高中化学人教版选修2教案 1_3《纯碱的生产》

高中化学人教版选修2教案 1_3《纯碱的生产》

‎ www.ks5u.com ‎1.3 纯碱的生产 一、纯碱的性质 纯碱化学名为碳酸钠，分子式Na2CO3,相对分子质量106，系白色单斜体结晶，比重为2.533；熔点为840~852 ℃。‎ ‎ 纯碱易溶与水。在35.4℃是溶解度最大，100克水可以溶解49.7克碳酸钠。纯碱易吸潮，在空气中吸收水蒸气和二氧化碳而结块，生成重碱：Na2CO3+CO2+H2O = 2NaHCO3‎ ‎ ‎ 纯碱加热至400℃时开始分解，生成氧化钠和二氧化碳：Na2CO3 Na2O+CO2↑ ‎ ‎ 纯碱与酸类反应生成盐，并放出二氧化碳： Na2CO3+H2SO4 = Na2SO4+ CO2↑+H2O ‎ 纯碱与石灰水作用生成氢氧化钠------苛化烧碱的反应： ‎ ‎ Na2CO3+Ca(OH)2 = 2NaOH+CaCO3↓‎ ‎ 纯碱与盐类起复分解反应-----氯化钠精制反应之一：‎ ‎ Na2CO3 + CaSO4 = CaCO3↓+ Na2SO4‎ 二、制碱工业的发展 ‎ 远在几千年前，劳动人民就有使用碱的知识，在没有工业方法生产碱以前人们所需要的碱都取自天然碱和草木灰。至于应用化学方法制取纯碱，还只是近两百年的事情。‎ ‎1、路步兰法 ‎1791年，法国人路步兰成功地研究出以食盐为原料的制碱法，即路步兰法，该发首先用硫酸和食盐制取硫酸钠、石灰石和炭，按100：100：35.5的重量比混合,在反射炉或回转炉内煅烧（950~1000°C），生成熔块（黑灰），再经浸取、蒸发、短少等过程而得到纯碱。产品中含碳酸钠约为95%左右。‎ ‎ 该法的主要化学反应为： H2SO4+2NaCl =Na2SO4+2HCl ‎ Na2SO4+ CaCO3+2C Na2CO3+CaS+2CO2 ‎ 制取硫酸钠时产生的氯化氢气体，经水吸收制成或用氧化法制成氯气。浸取“黑灰”后的废渣，经与二氧化碳作用可得到硫化氢；从硫化氢中可回收硫磺。路步兰法盛行一时。但其放的主要生产过程系在固相中进行，并且需要高温，生产不能、连续，原料利用不充分，设备腐蚀严重。因此，人们除了改进路步兰法之外，又在探索新的制碱方法。‎ ‎ 2、氨碱法（索尔维法）‎ ‎ 1861年，比利时人索尔维综合前人的工作并实现了改进，于1863年实现索尔维法制碱，即氨碱法。该法以食盐、石灰石为原料，借氨的媒介作用，经石灰石煅烧，盐水精制、吸氨、碳酸化，碳酸氢钠过滤、煅烧，母液蒸馏等工序制得纯碱。氨碱法生产过程主要工序的基本化学反应如下：‎ ‎ (1)石灰乳的制备：CaCO3CaO+ CO2↑ CaO+H2O=Ca(OH)2‎ ‎ (2) 盐水 吸氨、碳酸化，生成碳酸氢钠和氯化铵： ‎ ‎ NaCl+NH3+ CO2+H2O= NaHCO3↓+NH4Cl ‎(3) 碳酸氢钠（重碱）煅烧制得纯碱；分解出二氧化碳循环使用：‎ ‎ 2NaHCO3 Na2 CO3＋CO2 ＋H2O ‎ (4)氯化铵母液加石灰乳蒸馏，回收氨：2 NH4Cl+Ca(OH)2 = 2CaCl2+2NH3↑+H2O ‎ 氨碱法生产纯碱其主要化工过程：以氨和二氧化碳与氯化钠（食盐）水溶液反应，生成碳酸氢钠和氯化铵，将碳酸氢钠结晶煅烧制得纯碱；氯化铵母液蒸馏回收氨循环使用。‎ ‎ 氨碱法具有原料普遍易得，价格低廉,生产连续，产品纯度高（含碳酸钠98.5%以上），适合大规模工业生产等优点。但仍然存在两个缺点：其一，氯化钠的利用率低，氯化钠的转化率在理论上可以达到84%，实际生产中由于氯化钠在氨水中的溶解度和碳酸化反应速率的限制，工业上一般只能达到72%~76%氯化钠只利用了其中的部分钠离子，24%~28%的钠离子和全部的氯离子被废弃。氯化钠的总利用率不足30%。其二，废液的处理问题。每生产1 吨碱约有10米3左右的废液排除，难以处理。因此，此法生产纯碱成本太高。‎ ‎3、联合制碱法（侯氏制碱法）在创新中不断提升 对于氨碱法中所存在的缺点，长期以来国内外科学工作者，不遗余力地合理的解决办法。一种比较理想的方法是将氨、碱两大工业联合生产，以氯化钠、合成氨及生产合成氨的副产物二氧化碳为原料，同时生产纯碱和氯化铵两种产品。称为“联合生产纯碱和氯化铵的方法”或“联合制碱法”。‎ ‎1942年我国化学家侯德榜同志综合了我国实验研究的结果，结合他多年的实践经验，提出了比较完整的联合制碱流程，科学地把合成氨工艺与制碱工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵，称“联合制碱法”，但是，在本帝国主义和国民党反动派的破坏下，这项技术没有得到发展，‎ 直到解放后才得以大力的推广，于1964年经国家技术鉴定后投入大规模的工业生产。下面重点介绍这种方法：‎ 三、 联合制碱工艺优势 ‎ ‎    当前国际纯碱市场逐渐形成了美国、中国、欧洲三分天下的格局。美国天然碱资源得天独厚，生产规模大，技术水平高。欧洲氨碱法技术成熟，劳动生产率高。而中国联碱法形成自己鲜明的特色。 ‎ 氨碱法生产纯碱虽然具有原料普遍易得，产品纯度高，适合大规模工业生产等优点，而联碱法生产纯碱则有更大的优势：一是原料的利用率高。联碱生产中母液循环使用、氯化钠中的钠离子用来制造碱，氯化钠用来制造氯化铵。这样盐的利用率可达93％以上。而氨碱法钠的利用率仅73％，氯利用率为零，整体利用率只有28％左右；另外联碱法利用合成氨生产排出的二氧化碳制碱，节省了石灰石、焦炭等原料。二是废物排放少。联碱在生产过程中无大量废液、废渣排出，每吨只有几千克到几十千克，选择厂址自由度较大；而氨碱法每吨纯碱约10立方米的废液排出，难以处理，不宜在内陆建厂。三是能源消耗低，可比单位综合能耗，联碱法为7100～8200MJ，而氨碱法为12000～14000MJ。四是成本低，联碱法同时生产纯碱和氯化铵，因此单位成本较低。‎ 四、联合制碱法原理及流程 ‎ 联合制碱法（简称联碱法）与氨碱法之主要不同处在于：把过滤碳酸氢钠后的母液中的氯化铵分离出来，因此，联碱法的特点是同时生产纯碱和氯化铵两种产品。‎ ‎1、 氯化铵的分离 ‎（1）热法（蒸发法）‎ ‎ 将过滤母液加热蒸馏脱出游离氨和二氧化碳，再加热蒸发析出氯化钠，分离氯化钠结晶后的母液经冷却降温析出氯化铵（此为先析盐后析氨；也可先析氨后析盐）。‎ ‎ ‎ 氯化铵水溶液具有较大的腐蚀性，而热法制取氯化铵有是在高温、高浓度的条件下进行操作，腐蚀性更强，蒸发器材料不易解决。采用钛和钛铝合金材料价格较高；不透性石墨材料强度较低；环氧酚醛加石墨灰填料烤漆和搪瓷防腐，也有被破坏现象。因此，如何采用有效的防腐蚀措施是热法生产的关键。‎ ‎（2）冷法 将过滤母液降温、加入固体氯化钠 的方法，即本报告所介绍的联合制碱法。该法分两个过程：第一过程为生产纯碱的过程，简称制碱过程；第二过程为生产氯化铵的过程，简称制铵过程，两个过程构成一个循环系统，向循环系统中加入原料（氨、氯化钠、二氧化碳和水）不断地生产出 纯碱和氯化铵两种产品。制碱过程，与氨碱法相似。将母液2吸氨、碳酸化, 使碳酸氢钠析出,过滤分离,再将碳酸氢钠结晶煅烧制得纯碱。 ‎ 其主要化学反应为： NaCl+NH3+ CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl ‎2 NaHCO3→=Na2CO3+CO2↑+H2O↑‎ ‎ 制氨过程：将母液1吸氨、降温并加入氯化钠，使氯化铵单独析出成为产品。（加入氯化钠的目的：由于母液1内的碳酸氢钠、碳酸氢铵和氯化铵三种盐是共同饱和的，为防止它们与氯化铵同时析出须加入氯化钠，以增大重碳酸盐的溶解度、降低氯化铵的溶解度，使之由母液中单独析出）。‎ ‎2、工艺流程简介 ‎ 原料盐(氯化钠)在洗盐机内用饱和氯化钠溶液(卤水)洗涤,出去其中大部分钙、镁杂质,在经粉碎机粉碎,立洗桶分级、稠厚,滤盐机愤怒里，制成符合规定纯度、粒度的洗盐.洗盐送至盐析结晶器;洗涤液(俗称脏卤水)循环使用,当其中含杂质较高时,则回收处理. ‎ ‎ 初开工时在盐析结晶器内制备饱和盐水,饱和盐水经吸氨器吸收氨制成氨盐水.氨盐水(正常生产用氨母液2)在炭化塔内吸收二氧化碳,使其中的氯化钠和氨转化成碳酸氢钠和氯化铵,并且使碳酸氢钠析出成为碳酸氢钠悬浮液, 碳酸氢钠悬浮液经滤碱机分离的出固体碳酸氢钠(俗称重碱)送到煅烧炉加热分解成碳酸钠,包装即为纯碱产品;分解出的二氧化碳气经冷凝塔、洗涤塔降温和洗涤,再经压缩机压缩送入碳化塔制碱. ‎ ‎ 过滤重碱后的母液(母液1)经吸氨器吸收氨制成母液2,去清洗外冷器,然后经换热器进行热交换.降温后送入冷析结晶器,通过外冷器与冰机系统送来的载冷体(卤水)进行热交换,冷却析出部分氯化铵;清液(半母液2)有冷析结晶器溢流入盐析结晶器,加入洗盐再析出部分氯化铵.有冷析结晶器即盐析结晶器内取出氯化铵悬浮液,经稠厚器稠厚,滤铵机分离,湿氯化铵送到干燥炉干燥，包装即为氯化铵产品；滤液送回盐析结晶器，盐析结晶器清液（母液2）送入换热器与氨母液1进行交换，再经吸氨器吸收氨制成氨母液2，氨母液2经澄清桶澄清除去杂质后送入碳化塔制碱。如此连续循环，不断地生产出纯碱和氯化铵产品。联碱生产过程中产生的淡液（含氨杂水）送入淡液蒸馏塔回收氨。‎ ‎ ‎