侯氏制碱法你一定知道,但是背后的故事和原理你也要了解!

碳酸钠(Na2CO3)用途非常广泛,可用于医药、造纸、冶金、玻璃、纺织、染料等工业,也可用作食品工业发酵剂,也是居家生活必备,洗衣、去污、除臭,无所不能。虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得碳酸钠,但仍不能满足工业生产的需要。

1862年,比利时人欧内斯特·索尔维(ErnestSolvay 1838-1922)发明了以食盐(氯化钠)、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)、氨气为原料制取碳酸钠的'索尔维制碱法'(又称氨碱法)。其工业生产的简单流程如图所示。

索尔维制碱法的原理:

(1)碳酸氢钠的生成

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

NaCl+NH3+H2O+CO2= NH4Cl+NaHCO3

CO2的来源:CaCO

CaO+CO2↑,

(2)纯碱的生成

2NaHCO

Na2CO3+CO2↑+H2O

(3)氨的回收

CaO+ H2O=Ca(OH)2

2NH4Cl+Ca(OH)2=CaCl2+2NH3↑+2H2O

氨碱法的优缺点:

优点:原料食盐、石灰石价廉易得,产品纯度较高、副产品二氧化碳和氨气课循环使用、生产过程简单

缺点:大量CaCl2用途不大,NaCl利用率低(只要约70%,约有30%的NaCl留在母液中)。

此后,英、法、德、美等国相继建立了大规模生产纯碱的工厂,并组织了索尔维公会,对会员以外的国家实行技术封锁。

第一次世界大战期间,欧亚交通梗塞。由于我国所需纯碱都是从英国进口的,一时间,纯碱非常缺乏,一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。1917年,爱国实业家范旭东在天津塘沽创办了永利碱业公司,决心打破洋人的垄断,生产出中国的纯碱。他聘请正在美国留学的侯德榜(1890-1974先生出任总工程师。

1920年,侯德榜先生毅然回国任职。他全身心地投入制碱工艺和设备的改进上,终于摸索出了索尔维法的各项生产技术。1924年8月,塘沽碱厂正式投产。1926年,中国生产的'红三角'牌纯碱在美国费城的万国博览会上获得金质奖章。产品不但畅销国内,而且远销日本和东南亚。

针对索尔维法生产纯碱时食盐利用率低,制碱成本高,废液、废渣污染环境和难以处理等不足,侯德榜先生经过上千次试验,在1943年研究成功了联合制碱法。这个新工艺是把氨厂和碱厂建在一起,联合生产。由氨厂提供碱厂需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化铵用加入食盐的办法使它结晶出来,作为化工产品或化肥。食盐溶液又可以循环使用。

为了实现这一设计,在1941~1943年抗日战争的艰苦环境中,在侯德榜的严格指导下,经过了500多次循环试验,分析了2000多个样品后,才把具体工艺流程定下来,这个新工艺使食盐利用率从70%一下子提高到96%,也使原来无用的氯化钙转化成化肥氯化铵,解决了氯化钙占地毁田、污染环境的难题。这方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度,赢得了国际化工界的极高评价。1943年,中国化学工程师学会一致同意将这一新的联合制碱法命名为'侯氏联合制碱法'。所谓'联合制碱法'中的'联合',指该法将合成氨工业与制碱工业组合在一起,利用了生产氨时的副产品CO2,革除了用石灰石分解来生产,简化了生产设备。此外,联合制碱法也避免了生产氨碱法中用处不大的副产物氯化钙,而用可作化肥的氯化铵来回收,提高了食盐利用率,缩短了生产流程,减少了对环境的污染,降低了纯碱的成本。联合制碱法很快为世界所采用。

侯氏制碱法的原理是依据离子反应发生的原理进行的,离子反应会向着离子浓度减小的方向进行。他要制纯碱(Na2CO3),就利用NaHCO₃在溶液中溶解度较小,所以先制得NaHCO₃。再利用碳酸氢钠不稳定性分解得到纯碱。要制得碳酸氢钠就要有大量钠离子和碳酸氢根离子,所以就在饱和食盐水中通入氨气,形成饱和氨盐水,再向其中通入二氧化碳,在溶液中就有了大量的钠离子,铵根离子,氯离子和碳酸氢根离子,这其中NaHCO3溶解度最小,所以析出,其余产品处理后可作肥料或循环使用。其工业生产的简单流程如图所示。

其化学方程式可以归纳为以下两步反应。
(1)将二氧化碳通入氨水的氯化钠饱和溶液中,使溶解度较小的碳酸氢钠从溶液中析出:
NaCl+NH3+H2O+CO2=NH4Cl+NaHCO3
(2)过滤得到碳酸氢钠晶体,NaHCO3热稳定性很差,受热容易分解:
2NaHCO

Na2CO3+CO2↑+H2O

根据NH4Cl在常温下的溶解度比NaCl大,而在低温下却比NaCl溶解度小的原理,在(5℃~10℃)向母液加入NaCl,则NH4Cl析出,得到化肥,提高了NaCl的利用率。
侯氏制碱法具有以下优点:
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%以上;另外它综合利用了氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子,同时,生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵。将氨厂的废气二氧化碳,转变为碱厂的主要原料来制取纯碱,这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑;将碱厂的无用的成分氯离子(Cl-)来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨,制取氮肥氯化铵。从而不再生成没有多大用处、又难于处理的氯化钙,减少了对环境的污染,并且大大降低了纯碱和氮肥的成本,充分体现了大规模联合生产的优越性。

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