《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
4.1.2 氨碱法制纯碱
4.1.2.1 氨碱法的生产原理
氨碱法(Ammonia soda process) 也称索尔维(Solvay process)法， 氨碱法主要反应与物流转移见下图。
可见，氨碱法制备纯碱是以氯化钠(NaCl)和碳酸钙(CaCO3)为原 料，①碳酸钙经过焙烧产生CO2和CaO； ②CO2与NH3在NaCl水溶液 中沉淀出碳酸氢钠(NaHCO3)；③ NaHCO3再经焙烧制得纯碱 (Na2CO3)；④副产CaO经水合、NH4Cl反应制得氯化钙；⑤释放的 NH3循环利用，再与NaCl 和CO2制备NaHCO3 。
定压下，当只有碳酸氢钠析出，没有其它盐类析出时，自由 度为f＝4－2＋1＝3。下面用温度及两个浓度变量来讨论。
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① 原料配比和产品析出
右图中，ⅠP2、P2Ⅱ、 P2P1、P1Ⅲ、P1Ⅳ为饱和线； 1,2,3区为NaHCO3、 NH4HCO3、NH4Cl的析出区； P1点可析出三种结晶。 氨盐水碳酸化后的组成 在 AC 线上。如果只需析出 NaHCO3 时，组成应 R-S 线内， 超 过 S 析 出 NH4HCO3, 超 过 R 析出NaCl。 如果总组成在 X 点， T 点 为饱和溶液 ，结晶与溶 液 比为 TX:XD ，比值越大，析 出结晶越多。可见P1点操作 最好。
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(1) 主要化学反应
根据上图，氨碱法以碳酸钙和氯化钠为原料，反应有： ① 焙烧CaCO3制得CO2：
CaCO3 ( s) 焙烧 CO2 ( g) CaO( s) 176.105kJ / mol
② NaHCO3沉淀的析出： NaCl NH3 CO2 H2O＝NaHCO 3 ( s ) NH4Cl ③ 生成的碳酸氢钠(NaHCO3)煅烧分解后可得纯碱：
NH4Cl Ca(OH )2 2 NH3 CaCl2 2H 2O
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(2) 氨碱法相图讨论
氨盐水碳酸化反应(反应②)实质上是液固相反应，原则上 可用液相平衡常数来确定平衡反应量。但由于体系复杂，液 相活度系数计算困难，所以工业上往往利用实验得到的相图 来确定生产条件，保证在给定工艺条件下得到所需的产品及 质量。 反应体系有NaCl-NH4Cl-NH4HCO3-NaHCO3-H2O五种物质， 有一个化学反应平衡常数方程，独立组分数为4。水是溶剂， 所以可以将体系看成是除水外的其它4组分构成的。也可用 Na+、Cl-、NH4+、和HCO3-离子浓度表示。 根据相律： f C P 2
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② 原料利用率
U Na 生成NaHCO3量 CCl C Na 1 tg 原始NaCl量 CCl
生 成NH 4Cl量 C NH 4 C HCO3 1 tg 原 始NH 4Cl量 C NH
4
U NH 3
从图中可看出，操作点在P1点时 角最小，角较小，因此两种利用率 都较高。根据P1点浓度数据可计算： U Na (6.79 1.44) 6.79 78.8%
U NH 3 (6.28 0.93) 6.28 85.2%
注意到，析出NaHCO3时P1点钠利用率最高。若操作点向P2方向 移动，钠利用率降低(溶液中Na+增加，最终被洗掉)，氨利用率提 高(溶液中NH4+减小) 。因为实际生产中氨被蒸出是循环利用的， 所以应主要考虑钠利用率，操作点要尽量靠近P1点。
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第4章 纯碱和烧碱
Soda and Caustic Soda
纯碱和烧碱都是重要的轻工、建材、化工原料，广泛应 用于造纸、石油化工、化肥、冶金、玻璃、纺织、医药等工 业。酸和碱的产量都是衡量化学工业发达程度的标志之一。
1 2
4.1 纯 碱 4.2 烧 碱
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③ 氨盐比的影响
氨盐比略大 于1时，相点落 在Z点附近，只 有少量碳酸氢铵 析出。钠利用率 高，氨利用率降 低，但后者可通 过循环弥补，所 以可取。氨量高， 虽可提高钠利用 率，但过高会影 响NaHCO3产量。 其关系如右表和 上右图。
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④温度的影响
温度升高，氨盐水中的 NH3减小，饱和线P1C向右移 动(但NaHCO3在溶液中的溶解 度变化不大)；P1点向右上移 动，溶液的碳酸化度增加； 均可析出等多的NaHCO3结晶， 钠利用率增大，氨利用率降 低。 在生产条件下，一般为 了得到NaHCO3，NaCl浓度不 变，采取较高温度进行碳酸 化。碳酸化后降低温度可减 少其溶解度，相应提高钠利 用率。
2 NaHCO 3 ( s ) Na2CO3 ( s ) CO2 ( g ) H 2O( g )
④ 焙烧CaCO3得到的CaO，即水泥的有效成分，可作为水泥产 品，这里水合生成Ca(OH)2：
CaO H 2O Ca(OH )2
⑤ NH4Cl中的NH3是要循环利用的，可由下列反应回收：
4.1 纯碱(Industry of making soda)
4.1.1 概述
纯碱，化学名称为碳酸钠，Na2CO3，分子量105.9902。化学 品的纯度多在99.5%以上，故称“纯碱”。贸易商品名为苏打 (soda)或碱灰(soda ash)。 纯碱主要用于平板玻璃、玻璃制品、陶瓷釉料的生产，还广 泛用于生活洗涤、酸类中和、食品加工等。纯碱工业是在硫酸工 业发展以后逐渐发展起来的。目前主要生产方法氨碱法和联碱法。 中国纯碱工业据世界前茅，达到5Mt/a。 无水Na2CO3是白色粉末或细粒结晶，有吸湿性，其水合物有 一水、七水、十水盐。无水盐热容为(25℃)1.034J/(kg.K)，晶体密 度(20℃)2.533g/cm-3，熔点851℃，熔融热315.9kJ/kg。工业用纯碱 商品有轻质(light)、中重质(medium)、重质(dense)三种不同表观密 度，分别为0.49~0.58、0.8、0.95~1.07g/cm-3。