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。
2.1氨碱法制纯碱的原料
(1) CO2
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℃时，将二氧化碳加压到5.73×106 Pa即可变成无色液体，常压缩在钢瓶中存，在－56.6、5.27×105 Pa时变为固体。液态二氧化碳碱压迅速蒸发时，一部分气化吸热，另一部分骤冷变成雪状固体，将雪状固体压缩，成为冰状固体，即俗称“干冰”。“干冰”在1.013×105 Pa、－78.5℃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），若含量达到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Ca(OH)2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(Ca(OH)2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。太稠则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
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灰和水从上端加入，互相混合反应。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应的同时，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。
2.2氨碱法制纯碱的原理
它是比利时工程师苏尔维（1838～1922）于1892年发明的纯碱制法。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。其化学反应原理是：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, 其化学反应原理：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（Ca(OH)2）混合加热，所放出的氨气可回收循环使用，其化学反应原理：CaO＋H2O＝Ca(OH)2，2NH4Cl＋Ca(OH)2＝CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
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2.3氨碱法制纯碱的工艺流程
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-旋风分离器；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石灰石的煅烧与石灰乳的制备 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应为：CaCO3(s)＝CaO(s)十CO2(g)； ΔH＞0；石灰石中含有的MgCO3也发生反应：MgCO3(s)＝MgO(s)十CO2(g)；ΔH＞0。
产生的窑气必须及时导出，否则将影响反应的进行。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。 2.3.1.2石灰乳的制备
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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。其化学反应式为：
CaO(s)+H2O (l)→Ca(OH)2(s)；ΔH＜0 MgO(s)十H2O (l)→Mg(OH)2(s)；ΔH＜0 2.3.2氨盐水的制备
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 2.3.3氨盐水的碳酸化
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。碳酸化总反应式为： 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，以利于过滤分离。而降低碳酸氢钠粗成品的含水量，又有利于重碱的煅烧。 2.3.3.1碳酸化过程的基本原理
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应生成碳酸氢钠。诸多研究学者认为碳酸化过程的反应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+2NH3=NH2COO-十NH4+
这一三分子反应的可能性很小，可视为两个反应过程：CO2十NH3＝NH2COO-+ H+；NH3十H+＝NH4+
(2) 氨基甲酸铵的水解 上述反应生成的氨基甲酸铵．进一步进行水解反应：NH2COO-+ H2O＝HCO3-+ NH3
(3) 复分解反应析出碳酸氢钠结晶 溶液中HCO3-积累到一定程度，当碳酸化
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液中HCO3-与Na+的浓度乘积超过碳酸氢钠溶度积时，复分解反应发生而析出碳酸氢钠结晶：Na++ HCO3-＝NaHCO3
这将影响其他离子反应的过程，尤其是氨基中酸铵水解过程，会加快水解反应的进行，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。反应如此连续进行，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。
2.3.3.2氨盐水碳酸化工艺流程
氨盐水用泵1注入清洗塔6a，塔底通过清洗气压缩机2及分离器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-分离器；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-尾气分离器；
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、
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