纯碱工艺设备.docx

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纯碱工艺设备

纯碱

纯碱，学名碳酸钠，俗名苏打、石碱、洗涤碱，化学式Na?

CO?

，属于盐类，含十个结晶水的碳酸钠为无色晶体，结晶水不稳定，易风化，变成白色粉末Na2CO3，为强电解质，具有盐的通性和热稳定性，易溶于水，其水溶液呈碱性。

是一种重要的化工原料，很多工业都要用到纯碱。

关于纯碱的一些常识：

碳酸钠的用途：

发酵粉、洗碗、制肥皂、制药、制松花蛋、纺织、玻璃、造纸、漂染，还可以用于其他含钠化合物的制备。

碱生产方法自路布兰法至今二百多年来，已经有很多变革和进步。

因原料的不同而产生不同的新方法，例如原盐、天然碱、钾石盐、芒硝等作原料，生产方法自然各不相同。

原料相同，因路线不同而变迁的有氨碱法、联合制碱法（候氏制碱法）。

新旭法等，都是以食盐为原料，而工艺路线不同。

在天然碱加工方面也有不同的原料和工艺路线，如倍半碳酸钠法和一水碳酸钠法、天然碱卤水的碳酸化法生产纯碱等。

本课程重点讲联合制碱法，又名候氏制碱法（联合制碱这一专用名称，国际上尽管各不相同，其实质上是一样的）。

所谓联合，就是将氨减法与合成氨工艺进行联合的改进工艺，在合成氨生产中有CO生成，我们是将其转化为CO2,在进行排放等处理，但是排空的CO2使原料利用不尽合理，而且对空气也有一定的污染，在联合制碱法中我们综合利用了合成氨的原料CO2和NH3，用来生产纯碱，既充分利用了合成氨的原料，也减少环境污染。

一、联合制碱法的原理

总反应方程式：

NaCl+CO2?

+NH3+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl（可作氮肥）

2NaHCO3=加热=Na2CO3+H2O+CO2↑（CO2循环使用）

（在反应中NaHCO3沉淀，所以这里有沉淀符号，这也正是这个方法的便捷之处）

即：

①NaCl（饱和溶液）+NH3（先加）+H2O（溶液中）+CO2（后加）=NH4Cl+NaHCO3↓（NaHCO3能溶于水，但是侯氏制碱法向饱和氯化钠溶液中通入氨气，由于氯化钠溶液饱和，生成的碳酸氢钠溶解度小于氯化钠，所以碳酸氢钠以沉淀析出）

先添加NH3而不是CO2：

CO2在NaCl中的溶解度很小，先通入NH3使食盐水显碱性，能够吸收大量CO2气体，产生高浓度的HCO3-,才能析出NaHCO3晶体。

）

②2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2↑

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，减少可能造成的环境污染。

注：

纯碱就是碳酸钠（Na2CO3）

在制碱过程中向滤出NaHCO3晶体后的NH4Cl溶液中加熟石灰以回收氨，使之循环使用：

2NH4Cl+Ca（OH）2（加热）=CaCl2+2NH3↑+2H2O

不足之处

侯氏联合制碱法也存在不足。

较氨碱法而言，它的用氨量较大，在有些情况下不适用。

二、氨碱法（索尔维制碱法）

氨碱法的原理：

其优点

原料易于取得且价廉，生产过程中的氨可循环利用，损失较少；能够大规模连续生产，易于机械化，自动化；可得到较高质量的纯碱产品。

缺点

原料利用率低，造成大量废液废渣排出，严重污染环境；碳化后母液中含有大量的氯化铵，需加入石灰乳使之分解，然后蒸馏以回收氨，这样就必须设置蒸氨塔并消耗大量的蒸汽和石灰，从而造成流程长，设备庞大和能量上的浪费。

联合制碱法与氨碱法都有下列优点：

原料利用率高；不需石灰石及焦碳，降低了很多成本；纯碱部分不需要蒸氨塔、石灰窖、化灰机等笨重设备，缩短了流程，建长投资花费减少；无大量废液、废渣排出，可在内地建厂。

不同点（列表）

侯氏制碱法对氨碱法加以改进：

将析出NaHCO3的母液选在5~10℃时加入食盐粉末是不易结晶的NH4Cl结晶析出，这不仅使原料NaCl充分利用，又获得大量化肥，也使氨碱法中CaCl2的处理问题得到解决。

侯德榜为制碱做出的卓越贡献是值得我们骄傲和敬佩的！

联合制碱法生产原理

本联碱生产采用的是“一次加盐、两次吸氨、一次碳化”生产循环过程，第一过程为纯碱生产过程，第二过程为氯化铵生产过程。

如图1—1所示，由母液Ⅱ开始，在第一过程加入原料氨（NH3）和二氧化碳（CO2），得到碳酸氢钠（NaHCO3）和母液Ⅰ，在第二过程加入原料盐（NaCL），得到氯化铵（NH4CL）和母液Ⅱ，如此完成一个循环。

联合制碱法工艺流程

联合制碱法工艺流程（设备）

首先是原盐的精制

在联合制碱生产中，原料盐是以固体形态加入系统的，可以想象到伴随着固体盐中的不溶性和可溶性杂质进入系统，它必然会影响到最终产品的质量。

原盐精制的任务是把原料盐中的钙、镁、硫酸根等杂质除去。

常用的处理工艺是洗涤-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在洗涤液面上飘走，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。

球磨机将粗盐粉碎成细盐，粉碎后的盐浆经盐浆桶送往分离器，颗粒大的盐粒下沉，由底部排去重新研磨，细盐随盐浆沉降后用离心滤盐机分出盐水，洗盐送去盐析。

原盐精制的主要设备

1、螺旋洗盐机

这里介绍一种双螺旋洗盐机，它有两个同步配合的螺旋带，一边搅拌、混合、洗涤，一边输送物料。

双螺旋洗盐机是倾斜安装的，如图所示，原盐从低处进料端加入，洗涤盐从后端高处输出；洗涤液饱和卤水则在机的中部淋洗，从低处高端溢流而出。

2、球磨机

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，主要应用于水泥、硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业。

球磨机根据排矿方式不同可分格子型和溢流型两种类型，可分为干式和湿式两种磨矿方式，适用于粉磨各种矿石及其它物料，广泛用于选矿、建材及化工等行业。

特点

（1）主轴承采用了大直径双列调心棍子轴承，代替原来的滑动轴承，减少了摩擦，降低耗能，磨机容易启动。

（2）保留了普通磨机的端盖结构形式，大口径进出料口，处理量大。

（3）给料器分为联合给料器和鼓形给料器两种，结构简单，分体安装。

（4）没有惯性冲击，设备运行平稳，并减少了磨机停机停车维修时间，提高了效率。

制碱工艺（一过程）

1.工艺流程

该工序主要是利用氨母液Ⅱ在碳化塔中吸收二氧化碳，制得碳酸氢钠结晶及适合二过程要求的氨母液Ⅰ，达到氯化钠转化率高和母液当量低的要求，下图为制碱工艺流程图。

主要化学反应为：

NaCl+H2O+CO2+NH3=NaHCO3+NH4CL

主要设备

一、吸氨设备：

吸氨喷射器

吸氨喷射器由四个可拆卸件组成：

组成

材料

作用

头盖

灰铸铁

保证喷嘴安装的轴向精度

氨气的吸入室

灰铸铁

防止氮气流影响喷射直线前进

喷嘴

不锈钢

使母液具有较大动能，能充分吸收氨气。

扩压器

铝铸铁

使母液充分吸收氨气

吸氨喷射器的特点：

吸收强度很高，但气体通过的阻力降很大，只要系统真空能够克服阻力降，大多数碱厂均采用这种设备。

二、碳酸化设备

常用碳化设备为索尔维式碳化塔（见图）。

高约20～30m,塔内装有菌帽型塔板,塔板下面是带孔的锥形隔板，上面是周边开有锯齿的锥形菌帽，起分布气体的作用，这种塔板不妨碍悬浮液的流动。

自塔高1／2处以下，在两个塔板之间，装有很多横穿的冷却管，管内通水，以移去反应过程中放出的热量。

塔内自上而下分成3个反应区域:

①吸收区。

在塔上部，溶液吸收二氧化碳，尚无结晶析出。

②生成区。

在塔中部，约从塔高2／3处开始析出碳酸氢钠结晶，并继续吸收二氧化碳，使结晶长大。

③冷却区。

在塔下部，吸收二氧化碳的同时进行冷却，结晶继续成长。

生成区的温度对结晶质量影响很大，通常要求在60～65℃。

含结晶的悬浮液从塔底部取出。

取出液在索尔维法生产中，温度控制在25～30℃，在侯氏制碱法中控制在34～40℃。

吸收后尾气从塔顶排出。

特点

　　在制碱过程中，碳化塔内壁,特别是冷却管表面,会形成碳酸氢钠疤层。

作业时间越长，疤层越厚。

当疤层结到一定厚度后，由于传热效率下降，以及气、液通道变小，作业便不能正常进行。

所以碳化塔一般作业几十小时后，需要进行清洗。

通常，将几台碳化塔编成一组，轮换清洗。

材质

　　碳化塔一般都用铸铁制造，近年来在侯氏制碱法中开始用碳钢制造，内加防腐蚀层。

冷却管用铸铁（有的还在管外加防腐蚀层），也有用不锈钢的，少数用钛材。

为提高结晶质量,延长作业时间以及简化设备结构等,现研究采用带溢流管的筛板塔、外部冷却式碳化塔等新结构。

此外，碳酸化塔还有筛板式碳酸化塔、外冷式碳酸化塔等。

三、过滤设备

制碱中常用的过滤设备有转鼓真空过滤机，转鼓真空过滤机是连续式过滤机的一种。

构造与转筒真空过滤机相似，操作原理也相同。

以负压作过滤推动力，过滤面在圆柱形转鼓表面的连续过滤机。

这种过滤机最初用于制碱和采矿工业，后来应用扩展到化工、煤炭和污泥脱水等部门。

工作原理：

分配阀的动盘固定在转鼓轴颈上，与转鼓同步旋转。

动盘端面有一圈孔。

每个孔与转鼓上对应的一个滤室相连。

阀座不转动，其内侧端面上开有几条弧形槽，分别与外侧的接管连通。

阀座与动盘贴合，各弧形槽顺序与动盘上的孔相通，旋转的滤室即可与固定的真空或压缩空气系统顺序联接，使过滤操作循环进行。

采用绕带转鼓真空过滤机可使滤布得到充分洗涤。

如果悬浮液中的颗粒较重,沉降速度很快,则宜采用悬浮液在转鼓上方加料的结构或内滤面转鼓真空过滤机。

如果悬浮液中的固体颗粒很细或形成可压缩性滤渣，则应在转鼓过滤面上预先吸附一层固体助滤物，或在悬浮液中混入一定量的固体助滤物，使滤渣较为疏松，可提高过滤速度。

主要特点：

主机刮刀系统变频器控制，自动进刀卸料。

主机与物料接触部分的材质为304或316L。

主机传动系统为二级齿轮减速，并由交流变频器无级调速控制。

本机转鼓预敷助滤剂（硅藻土、珍珠岩、活性炭）的厚度一般在80mm以上。

主机连续操作、运转平稳、维修方便。

本机具有分离固相浓度很低、粒度极细、易堵滤布的悬浮液能力。

主要技术参数：

四、重碱（碳酸氢纳）锻烧设备

重碱煅烧的任务是把真空过滤机分离的湿重碱加热分解制取无水碳酸钠。

用于热分解的装置主要是回转式煅烧炉，但也有应用立式流化床煅烧设备的。

管式回转煅烧炉

主要技术参数和配置

常用的煅烧炉主要是外管式煅烧炉，其炉的结构较为复杂，除了回转炉体和加热系统外，还包括着一整套完整的进、出碱运输机械。

外管式煅烧炉的特点：

它的两端炉头、炉尾成锥形，它是个铸铁或螺丝与炉体连接成一体。

整个煅烧炉出两端锥形外，全部置于砖砌的密闭墙内。

围墙是用高铝耐火砖及红砖筑成的炉膛，其间有必须的烟气通道。

煅烧炉间接受热，热源可以是固体燃烧煤，也可以是液体燃料重、渣油或气体燃烧煤气燃料在炉膛内燃烧后的烟气围绕炉体四周通过；而后由炉尾围墙上侧的烟囱排出。

使用液体的煅烧炉，燃料应先用泵送往换热器升温后，再进燃烧室；也可以借助于机械油压式喷射雾化。

回转煅烧炉的进碱装置是一个固定的螺旋输送机，它与炉体传动之间的连接是通过结构简单的金属端面密封，并用弹簧压住。

出碱装置由碱螺旋输送机、圆筛和簸箕组成，出碱螺旋输送机是单独固定在一个高位的钢筋凝土基础上；它沿炉体的中心线约有1/2伸入炉内。

安装在炉内的圆筛与螺旋同心。

氯化铵工艺（二过程）

1.工艺流程

该工序主要是将氨母液Ⅰ在结晶器中经冷却和加盐，使氯化铵结晶析出，同时通过补充盐维持母液组成，供碳化制碱。

工艺流程图如下：

主要设备

一、结晶器

用于结晶操作的设备。

结晶器的类型很多，按溶液获得过饱和状态的方法可分蒸发结晶器和冷却结晶器；按流动方式可分母液循环结晶器和晶浆（即母液和晶体的混合物）循环结晶器；按操作方式可分连续结晶器和间歇结晶器。

而制铵过程中的结晶器主要是冷析结晶器和盐析结晶器两种，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。

（1）冷析结晶器

冷析结晶器的构造如图所示，由于冷析是制冷的来源，附有外冷器，故主轴流泵是多组的，以备外冷器结垢后，传热能力下降倒换清洗的需要，每台轴流泵直接与一台外冷器相连，一起开用，一起停用。

这一部分是无阀操作，靠启动轴流泵后自动抽母液送往外冷器，再循环回来进入多组泵相连的分配箱上自流入冷析结晶器的中心管内下行至器底，再向上穿过晶浆层，使结晶生长，而制冷后的温度过饱和度也随之而消失，周而复始地循环。

特点：

冷析结晶器的中心管直径较大，质量也很大而且在急激流动的晶床层中必须牢靠地加以固定。

晶床内的晶浆由晶浆管斜向下方插入抽取，这样可以避免不取出时不致为晶浆堵塞；停止取出时，虹吸去稠厚器的晶浆在阀门关闭后靠重力返回晶床。

（2）盐析结晶器

盐析结晶器的产量约为冷析的一倍，因此它需要较大的反应容积，并且进入它的半母液Ⅱ不再冷却，相反，加盐和析出NH4Cl后还要升温。

特点：

结晶器有足够的容积，使母液在器内平均停留时间大于8h，以稳定结晶质量；结晶器的中下段是悬浮液，以保持晶体悬浮液在母液中不断成长。

二、外冷器

它是冷析结晶母液降温的关键设备。

其构造外壳是由钢制圆筒两端焊接管板，上下管板与上下盖之间有加长圈，均以法兰和螺丝连接。

生产中：

热流体走管内，冷流体走管间。

特点：

当外冷器作业一段时间后，管内形成接疤管内热阻增大，泵的电机电流增高循环量减少使换热能力下降，因此要轮换备用外冷器，外冷器内的接疤主要成份为氯化氨所以一般用热氨以清洗。

外冷器

三、离心机

由于氯化铵结晶粒度较大，一般都选用成熟的通用水平推料式连续离心分离机，小型厂多选用单机或双极式。

HR系列离心机是一种卧式双级活塞推料、连续操作过滤离心机。

能在全速运转下，连续进行进料、分离、洗涤、卸料等工序。

具有连续双级活塞推料连续自动离心机

操作、运转平稳、分离因素高、生产能力大、产量高、洗涤效果好、滤饼含湿率低、母液含固量少等特点。

适合分离含固相物粒度大于0.08mm，浓度大于40%的悬浮液。

适用于化工、化肥、制碱、制盐等行业，特别适用于氯化钠、氯化铵、碳酸氢铵、磷酸三钠、偏硅酸钠、硫酸钠、尿素等固液分离。

四、干燥设备

目前国内外联碱厂家普遍采用流化床沸腾炉作为干铵炉（一种成熟的单元操作）,流化床沸腾炉有结构简单、气速大、湍动效果好、床层温度均匀等优点而倍受生产厂家的青睐,炉体结构有圆形床和长方形炉之分。

中、小型厂绝大部分使用圆筒形结构，但像天津碱厂就是采用盐业部门开发的长方形床箱式结构，如图所示：