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摘 要

纯碱是重要的基础化工原料，主要应用于纺织、食品、医学等领域。目前，国内外对纯碱的需求量逐渐增加，而纯碱品质却有待进一步提高。因此，开展纯碱工艺研究具有重要的意义。本设计以石灰石、食盐、焦炭、氨为原料，采用氨碱法工艺生产纯碱，其主要包括压缩碳化、过滤煅烧、蒸氨以及精盐水吸氨四个工段。运用Aspen Plus模拟软件对该工艺进行物料及能量衡算，并对塔设备进行设计选型。

关键词：纯碱，氨碱法，Aspen Plus，设备选型

Abstract：Sodium carbonate is an important basic chemical raw material that is widely used in textiles, food, medical and other fields. At present, the demand of sodium carbonate with high quality in the world is continue to grow and the quality of sodium carbonate needs to be further improved. Therefore, it is necessary to study the process of sodium carbonate in this project. Limestone, salt, coke, and ammonia are used as raw materials in the design. The Solvay ammonia soda process method is applied, which mainly includes four sections: compressed carbonization, filtration calcination, steam ammonia, and refined salt water ammonia absorption. Aspen Plus simulation software is used to calculate the material and energy balances of the process，and the tower equipments are selected.

Key words: sodium carbonate，Solvay ammonia soda process method，Aspen Plus，equipment selection

目录

1 前言 4

2 纯碱生产工艺设计 5

2.1 纯碱生产单元工艺方案 5

2.1.1 路布兰法 5

2.1.2 氨碱法 5

2.1.3 联合制碱法 6

2.1.4 天然碱法 7

2.1.5 工艺技术方案比较 7

2.2 整体工艺方案确定 9

3 纯碱生产工艺模拟 9

3.1 Aspen Plus物性方法与模型 9

3.2 分工段模拟与分析 10

3.2.1 压缩碳化工段 10

3.2.2 过滤煅烧工段 12

3.2.3 蒸氨工段 14

3.2.4 精盐水吸氨工段 16

4 工艺计算 18

4.1 物料衡算概述 18

4.2 物料衡算 18

4.2.1 压缩碳化工段 19

4.2.2 过滤煅烧工段 23

4.2.3 蒸氨工段 29

4.2.4 精盐水吸氨工段 33

4.3 能量衡算概述 35

4.4 能量衡算 35

4.4.1 压缩碳化工段 35

4.4.2 过滤煅烧工段 37

5 塔设备选型 39

5.1 设计依据 39

5.2 塔的设计要求 39

5.3 塔型选择原则 40

5.3.1 物理性质因素 40

5.3.2 操作因素 41

5.3.3 其他因素 41

5.3.4 板式塔及塔板选择 42

5.4 塔设备设计一览表 43

结论 47

参考文献 48

致谢 49

1 前言

纯碱又称苏打，白色固体粉末^[1]，水溶液呈碱性，耐热性差，易分解成氧化钠。碳酸钠是重要的化工原料，在医学上可用于治疗胃酸，在食品上充当发酵剂。此外，纯碱在造纸、纺织、制皂等行业也有广泛应用。

纯碱从18世纪开始生产，随着社会对纯碱需求量的增加，纯碱生产工艺也在不断改进，路布兰、索尔维以及侯德榜等人都为纯碱工业做出巨大贡献。

新中国成立初期，中国仅有两家生产纯碱的工厂，50年代，在政府支持和鼓励下，一批纯碱工厂陆续建造起来，生产技术也得到很大的改进（联合制碱法的发明）。80年代中国纯碱产量大大提升，紧随美国。

中国纯碱产量在“十一五”期间增长迅速，但是受2008年金融危机和竞争加剧的影响，纯碱工业受到重创，导致纯碱价格回落，经济效益降低。近年来，市场情况逐渐好转，产量再次上升。政府为了促进纯碱市场的健康发展，严格控制纯碱工厂的审批，限制纯碱产量的同时，扩大出口，避免了纯碱产量的无序增长和竞争。由图1可知：2007-2016年，全国纯碱产量每年增长速率为7.74%，2011年增长率为9.23%，2012年增长率则开始下降^[1,2]，此后每年纯碱产量基本持平，中国纯碱市场已经步入稳定期。

图1 2007-2016 年国内纯碱表观消费量及增长情况

近年来，全国生产纯碱的大型企业共有五十余家，从目前国内外对高品质纯碱需求日益增长的形势来看，我国势必要提高纯碱品质。本设计将采用氨碱法对年产100万吨纯碱的工艺流程进行研究，利用Aspen Plus对压缩碳化、过滤煅烧、蒸氨以及精盐水吸氨四个工段进行物料及能量衡算，并对塔设备进行设计与选型。

2 纯碱生产工艺设计

2.1 纯碱生产单元工艺方案

早在汉朝，中国就掌握了天然碱资源的初级提取技术，他们将采摘后筛出的棉花壳烧成灰，滚水浸泡，过滤并贮存一周得到碱，在当时主要用于洗涤和医药。但由于纯碱产量不能满足社会的需求，所以人们发展了人工制碱。1791年，路布兰以食盐、硫酸、焦炭以及碳酸钙制得纯碱；1861年，索尔维发明的氨碱法得到推广，大大提高了纯碱产量和纯度；1905年，美国第一次尝试了开采碱湖中的天然碱资源来生产纯碱；1942年，中国侯德榜发明了联合制碱法。下面具体介绍这四种制碱法。

2.1.1 路布兰法

路布兰法由法国路布兰医生发明，该生产工艺原理是食盐与硫酸反应生成硫酸钠，然后焦炭还原硫酸钠得到硫化钠，最后硫化钠与碳酸钙反应得到纯碱。主要反应原理如下：

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