CN105731478A - 一种制备酸和碱的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备酸和碱的方法及装置，以氯化钠、二氧化硅和氢氧化钠为制备原料，制备酸与碱。本发明氯化钠中的钠和氯均得到利用，本发明高温聚能煅烧炉的燃料来源较为广泛，如煤、油、植物秸秆、燃气或水煤气、还可以用氯碱化工厂电解食盐水时产生的氢作为燃料，本发明燃料燃烧生成的二氧化碳清洗后作为生成原料，减少环境污染的同时也减少了碳酸钙和燃料的使用。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种利用盐制备酸和碱的方法，本发明还涉及该方法使用的装置。
背景技术
目前世界上把盐生产成碱的方法有三种：
第一种：路布兰法(LEBLANCPROCESS)，法国人发明的，是世界上工业制纯碱的最早方法。
将食盐加入硫酸，加热制成硫酸钠(或直接用天然芒硝、主要成分硫酸钠)之后与石灰石和煤进行混合，并在950℃-1000℃得到粗制品-黑灰，再经浸取、蒸发、洗涤、煅烧等步骤制成纯碱。
第二种氨碱法：是由比利时人索尔维发明的，以碳酸钙、氯化钠、氨为原料，反应步骤如下：
或者是NH4HCO+NaCl＝NH4Cl+NaHCO
该方法是用氨置换出了氯化钠中的钠，制成了纯碱。
第三种氯碱法：19世纪末、人们利用直流电、电解饱和食盐水，制得氯气和氢氧化钠，这种方法也叫氯碱工业。反应步骤如下：
存在的问题：
第一种路布兰法：该方法只是对氯化钠中的钠制成了碱，而氯没有得到利用，再就是在粗制品黑灰中有硫化钠的成分，不便于提纯。氯化钠用硫酸制取硫酸钠时虽然有盐酸生成，但这是置换反应，消耗了等量的酸。这样相当于只利用了氯化钠中的钠，而氯没有得到利用。
第二种氨碱法：优点为碱的纯度高，缺点是对氯化钠的利用率低，只利用了氯化钠中的钠，制成了碱。而氯没有得到利用。
第三种电解食盐水的方法：优点是：氯化钠中的钠与氯同时都得到了利用。世界上这种方法采用得较多。烧碱的产量、美国居首位，中国居第二。我国发电主要采用燃煤发电，热能转化成电能的转化率为30％(热电厂只有在冬天的时候利用余热给居民供暖，热能的综合利用率可提高到50％)。电厂发出的电→低变高压→输送→高变低压→化工厂，在化工厂内把交流电整流成直流电等、每个环节都要损耗电能。理论上生产一吨烧碱电解时消耗1000多度电，但实际生产中电耗在2200～2450度，这样总能量利用率折算下来是15％左右。该方法的缺点是：能量消耗大。
发明内容
本发明提供一种利用氯化钠制备盐酸和碱的方法，这种方法也可以生产硅酸钠和二氧化硅。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种制备酸和碱的方法，以氯化钠、二氧化硅和氢氧化钠为制备原料，利用燃料燃烧时释放的热量做为生产能源，包括如下步骤：用水煤气或燃料在高温聚能炉内煅烧氯化钠、二氧化硅、氢氧化钠，使炉内的混合物生成离子状态，氯离子与氢离子结合成氯化氢气体分离出来，氯化氢从通气道流过吸收区、用水吸收制成盐酸；硅酸钠以液体形式从炉内流出，得到硅酸钠；再将硅酸钠溶于水加入二氧化碳生成碳酸钠和硅酸的混合物，碳酸钠液体分离出来，制成纯碱或苛化后制成烧碱。硅酸脱水，制成二氧化硅。
所述高温聚能炉内先加入如下重量百分比的初始原料，再混合后煅烧生成原硅酸钠Na4SiO4的成分作为反应源汤：氧化钠67％、二氧化硅33％。
上述高温聚能炉内生成原硅酸钠Na4SiO4的成分作为反应源汤，再升温至1300℃-1380℃开始加入正常工作间段的原料：二氧化硅38wt％、氯化钠37wt％、氢氧化钠25wt％；或以氧化钠计算，二氧化硅49wt％、氧化钠51wt％。
上述燃料为煤、油、植物秸秆、燃气、水煤气和氢气中的任一种或配合使用。
一种制备酸和碱的装置，包括温聚能炉煅烧炉、热交换降温区、和水帘式淋浴区，所述高温聚能炉煅烧炉、热交换降温区、水帘式淋浴区、窜连在一起形成通气道，采用负压方式控制通气道中气体流通方向，化学气体便于控制利用；热交换降温区分若干个段便于热能分级利用；水帘式淋浴区由：带喷头或有孔的淋浴区上储存池，淋浴区下储存池组成，上下池水位采用自动循环控制；所述水帘式淋浴区分若干个段。
上述热交换降温区分若干个段先窜连组合在一起，再与水帘式淋浴区分若干个段链接。
上述热交换降温区连接水帘式淋浴区分再连接热交换降温区再连接水帘式淋浴区的方式组合。
具体制备过程如下：
生产原料：氯化钠、硅石、石英砂、二氧化硅(或者是活性SiO2、H2SiO3H4SiO4)、碳酸钙、碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸钠、硫酸钠、水、燃料(可以是煤、油、植物秸秆、燃气、水煤气、氢等)，用水煤气或燃料在高温聚能炉内煅烧：氯化钠、二氧化硅、氢氧化钠，使这些混合物生成离子状态，在离子共熔状态下，氯离子与氢离子结合生成氯化氢气体分离出来，氯化氢从通气道、流过热交换降温区、水帘式淋浴区用水吸收制成盐酸；硅酸钠以液体形式从炉内流出，得到硅酸钠(水玻璃)；硅酸钠溶于水加入二氧化碳(或加入碳酸氢钠或者是碳酸氢铵)生成碳酸钠和硅酸的混合物，把混合物浓缩到一定的浓度或加入盐使之达到一定的浓度时降温，这时碳酸钠就会结晶分离出来：把碳酸钠提纯可制成纯碱；或者将碳酸钠苛化后制成烧碱；或者将碳酸钠溶液调节到一定浓度加入二氧化碳制成碳酸氢钠沉淀出来，再经清洗、高温加热可生产出高质量纯碱；将母液中的硅酸分离出来，调节好PH值经加热搅拌，使硅酸失去水，形成二氧化硅。上述二氧化硅经过多次清洗，调解PH值、烘干制成活性二氧化硅；硅酸钠溶于水加入盐酸生成氯化钠、硅酸，硅酸制成白炭黑。用上述方法制备白炭黑时，把氯化钠从母液中提取出来，就实现了氯化钠的循环利用。用上述的方法把氯化钠制备成氯化氢和碱时，二氧化硅就实现了循环利用。
本发明的化学反应方程式如下：
(01)：高温下C+H2O(气态)＝CO↑+H2↑(水煤气)
(01-1)：高温下C+2H2O(气态)＝CO2↑+2H2↑(水煤气)
(02)：CaCO3＝CaO+CO2↑(石灰石煅烧制取二氧化碳)
(03)：CaO+H2O→Ca(OH)2
(04)：Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaOH(苛化法制烧碱)
(05)2NaHCO3＝Na2CO3+H2O↑+CO2↑(碳酸氢钠煅烧生产纯碱)
(06)2NaOH+SiO2＝Na2SiO3+H2O(高温炉内煅烧)
(06-1)Na2CO3+2NaOH+SiO2＝Na4SiO4+H2O↑+CO2↑(高温炉内煅烧)
(06-2)2Na2CO3+SiO2＝Na4SiO4+2CO2↑(高温炉内煅烧)
(06-3)2NaOH+2SiO2+2NaCl＝2Na2SiO3+4HCl↑(用水煤气在高温聚能炉内煅烧、使混合物生成离子状态，氯离子与氢离子化合生成氯化氢气体分离了出来、剩下的离子生成硅酸钠)
(06-4)4NaCl+2SiO2+2H2+O2＝2Na2SiO3+4HCl↑(用水煤气在高温聚能炉内煅烧、使混合物生成离子状态，氯离子与氢离子化合生成氯化氢气体分离了出来、剩下的离子生成硅酸钠)
(07)Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3+Na2CO3(碳酸钠的生成、硅酸的生成)
(07-1)Na2SiO3+2NaHCO3＝H2SiO3↓+Na2CO3(碳酸钠的生成、硅酸的生成)
(08)Na2SiO3+H2O+2HCl＝2NaCl+H4SiO4(H2SiO3↓+H2O)(硅酸的生成)
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
人类多掌握了一种把盐制备成酸与碱的方法。
本发明直接利用燃料燃烧释放的能量进行生产，减少了能量在转换过程中的损失。本发明氯化钠中的钠生成了碱、氯生成了酸，钠和氯均得到利用。本发明高温聚能煅烧炉的燃料来源较为广泛，如煤、油、植物秸秆、燃气或水煤气、还可以用氯碱化工厂电解食盐水时产生的氢作为燃料。本发明通气道流过的混合气体温度很高，降温时放出的热量可以用来蒸发碱液或是其它的用处。煅烧炉出来的硅酸钠温度很高，水淬料、放出的热量可以用来溶化水玻璃，使能量得到综合利用。本发明燃料燃烧生成的二氧化碳在工艺流程中实现了自动清洗，并可作为生成原料利用，减少环境污染的同时也减少了碳酸钙和燃料的使用。本发明将盐制备成酸和碱时，二氧化硅可实现循环利用。本发明生产白炭黑时氯化钠可实现循环利用。
附图说明
图1和图2分别为本发明的工艺流程图，其中1为煤气发生炉的底仓，2为煤气发生炉，3为高温聚能炉，4为燃烧火焰，5为热交换降温区，6为淋浴区上储存池，7为通气道、气体流通方向，8为水帘式淋浴区，9为淋浴区下储存池。
具体实施方式
二氧化硅和氯化钠混合后在高温炉内升温煅烧，氯化钠在800°左右熔化，开始生成离子状态，在1400°左右氯化钠就开始沸腾从通气道中飞走了。二氧化硅剩在炉里，只有烧结、湿润的痕迹，没发生反应，二氧化硅在1700°时熔化，才能生成离子状态。那么这个反应就不成立。原因是这两种物质生成离子状态不在同一个时间段，也不在同一个温度段。加入氢氧化钠可以降低二氧化硅的熔点，同时还能提供氢离子、便于与氯离子结合、生成氯化氢气体分离出来。硅酸钠的熔点在1300℃左右，烧碱与二氧化硅反应温度在1100℃左右、纯碱和二氧化硅的反应温度在1300℃-1400℃，可以看出SiO2与含有钠离子不同的化合物反应、所需的温度不同。原硅酸钠的熔点在1100℃左右，钠的含量增加熔点会降低。用富含钠离子的原硅酸钠(Na4SiO4)作为：反应源汤，给二氧化硅提供一个便于生成离子的环境，用上述的这些方法就能使反应顺利进行。
具体实施方式一：
如图1所示，设备的结构组成为：煤气发生炉的底仓1，煤气发生炉2，高温聚能炉煅烧炉3，热交换降温区5，水帘式淋浴区8，淋浴区上储存池6，淋浴区下储存池9。相互窜通连接在一起，形成通气道。热交换降温区5、分若干个段；水帘式淋浴区8、分若干个段。高温聚能炉煅烧炉、热交换降温区、水帘式淋浴区、窜连在一起形成通气道，采用负压方式控制通气道中气体流通方向，化学气体便于控制利用；热交换降温区分若干个段便于热能分级利用；水帘式淋浴区由：带喷头或有孔的淋浴区上储存池，淋浴区下储存池组成，上下池水位采用自动循环控制。水帘式淋浴区分若干个段。
煤炭先在煤气发生炉2内点燃使温度升高，水蒸气从煤气发生炉的底仓1里加入，在煤气发生炉2内生成水煤气、化学反应式(01)(01-1)水煤气和氧气(空气)进入高温聚能炉3内燃烧，放出的能量在高温聚能炉3内持续聚集，升温1300℃，将初始原料：含钠的化合物中的钠折合成氧化钠的形式计算，重量百分比为：氧化钠67％、二氧化硅33％、混合后投入高温聚能炉3内化合生成原硅酸钠(Na4SiO4)成分作为反应源汤。化学反应式方程为(06-1)、(06-2)、(也可以用氢氧化钠与偏硅酸钠反应制得)。
将高温聚能炉3炉温升至1300℃-1380℃开始加入正常工作间段的原料。重量百分比为：二氧化硅38％、氯化钠37％、氢氧化钠25％。化学反应式(06-3)；因为含钠的化合物多种多样，并且都能实现反应目的，因此含钠的化合物中的钠折合成氧化钠的形式计算，重量百分比为：二氧化硅49％、氧化钠51％、把配好的原料陆续的加入高温聚能炉3内煅烧：氯化钠、氢氧化钠、二氧化硅，(或者是活性SiO2、H2SiO3H4SiO4)、在能量和反应源汤的作用下，使这些混合物生成离子状态，在离子共熔状态下，氯离子与氢离子结合生成氯化氢气体分离出来，氯化氢从通气道、流过水帘式淋浴区8、用水吸收制成盐酸，水帘式淋浴区8分好多段，在煅烧炉第一个淋浴区主要是净化灰尘、沸腾出来的化工原料如：NaOH、氯化钠、.少量的二氧化硅、硅酸钠等，在第二个、第三个淋浴区用水吸收制成盐酸。原料中含有硫酸钠或者是燃料中含有硫时，通气道的气流中就会有二氧化硫气体，在水帘式淋浴区8后段淋浴区里、加入氢氧化钙除去二氧化硫及前段氯化氢等有毒气体。
硅酸钠(水玻璃)以液体形式从炉内流出，得到硅酸钠；硅酸钠溶于水加入二氧化碳，或是碳酸氢盐，化学反应式(07)(07-1)生成碳酸钠和硅酸的混合物，把混合物浓缩到一定的浓度或加入盐使之达到一定的浓度时降温，这时碳酸钠就会结晶分离出来得到碱：把碳酸钠提纯可制成纯碱；将碳酸钠苛化后化学反应式(02)(03)(04)所示制成烧碱；将碳酸钠熔液浓缩到一定浓度加入二氧化碳制成碳酸氢钠，碳酸氢钠沉淀出来，经清洗、高温加热可生产出高质量的纯碱如化学反应式(05)所示。二氧化硅分离出来经过多次清洗，调解pH值、烘干制成活性二氧化硅；进一步说硅酸钠溶于水加入自己厂的盐酸生产白炭黑，就实现了氯化钠循环利用，化学反应式如(08)所示。
用水煤气或原料中要加入水或从煤气发生炉的底仓1的进风道加入水蒸气，或者于高温聚能炉3内加入氢，能减少氢氧化钠的用量，化学反应方程式(06-4)。通气道混合气体温度很高，流过热交换降温区5，降温时放出的热量在这里交换出来重新利用，用来蒸发碱液；把燃料燃烧生成的二氧化碳，在通气道流通过程中已经清洗，作为生成原料可直接利用。
具体实施方式二：
如图2所示使用液体燃料、或气体燃料时，直接将空气与燃料混合后喷入高温聚能炉3内燃烧，热交换降温区5、分若干个段先窜连组合在一起，再与水帘式淋浴区8、分若干个段链接。或者是热交换降温区连接水帘式淋浴区分再连接热交换降温区再连接水帘式淋浴区分的组合方式。热交换降温区与水帘式淋浴区的位置根据工艺流程的需要能互换。以下的工作程序与实施方式一相同。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述的反应中，能生成硅酸钠(水玻璃)至原硅酸(Na4SiO4)之间、碱金属氧化物与二氧化硅的配比比例范围庞大，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种制备酸和碱的方法，以氯化钠、二氧化硅和氢氧化钠为制备原料，利用燃料燃烧释放的热量为生产能源，其特征在于包括如下步骤：
用水煤气或燃料在高温聚能炉内煅烧氯化钠、二氧化硅、氢氧化钠，使炉内的混合物生成离子状态，氯离子与氢离子结合成氯化氢气体分离出来，氯化氢从通气道流过吸收区、用水吸收制成盐酸；硅酸钠以液体形式从炉内流出，得到硅酸钠；再将硅酸钠溶于水加入二氧化碳生成碳酸钠和硅酸的混合物，碳酸钠液体分离出来，制成纯碱或苛化制成烧碱；硅酸制成二氧化硅。
2.如权利要求1所述的一种制备酸和碱的方法，其特征在于，所述高温聚能炉内先加入如下重量百分比的初始原料，再混合后煅烧生成原硅酸钠Na4SiO4的成分作为反应源汤：
氧化钠67％、二氧化硅33％。
3.如权利要求1所述的一种制备酸和碱的方法，其特征在于，所述高温聚能炉内生成原硅酸钠Na4SiO4的成分作为反应源汤，再升温至1300℃-1380℃开始加入正常工作间段的原料：二氧化硅38wt％、氯化钠37wt％、氢氧化钠25wt％；或以氧化钠计算，二氧化硅49wt％、氧化钠51wt％。
4.如权利要求1所述的一种制备酸和碱的方法，其特征在于,原料所述的二氧化硅为：硅石、石英砂、活性二氧化硅、H2SiO3和H4SiO4中的任一种或混合使用。
5.如权利要求1所述的一种制备酸和碱的方法，其特征在于：所述燃料为煤、油、植物秸秆、燃气、水煤气和氢气中的任一种或配合使用。
6.一种制备酸和碱的装置，包括温聚能炉煅烧炉、热交换降温区、和水帘式淋浴区，其特征在于：所述高温聚能炉煅烧炉、热交换降温区、水帘式淋浴区、窜连在一起形成通气道，采用负压方式控制通气道中气体流通方向，化学气体便于控制利用；热交换降温区分若干个段便于热能分级利用；水帘式淋浴区由：带喷头或有孔的淋浴区上储存池，淋浴区下储存池组成，上下池水位采用自动循环控制；所述水帘式淋浴区分若干个段。
7.如权利要求6所述制备酸和碱的装置，其特征在于：所述热交换降温区分若干个段先窜连组合在一起，再与水帘式淋浴区分若干个段链接。
8.如权利要求6所述制备酸和碱的装置，其特征在于：所述热交换降温区连接水帘式淋浴区分再连接热交换降温区再连接水帘式淋浴区的方式组合。
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