尘和烟雾可引起呼吸道刺激和结膜炎，还可有鼻粘膜溃疡、萎缩及鼻中隔穿孔。长来自时间接触本品溶液可发生湿疹、皮炎、鸡眼状溃疡和皮肤松弛。接触本品的作业工人呼吸器官疾病发病率升高。误服可造成消化道灼伤、粘膜糜烂、出血和休克。毒理学资料：LD50：4090 mg/kg(大鼠经口)LC50：2300mg/m3，2小时(大鼠吸入) 燃爆危险：本品不燃，具腐蚀性、刺激性，可致人体灼伤。 消防措施：危险特性： 具有腐蚀性。未有特殊的燃烧爆炸特性。 有害燃烧产物： 自然分解产物未知。 灭火方法： 消防人员必须穿全身耐酸碱消防服。灭火时尽可能将容器从火场移至空旷处。 泄漏应急处理：隔离泄漏污染

4、区，限制出入。建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿防毒服。避免扬尘，小心扫起，置于袋中转移至安全场所。若大量泄漏，用塑料布、帆布覆盖。收集回收或运至废物处理场所处置。 操作注意事项：密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防尘口罩，戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶手套。避免产生粉尘。避免与酸类接触。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时，应把碱加入水中，避免沸腾和飞溅。 储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。应与酸类等分开存放，切忌混储。储区应备有

5、合适的材料收容泄漏物。 运输注意事项：起运时包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与酸类、食用化学品等混装混运。运输途中应防曝晒、雨淋，防高温。车辆运输完毕应进行彻底清扫。 1.2 我国纯碱行业的市场现状 纵观全球纯碱生产形势，质高价廉的美国天然碱继续受到欢迎，受出口及自身经济发展增长的需求其产量继续增长，处于经济发展成熟期的欧洲市场基本持平，而处于发展中的亚洲却处于强力增长势头；除了异军突起的中国外，伊朗(由中国天辰化工工程公司设来自计两个能力共400 kta氨碱装置，乌兹别克(由中国成达工程公司设计100 kta氨碱装置)、印度等均有新建、扩建项目

6、。此外土耳其的天然碱项目也在考虑中。1.2.1需求 伴随美国经济的增长，2004年美国国内纯碱最大的用户玻璃行业的产销势头看好。玻璃容器的销量较2003年有所增长，库存下降。2005年美国的纯碱销售玻璃行业占49% ，化学品制造业占29% ，肥皂和洗涤剂占11% ，烟气脱硫占29%，纸浆和造纸2% ，水处理1% ，其他7% 。 2005年我国纯碱下游产品生产情况：平板玻璃36 5736万重量箱，同比增长16.8% ；日用玻璃制品871.8万t，同比增长15.0%；合成洗衣粉2941万t，同比增长1O.1% ；氧化铝86087万t，同比增长23.2%。 从发展上看，随着废玻璃瓶罐回收率的提高、玻

7、璃容器的重量趋于减轻和PET聚酯塑料容器的广泛应用，预计若干年后玻璃容器对纯碱的需求量将逐年减少，玻璃工业对纯碱的总需求量不会有明显增长。1.2.2进出口美国因其得天独厚的天然碱优势，多年来在世界上一直保持着产能第一、出口量第一的地位。2005年美国纯碱产量1 170万t、出口量达480万t，其中向亚洲出口占了4O %。2005年我国纯碱出口量177万t，比2004年增加34万t，同比增长23.78 %；2005年进口量是7万t，比2004年减少13万t。2. 文献综述2.1我国纯碱行业的技术 纯碱作为基本化工原料在国民经济的建设与发展中起着举足轻重的作用，是不可替代的产品。纵观全球的形势，随

8、着美国、欧洲、日本等发达国家的经济进入市场成熟期，纯碱行业的供求也达到了基本平衡。 近几年我国的纯碱工业得到了长足的发展，无论是在产品产量、品种、质量，还是在生产技术水平和设备水平方面，均取得了长足进步，部分工序已跻身世界先进行列。自2003年起我国的纯碱产量超过1 100万t，跃居世界首位；2004年达1 250万t，2005年继续增产，全国纯碱产量达到了1 400万t，成为世界纯碱生产第一大国。生产企业数量位居全球首位，生产工艺方法最全，我国的纯碱生产工艺不仅包括传统的氨来自碱工艺、天然碱工艺也有我国自行开发的联碱工艺。2.1.1碳化传统的索尔维碳化塔已有100多年的历史，随着科学技术的现

9、代化及新材料、新技术的出现，我国的制碱工作者向传统的碳化塔提出了挑战。近年来研制开发了多种新型碳化塔：1)大型异径笠帽碳化塔：该塔的优点是生产能力大、制碱周期长、冷却效率高、转化率高、结晶质量好。目前许多大中型氨碱厂及联碱厂已采用这种碳化塔。2)筛板碳化塔：它的特点是生产能力大、塔中温度高、结晶质量好、容易清洗、操作弹性好。氨碱法是连续生产、设备多、流程长，生产中易出现波动，筛板塔抗波动性强。3)外冷碳化塔：该塔具有设备结构简单、投资省、可连续长周期运转、生产能力大、结晶质量好、吸收率高等优点，适用于联碱厂。4)不冷碳化塔：环流式碳化塔又称不冷碳化塔，生产的重碱结晶粒度大、塔的生产能力大、设备

10、结构简单、造价低，作业周期长、操作简单。该塔适合于联碱工艺。2.1.2滤过 滤过工序的操作质量、工艺指标的优劣，影响着纯碱工艺多相消耗指标的水平，影响着制造成本的高低；影响着产品质量的好坏。1)滤碱洗水添加助滤剂技术的应用：由大连化工研究设计院研制开发的系列ZL助滤剂，专用于纯碱制造过程的重碱滤过，已在10多家纯碱厂应用，现已由单一品种发展为适合不同纯碱生产厂操作工况的系列产品。经不断改进，该产品及其应用技术已实现更新换代，可实现降水分3% ，提高烧成率2%，节省洗水量。对纯碱成品无不良影响，得到用户好评。2)用离心机二次过滤重碱：为了降低重碱水份和盐份，提高产品质量，节约能源，提高煅烧炉能力

11、，先后有几家碱厂分别引进离心机，将真空过滤机过滤洗涤后的湿重碱直接进离心机进行二次分离。3)喷嘴在滤碱机洗水系统上的应用：青岛碱厂根据本厂洗水消耗当量及滤过设备的特点，经过多次、多品种的喷嘴试验和改进，确定喷嘴的流体结构，使洗水得到了很好的雾化；改变了纯碱行业滤碱机的传统洗水淋洒方法，解决了由于洗水分布不均匀，引起局部盐份变化大，对产品质量的稳定性造成的影响及洗水利用率低的问题。降低了母液的处理量，减少了生产成本，创造了良好的经济效益。4)真空转鼓滤碱机：多年来我国一直采用真空转鼓滤碱机过滤重碱，由成都天宝公司生产的真空转鼓滤碱机已推出了高性能的第3代产品。该产品已在全国40多家企业使用，并远

12、销国外。该产品主体材料坚持采用超低碳不锈钢，在喷淋装置、压辊结构、搅拌装置、分配头、错气盘等部位进行了改进。5)带式滤碱机：分别于2004年建成投产的河南新乡中新化工有限责任公司、2006年投产的河南金大地公司在舞阳的联碱装置，都选用了核工业烟台同兴实业有限公司的DLJ带式滤碱机过滤重碱，打破了我国纯碱行业真空转鼓滤减机滤过重碱的一统天下。2.1.3煅烧 在纯碱生产中，重碱的煅烧技术一直是制碱行业的主要研究课题，因为煅烧炉的运行工况直接影响产品的质量，其能耗的高低又影响着经济效益。国内外碱厂的重碱煅烧工序均采用蒸汽煅烧技术，蒸汽煅烧技术又分为外返碱煅烧炉和自身返碱炉。1)330 m 外返碱煅烧

13、炉：技术领先的 330 m外返碱煅烧炉，是大化集团化机厂在吸收国内外同类产品的先进经验基础上研制出来的，适用于大中型碱厂。2)自身返碱煅烧炉：小型联碱厂大多采用自身返碱蒸汽煅烧炉。近年来自身返碱蒸汽煅烧炉在技术上有了较大的改进；使用返碱连续进炉结构；炉头设预混段；改进了炉体密封结构、进汽装置、排水装置等等，使技术经济指标有了显著的提高。2.1.4重质纯碱随着科学技术的进步和各工业领域的发展，基本化工产品纯碱也相应发生了较大的变化，加快发展低盐重质纯碱，已成为纯碱行业的一项重要任务。它的主要生产方法有：1)液相水合法：由天津碱厂自行开发设计的液相水合法生产重质纯碱的生产过程中，中间产品一水碳酸钠

14、的质量直接影响重质纯碱的质量。其关键设备是水合结晶器，在多年生产实践基础上，将搅拌机改为带导流筒的双层螺旋桨式。改造后设备运转可靠，生产能力提高，操作弹性大。2)固相、改良固相水合法：以大连化工研究设计院为主，联合开发的固相及改良的固相水合法重质纯碱生产技术，已在多家企业应用。目前我国纯碱行业的固相水合法生产重质纯碱的企业，根据自身的特点采用了各种干燥设备：青岛的流化床，山东海化的沸腾床，唐山三友、湖北双环的回转炉等。3)挤压法重质纯碱：挤压法生产重质纯碱与前面讲述的液相水合法及固相水合法均不相同，它是纯物理的方法，生产过程中无化学反应发生。现在自贡鸿鹤及唐山三友都有该方法的重质纯碱生产。该法

15、过程简单，设备小型，布置紧凑，操作简单，管理方便，制得的成品颗粒均匀、强度高、耐磨损，可根据用户要求调整粒度，具有投资、能耗低的优点；缺点是无法改变轻灰的成分，只能用低盐轻灰制低盐重质碱。只适用在重质纯碱生产过程中不需要脱盐的场合。2.2我国纯碱行业的展望 我国纯碱工业继续发展面临的主要困难与挑战是能力增长过快、美国天然碱的威胁、环保问题、搬家问题、厂家过多能力分散、劳动生产率低。2.2.1生产规模快速增加 截止2005年底我国已有纯碱生产装置55套，总产量达1 400万t。其中生产能力超过800 kta的大型企业有4家，超过600 kta是7家，超过300kta为13家，100 kta以上3

16、2家，其余为小于100kt的小厂，形成以大型企业为主的纯碱市场格局。全行业共有8家企业的纯碱产品、4家企业的氯化铵产品被评为“中国名牌产品”，海化“鸢都”、连云港“长江三角”、唐山“三友”、大化“工联”、天碱“红三角”、青岛“自力”、湖北“红双环”、自贡“鹤牌”，这8个品牌2005年的纯碱产量为768万t占总产量的55% ；同时大化“大地”、湖北“红双圈”、自贡“鹤牌”、天碱“海王星”牌氯化铵在2005年也被评为“中国名牌产品”。2.2.2 消费需求缓慢增长下游产品前几年的快速发展得益于有新项目，自2004年新投产24条浮法线，2005年投产23条浮法线，目前仍有25条浮法线在建；2005年氧

17、化铝耗碱30万t，2006年氧化铝的产量无明显增长；2005年五钠和洗衣粉共耗碱106万t，预计2006年五钠和洗衣粉的耗碱总量将达11O万t。我国目前正处于工业化的中期阶段，也是城镇化水平提高最快的时期，需增加大量住房和全面改善住房条件。再加上国家继续执行积极的财政政策、西部大开发、2008年奥运、2010年世博会，建筑节能政策及强制性法规的出台等都将不断扩大玻璃的应用领域，为玻璃工业提供广阔的发展空间和美好的发展前景。据2003年美国盐湖城国际纯碱大会专家预测，到2007年平板玻璃需求年增长率将达4%，建筑市场玻璃需求将增长4.3% ，汽车行业玻璃需求将增长2.2%。 与世界发达国家相比我

18、国的人均纯碱消耗量不足10 kg(美国23 kg、法国2O kg、俄罗斯15 kg)，所以今后几年，拉动我国经济增长的主要产业是房地产业和汽车行业，这两个行业都与纯碱行业有关。而建设小康社会必然推动农村人口向城镇转移，从而带动房地产业的发展，增加玻璃用量，增大纯碱需求。随着人民生活水平的提高，合成洗涤剂的用量将增加。2.3发展中的问题与困难2.3.1 规模效益差、劳动生产率低 我国纯碱企业数量过多，综合平均技术水平还比较落后现有大中小企业5O余家，占全球纯碱企业总数的13，生产能力仅占14，平均能力低于世界平均水平。生产装置自动化水平不高，劳动生产率低。2O世纪8O年代，世界纯碱生产控制技术已

19、进入微机综合控制阶段，德国莱茵堡碱厂的制碱过程控制已实现了全部自动化；进入2O世纪9O年代国外碱厂的控制已实现全厂网络化，包括生产、销售、储运、公用工程、能源和管理等实现自动化和智能化。 我国纯碱制造业的自动化水平一直很低，20世纪8O年代在重要工段、主要设备上引进了国外技术，由于种种原因并没有起到应有的作用，自控装置只作为集中显示仪表。随着计算机技术的普及，国内配套装置的技术进步，使纯碱企业的自动化水平得到了提高。但各企业的发展水平参差不齐，大部分碱厂处在部分车间的DCS监控和常规仪表控制水平上，一些重要的控制点还没有实现自控；有些厂的生产控制仍然处于手工操作阶段，自动化程度不高。到目前为止

20、还没有一个碱厂达到全自动化。2.3.2 产品质量差、结构不合理 产品质量差、结构不合理是我国纯碱行业目前存在的另一大问题。美国由于其得天独厚的高品位天然碱，其原料含盐低、加工方法简单，所以产品纯度高、含盐低、粒度均匀、白度高。而我国目前纯碱仍以普通轻质纯碱和普通重质纯碱为主，产品粒度不均匀、盐分高，尤其是联碱法纯碱的Ca，Mg水不容物含量比天然碱和氨碱法纯碱都高，一些特殊行业的市场只能被进口碱所取代。尚无低盐轻质纯碱，重质纯碱的比例较低，特别是低盐重质纯碱的比例更低，与先进国家相比仍有较大差距。2.3.3 环境治理问题严重 环保问题是许多纯碱企业，特别是氨碱企业发展面临的主要难题之一。现已引起

21、各碱厂的高度重视，因为环保问题已直接关系到某些氨碱企业的生死存亡，目前大化集团、天津碱厂、青岛碱厂、福州耀隆、合肥四方、杭州龙山等几家企业正因为城市发展及环保问题面临搬迁改造。二、生产流程或生产方案确定1、生产方案的确定纯碱的生产方法有两种：氨碱法和联合制碱法。在查阅大量相关资料后，确定该项目的生产方案采用联合制碱法来制取目的产物。联合制碱法的优点：保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。 （1）NH3+H2O+CO2=NH4HCO3（2） NH4HCO3+NaCl=

22、NH4Cl+NaHCO3 ； 氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵，这是第一步。第二步是：碳酸氢铵与卤化钠反应生成一分子的卤化铵和碳酸氢钠沉淀，碳酸氢钠之所以沉淀是因为他的溶解度很小。 根据 NH4Cl 在常温时的溶解度比 NaCl 大，而在低温下却比 NaCl 溶解度小的原理，在 278K 283K(5 10 ) 时，向母液中加入食盐细粉，而使 NH4Cl 单独结晶析出供做氮肥。2、联合制碱法的原理联合制碱法工艺分为两个过程：一工程为制碱过程，即铵盐水碳酸化生成NaHCO3沉淀: 该过程中的吸氨和碳酸化原理与氨碱法基本相同，可用氨碱法相图进行讨论。分离出NaHCO3的母液称为母液，其中

23、主要含NH4Cl、NH4HCO3和未利用的NaCl。二过程是用冷析和家NaCl盐析的方法从母液中将NH4Cl分离出来。由于母液中NH4HCO3是饱和的，如直接采用盐析和冷析的方法无法使NH4Cl单独分离采用出来。如果将母液氨化，会发生如下反应： 这样溶液中的HCO3-浓度降低，NaHCO3便不是饱和的。氨化后采用降温和盐析的方法可使NH4Cl单独析出。析出NH4Cl固体后的母液称为母液，母液再经吸氨、吸二氧化碳制取重碱，如此一、二过程可交替循环进行。3、联碱法与氨碱法的比较3.1原料氨碱法因有盐水精制过程，所以对原盐质量要求不高，有条件的地方还可采用卤水作原料。联碱法必须用质量较高的固体盐为原

24、料，如盐质较差，则需增设洗涤盐过程。联碱法的钠和氯的利用率可达到93%，而氨碱法的钠利用率只有73%左右，氯利用率为0。氨碱法由于氨回收及提供C02，需消耗石灰石约1.3 t/t碱，焦炭(或无烟煤)约100 kg/t碱。联碱法利用合成氨副产的C02作原料，不需消耗石灰石及焦炭。3.2 废弃物排放氨碱法每生产1t纯碱约排出10m3废液和300一400 kg废渣(与石灰石及盐的质量有关)。联碱法在生产过程中通过母液澄清、压滤将盐中夹带的杂质分离出系统，每生产It纯碱其量只有几公斤到几十公斤(与盐质量有关)。3.3 能耗 可比单位综合能耗，氨碱法在12000一14000MJ/t碱，联碱法在7100一

25、8 200 MJ/t碱.3.4 产品联碱法在生产纯碱时，同时产出等量的氯化铵。氯化铵主要用作农用氮肥，也可进一步加工成为工业用氯化铵。氯化铵的市场需求是联碱法生存和发展的关键，为了认真研究氯化铵在不同土壤、不同农作物上的肥效，并通过肥效和机理的研究，明确含氯化肥(包括氯化钾)适宜使用的作物及施用技术，在以往取得分区农田试验数据的基础上，由政府部门立项，在全国进行了更大规模的农田试验，连续进行了7年，取得了丰硕而系统的研究成果。主要内容是:摸清了主要农区的土壤含氯水平与分布特点，明确了使用含氯化肥的地区与土壤;进行了农作物耐氯能力的测定与分级，依据耐氯临介浓度划分了耐氯作物、中等耐氯作物和弱耐氯

26、作物;提出了含氯化肥的科学施肥技术等等。这些研究对联碱法的发展及其布局起到了重要作用。由于氯化铵有良好的造粒性能，我国国内的氯化铵大部分加工成氮、磷、钾粒状复合肥，很受农民欢迎。3.5联碱法的技术进展 中国的联碱工业在发展过程中对生产工艺和设备进行了不断改进，目前，中国的联碱技术与初期相比有了很大提高。下面简要介绍一些主要的技术进步项目。3.5.1 氯化铵冷析结晶循环系统的改进 氯化铵冷析结晶器设有外部冷却器用以降低母液温度，析出氯化铵结晶。结晶器与外冷器之间设有循环泵及大直径循环管。由于外冷却器传热面要结疤，需定期切换清洗，因此在大直径循环管上须设切断阀。由于介质的腐蚀性以及存在结疤和晶浆冲

27、刷等恶劣条件，循环轴流泵的轴瓦及循环管上的切断阀经常发生故障，成了影响连续生产的首要间题，后来设计了无底瓦轴流泵及无切断阀循环系统，解决了这一问题。3.5.2 致冷系统的改进 由于氯化铵冷析过程要求精确控制温度，初期建设的联碱装置，冷析过程是通过液氨蒸发冷却卤水，再用冷卤水去冷却母液，从而析出氯化铵结晶。以后改为液氨直接进入外冷器蒸发冷却母液的流程，解决了温度控制技术。液氨致冷不但缩短了流程，减少了设备及管线，而且由于因减少换热次数，减少传热温差从而提高了液氨的蒸发温度，降低了冷冻系统的能耗。3.5.3吸氨设备的改进 如前所述 ，联碱生产中有二次吸氨，原来采用与氨碱法相似的吸氨塔，塔高33 m

28、，重100多吨。 以后开发出喷射吸氨器，设备直径接近管道直径，每个吸氨器只有几十公斤重。大大降低了设备造价。3.5.4 自身返碱蒸汽锻烧炉的应用及发展 众所周知 ，NaHC03缎烧过程需要加人大量返碱，因此锻烧工序都设置有多台返碱运输设备。 20世纪60年代，在新建的冷水江联碱厂中采用了第一台自身返碱蒸汽锻烧炉。这种缎烧炉在炉体外设置了螺旋管，炉尾的纯碱通过螺旋管运至炉头作为返碱。这样省去了炉外的返碱运输设备。不但减少设备，降低建设费用，降低能耗，而且改善了环境。此后，新建的联碱厂大都采用这种缎烧炉，并不断进行改进，使各项指标更为先进。3.5.5外冷式碳化塔的开发 20世纪80年代，开发了一种

29、自然循环外冷式碳化塔，这种碳化塔在塔的外部进行冷却，冷却器可定期切换进行清洗，塔体可连续作业I个多月。这种塔还具有吸收效率高、设备结构简单、重量轻等优点。目前已有40多台这种自然循环外冷式碳化塔在中国联碱厂中使用，最大的单台能力达到日产300t纯碱。3.5.6 变换气制碱的开发 为了进一步降低联碱法能耗和减少建设费用，中国制碱专家们于20世纪60年代又开发出了变换气制碱新流程，这种流程将合成氨生产中的变换气直接送人联碱碳化塔，在脱除变换又生成NaHC03。这是中国继侯德榜发明联碱法后又一次在世界上创造出一种新的纯碱生产工艺。变换气制碱将纯碱生产与合成氨生产进一步联合起来。纯碱生产的碳化工序同时

30、又是合成氨生产的脱碳工序，它省掉了合成氨生产中的脱C02工序、联碱生产的C02压缩工序，同时还节省了合成氨脱C02溶液再生需要消耗的能量，其节能效益和经济效益十分显著。 2000年，中国成达工程公司与石家庄市联碱厂共同开发出适用于变换气制碱的外冷式碳化塔。原变换气制碱流程中为了使出碳化系统的尾气达到合成氨生产的要求(C02O2)，采用制碱塔与清洗塔串联作业流程，这样碳化系统压力降为0450.5MPa，由于压力降大，回合成氨系统的氢、氮气必须经增压机加压。采用外冷式碳化塔后，由于塔的吸收效率提高，出制碱塔的尾气可以达到合成氨生产要求，因此，不必采用串联流程，碳化系统压力降O.35 MPa，可以不

31、设增压机。这样既缩短了流程，又降低了能耗。外冷式变换气制碱碳化塔，由于结构简单，可以使设备大型化，目前最大的塔上部直径2.8 m，中部直径4.8 m，下部直径3.2 m，单塔能力250300 t/d。 目前，变换气中c02浓度l7 28，碳化压力1.22.0 MPa，碳化系统压降0.35 MPa，出碳化系统氢、氮气中CO20.2，NH302 gm3，完全符合合成氨生产要求。重碱结晶粒度增大，NaHC03的平均粒径120m。显而易见，采用外冷式碳化塔后，变换气制碱比一般的联碱法缩短了流程，减少设备，因而建设投资与运行能耗都显著降低。自从变换气制碱外冷碳化塔开发成功后，中国变换气制碱生产能力迅速提

32、高。 总之，中国联碱工业通过技术进步，提高了原料利用率，降低了能耗，减少废弃物排放。这些都与中国政府关于可持续发展的政策相吻合的。三、生产流程简述联合法制碱的生产流程如附图所示，其第一过程与氨碱法相似。制碱系统送来的氨母液经换热器与母液换热，母液是盐析出氯化铵后的母液。换热后的氨母液送入冷析结晶器。在冷析结晶器中，利用冷析轴流泵将氨母液送到外部冷却器冷却并在结晶器中循环。因温度降低，氯化铵在母液中呈过饱和状态，生长结晶析出。适当加强搅拌、降低冷却速率、晶浆中存在一定量的晶核和延长停留时间都能促进结晶成长和析出。冷析结晶器的晶浆溢流至盐析结晶器，同时加入粉碎的洗盐，并用轴流泵在结晶器中循环。过程

33、中洗盐逐渐溶解，氯化铵因同离子效应而析出，其结晶不断长大。盐析结晶器底部沉集的晶浆送往滤铵机。盐析结晶器溢流出来的清母液与氨母液换热后送去制碱。滤铵机常用自动卸料离心机，滤渣含水分68。之后氯化铵经过转筒干燥或流态化干燥，使含水量降至1以下作为产品。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：有足够的容积使母液在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大于冷析结晶器，相应地容积也较大。能起分级作用结晶器的中下段是悬浮段，保持晶体悬浮在母液中并不断成长；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0.01

34、50.02ms-1；悬浮段的流速则为0.0250.05 ms-1。为了使晶体能有足够时间长大，悬浮段一般应高3m左右。如年产1万t氯化铵的冷析结晶器，悬浮段直径2.5m,清液段直径5.0m，总高7.7m左右。起搅拌和循环作用如盐析结晶器中有中央循环管，利用轴流泵使晶浆在结晶器中循环。冷析结晶器也有轴流泵抽送晶浆循环通过外冷器。结晶器一般是用钢板卷焊的。因物料有强烈的腐蚀性，设备受蚀比较严重，要内衬塑料板或涂布防腐层。食盐用于析铵前要经过精制。常用的预处理工艺是洗涤-粉碎法。原盐经振动筛分出原盐夹带的草屑和石块等杂物，通过给料器进入螺旋推进式的洗盐机，用饱和食盐水逆流洗涤。原盐夹带的细草和粉泥浮

35、在洗涤你液面上漂走，原盐所含可溶性杂质（氯化镁、硫酸镁和硫酸钙等）溶解。洗盐由螺旋输送机送入球磨机。球磨机的主体是回转的圆筒，衬有耐磨衬里，筒内装有钢球。在圆筒旋转时，利用钢球下落的冲击和滑动起研磨作用，将粗盐粉碎成细粒。粉碎后的盐浆经盐浆桶送往分级器，颗粒较大的盐粒下沉，由底部排去重新研磨，细粒盐随盐浆经沉降后用离心滤盐机分出盐水，洗盐送去盐析。洗盐的粒度有85在2040目（0.840.42mm）,NaCl质量分数超过98，Ca2+,Mg2+,SO42-等的质量分数小于0.3。联碱法的技术经济指标为： 氨利用率：91碳化塔容积系数：0.76t m-2d-1 钠利用率：89结晶器容积系数：0.

36、74t m-2d-1 每吨纯碱母液量：10.4m3。四、工艺计算书1. 联碱法析铵的相图及过程分析冷冻法制NaHCO3及NH4CI的重要条伴为它们都单独结晶析出。析出NaHCO3。晶体的理论知识在氨碱祛碳酸化工段已有叙述。为便于说明如何从这样复杂的多组分体体系中将NH4CI结晶析出，假定体系只是由氯化氨和氧化钠两种盐组成的NH4CI-NaCl-H2O三组分体系。 氯化铵和和氯化钠在水中溶解度的实验数据如表104所示。从表104不难看出，氯化铵的单独溶解废随温度改变很大；而氯化钠的溶解度随温废变化不大。当溶液中这两种盐共存时，由于同离子效应，其溶解度都较单独溶解度低。图108系为NH4CI-Na

37、Cl-H2O三元系溶解度相图，其横坐标为在100g水中含有的NH4CI量，纵坐杆为在100g水中含有的NaCl量，在横坐标上的A0、A15、A30、A45各点表示各相应温度下氯化铵的单独溶解度；在纵坐标轴上的B0、B15、B30、B45各点表示各相应温度下氯化钠的单独溶解；C0、C15、C30、C45各点表示被两种盐共饱和时的溶液组成。相同温度下的A点与C点的连线为含不同浓度氯化钠的氯化铵溶解度等温线，各B点与C点的连线为含不同浓度氯化铵的氯化钠溶解度等温线。当物系的组成点处于某一温度下的溶解度曲线AtCt和BtCt与两坐标轴所包围的区域OA-tCtBt时，因物系中两种盐的浓座均低于该温度下的

38、饱和浓度，故该物系为末饱和溶液，OAtCtBt区域为未饱和区，溶解度等温线外边的区域为结晶区，其中AtCt线的右方为氯化铵结晶区，BtCt线的正上方为氯化钠的结晶区，Ct点的右上方为两种盐的共晶区。当物系处结晶区时，则盐的晶体与饱和溶液共存（见图109）。根据溶解度相图掌握氯化铵和氯化钠的溶解度与温度的关系，就可以选择结晶方法；确定结晶操作条件，将氯化铵从溶液中结晶析出。设某一物系，其组成相当于图108上的P点，此点位于30oC等温线上。当温度为 30oC时，则此物系为NH4Cl的饱和溶液，若温度高于30oC（如45oC），则P点落在45oC等温线的未饱和区。此时就不会有NH4Cl的晶体析出。

39、若将溶液从45oC冷却至30oC，则NH4CI达饱和，若进一步冷却如冷却至15oC，则P点落在15OC等温线的NH4Cl结晶区；于是有NH4Cl结晶析出。此肘NaCl尚未达饱和，故溶液中NaCl的含量不变，溶液的组成沿平行于横坐标轴左移，直至15oC等温线上的Q点，此时析出NH4Cl量由线段PQ长座来确定。冷却的温度愈低，析出的NH4Cl量愈多。只靠冷却结晶操作，析出NH4Cl的量有限，为此还可在母液中加入NaCl进行盐折结晶操作。如在15oC组成相当于Q点（图108）溶液，对于NH4Cl是饱和溶液，而对NaCl并未达饱和，若往此溶液中加人NaCl晶体，则NaCl溶解，溶液中NaCl的浓度逐渐

40、变大，而NH4CI因同离子效应而溶解度降低，从而以结晶析出，若温度保持不变，则溶液组成将沿着QC15向C15方向变化。直至溶液被两种盐所饱和即达C15肘为止加人NaCl量与析出NH4Cl,可分别由图108上的C15R之长度与 QR之长度来表示。2. 制碱原则性流程在图1-3-3中绘出了35oC无NH3和10oC含NH30.35（molmol干盐）时的Na+、NH4+HCO3-、Cl-、H2O体系相图。暂设碳酸化的最终温度为35oC，其母液在图1-3-3中为I它处于35的NaHCO3结晶区内。当母液吸氨后成为氨母液时，在相图上体系点的位置并未变化，但由于结晶区移动了I点由35NaHCO3结晶区变

41、成了10的NH4Cl结晶区。如果冷冻到10，就会析出NH4Cl晶体。除冷冻外，还可用NaCl和NH4HCO3盐析，增加NH4Cl的析出量。当氨母液进行碳酸化时，相当于往体系中加人NH4HCO3，故体系点就沿着 ID连线移到 E，它处于10oC的 NH4Cl结晶区内，析出 NH4Cl固体，液相移动到F。经冷冻析出 NH4Cl的过程称为冷析过程；F母液则称为冷析母液或半母液。当母液F及加入NaCI（其组成点为B），使体系点达到G时，又会析出NH4Cl固体。这一NH4Cl结晶过程称为盐析过程，其NH4Cl母液称为盐析母液或称为母液。母液吸氨时，在相图上停留在I点不动，溶液称为氨母液。此时由于吸氨的放

42、热效应，温度升高到40oC以上。当加人少量NaCl固体时，体系点到达H。这是第二次加盐,加入的NaCl量不一定完全溶解而以悬浮状态送去碳酸化。 在含NH3溶液碳酸化时，相当于加人NH4HCO3。于是体系点沿着HD连线移动到K，它落在35oC的NaHCO3队结晶区内。如果碳酸化最终温度为35oC，析出NaHCO3后又得到母液。从而构成了一个闭合循环，交替加入NH3、CO2和NaCl,生产出重碱和NH4Cl两种产品。综上所述，联合制碱法的原则流程应该安排如 在第一、第二两个过程中，都添加NH3、CO2和NaCl，只不过加入量有多有少，各步的温度也有所不同而已。这种在两个过程中都要加盐，吸氨，碳酸化

43、的流程称为两次加盐、两次吸氨、两次碳酸化流程。在联合制碱法中，由于过程循环进行，从理论上讲，NaCl和NH4HCO3的利用是充分的，不再存在像氨碱法中的钠利用率和氨利用率的高低问题。在联合法中，所要追求的工艺指标是每一次循环中所得到的最大NaHCO3和NH4Cl产量。而循环产量主要决定于母液和母液的组成。以1mol干盐的母液为基准，作第一过程的物料衡算。式中的符号同表13-1。其中表示阳离子中NH4-的摩尔分数；表示阴离于中Cl的摩尔分数表示每mol干盐的H2Omol量；m表示每mol干盐的H2O mol量。下标 1、 2分别代表母液 I和母液 ；系数 a，b，c， d，e，r均为mol量。第

44、一过程的总反立式为： （1）因为第一过程生产1mol的NaHCO3,第二过程必然生产1mol的NH4Cl,两个过程中共用去1mol的NaCl、NH3、CO2和H2O，于是第二过程的总反应式为： （2）对式（1）作Na+衡算 （3）对式（2）作Cl-衡算 (4)(3)、（4）两式相减 （5）式（5）中的为每一循环中，1摩尔干盐的母液所产生NaHCO3和NH4Clmol量。的数值的大小就代表循环产量的大小。由式（5）可以看出，当（x1-y1）增大和（x2-y2）减少时，的数值都增加，而（x1-y1）和（x2-y2）取决于母液和母液的组成。（x1-y1）代表母液的组成，它必须落在NaHCO3结晶区内

45、。在图中，过I作BD对角线的平行线交BC边于M，则BM线段的长度即代表（x1-y1）。在NaHCO3结晶区内各点所作这样线段的长度以母液落在P1点时为最大。故由式（5）可以得出这样的结论：每当母液落在P1点时循环产量为最大。过I点作BD对角线的平行线交BC边于N，BN线段的长度即代表（x2-y2）值，在NH4Cl结晶区各点所作的（x2-y2）的长度以母液落在P2点时为最短。这就是说，当母液落在P2点时可以使循环产量最大。在整个循环过程中，NaCl、NH3、CO2和H2O只允许加入，并只允许以NH4Cl、NaHCO3形式取出，因此式（1）中的系数a、b、c、d及式（5）中的系数（-a）、（-b）

46、、（-c）、（-d）都必须为正值，即a、b、c、d0而又。可由物料衡算得出如下关系：由式（4）： （6）由式（1）作全氨衡算 （7）由式（1）作CO2衡算，并将式（5）的关系代入其中，可得： (8)对式（1）作H2O衡算： （9）式(5)式（9）五个方程式表明，a、b、c、d、r五个系数都是x1、y1、x2、y2和e的函数。在选定母液和母液以后，就可以假定某一e值来试算这五个系数。如果它们都是正值，且又小于，那么所选的母液和母液就可以构成良好的循环。返之，如果它们之中有一个为负值或大于，则所选用的这对母液和母液就不可能进行稳定的循环产生。 母液和母液虽然以落在P1、P2点时循环产量最大，但为了选择构成良好循环的母液和母液的操作点及操作时容许的波动幅度，往往将母液选在NaHCO3结晶区的内部，将母液选在NH4Cl结晶区上网内部，当然尽可能地靠近P1点和P2点。 在第一过程中加入CO2是碳酸化制取NaHCO3所必需的，不得省略。如果省去第过程的碳