电解食盐水制固体烧碱的生产过程,电解法烧碱生产工艺

首页 > 实用技巧 > 作者:YD1662024-01-13 00:33:36

英国人瓦德,此人也很有意思,据说是一个医生,制造硫酸的原因是用硫酸生产硫酸钠,然后把硫酸钠当成保健品出售。此人宣称硫酸钠有排毒功效,包治百病,要是换成今天也就是张悟本一类的角色。所以说英国人也收智商税的。

这种方法是非常简单粗暴的,首先玻璃瓶不耐压,不适合做压力容器,因此玻璃瓶的体积不可能做太大。另外反应是生成气体的反应,因此单次操作投料量是不可能大的,否则生成了大量气体会直接让玻璃瓶炸裂。大家仔细看看这种方法投加的原料,再改改就是黑火药了。可见当时硫酸的生产是一件多么苦逼的事情,据说瓦德的工厂里有100多个玻璃瓶,然后就雇了一大批工人,昼夜不停地重复着投料,点火,加塞子,然后倒料的过程。工人的劳动强度相当大而且操作安全性难以保证,不愧是万恶资本主义的血汗工厂,大力出奇迹的典范。

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值得一提的是抗日战争期间,咱八路军也用过类似的方法制造硫酸,只不过把玻璃瓶换成了农村常见的大水缸。由于当时八路军缺乏重武器,这些硫酸主要被用于生产烈性炸药。

鉴于玻璃瓶易脆不耐压的特点,人们逐渐开始考虑采用新材料制做反应容器,终于在十八世纪中期,也就是咱们的乾隆年间,英国人罗布克首先考虑采用铅作为反应器材料。铅作为反应材料最大的缺点就是质地非常柔软,无法提供强度。这也没关系,我们可以考虑采用一种不耐腐蚀的材料作为整体框架,然后用铅板作为衬里来解决这个问题。十八世纪中期大炼钢铁的时代刚刚开始,钢材的制造还不成熟。因此最早的铅室是采用木头作为框架的。

由于铅室的生产强度很低,随着对硫酸需求的增加,人们不得不采用所谓大力出奇迹的方法,不断地作出更大的铅室,不断地增加铅室的数量来提升硫酸的产量。早期的铅室,体积就达到了8立方米,而到了十九世纪初,有记载英国的一家硫酸厂里就有300多间铅室,每个铅室的体积更是高达25立方米,直到今天这都是相当大型的反应设备。法国人也在暴力的路上越走越远,他们制造出了180立方米的铅室,并且还挑战了5000立方米的铅室,当然后者在运行过程中直接垮塌了。

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铅室法硫酸装置,可以看到主要是木制框架内衬铅板组成的

十九世纪欧洲纺织业迅猛发展,对硫酸的需求进一步猛增,人们逐渐意识到,依靠粗放的增大设备体积,增加设备数量依旧无法满足需求。因此,一系列改进工艺随之诞生,在许多科研人员的努力下,铅室法硫酸终于从间接走向了连续,这其中的历程将是下面的主要内容。

从间歇到连续

早期的铅室法制硫酸,这个过程是一个典型的间歇过程,我们再复习一下这个工艺的生产方法:在铅室内加入硫磺和硝石,再加一点水,然后点火反应生成硫酸,不断重复这个过程,最终获得一定浓度的硫酸。从这个例子中我们来总结一下间歇过程的一般规律。首先,间歇过程一般按操作周期划分,在一个操作周期内进行一定的操作,然后在下一个周期内重复进行。其次,每个周期的操作又分为主要操作过程与辅助操作过程。对应在硫酸生产中,从硫磺与硝石点火后,在铅室生产硫酸的过程为主要操作过程,是实际上“有效”的反应过程。而人工投加硫磺与硝石,点火,包括反应结束以后将硫酸转移出来,这都是辅助的操作过程,在生产中必不可少,但与反应无关。最后,间歇操作最大的缺点就在于操作周期中有大量的辅助操作,这些操作浪费了时间,同时增加了人工劳动,设备产能还低,早期的铅室法动辄几百个铅室但产量却非常有限。

本质上来看,间歇生产流程是一种低效的流程,但就是这样的流程在实际生产中直到今天都被大量采用。因此现代化工一项重要的任务就是化间歇为连续,增加设备的处理能力。而出于对设备产能的要求,铅室法硫酸也不例外地开始了由间歇向连续转化的过程。这个历程足足持续了100年,现在我们来对这个过程进行一个梳理。

首先,我们重新回过头来看这个反应,反应的实际过程是二氧化硫被氮氧化物反应,而这其中的硫磺与硝石的投加,点火这些过程无非就是提供二氧化硫与二氧化氮,只要我们能够稳定地提供这两种物质,就能实现这个过程的连续化。很自然地我们可以想到,如果把这两个步骤在两个分开的设备内进行,一个设备连续发生二氧化硫,一个设备连续进行二氧化硫氧化,整个过程就可以连续进行。

以当时的技术条件,连续发生二氧化硫是真的可行的,为什么呢?因为燃煤热机的发展使得人们对连续燃烧的设备与操作都有了认识,相关的热力学模型也已经建立了起来。要知道在乾隆中期,英国人瓦特已经发明了可以用于实际生产的蒸气机了,而十八世纪初的时候,也就是嘉庆年间,蒸汽机已经能够稳定发生蒸气,推着火车满大街跑了。换句话说,那个时候人类已经会做锅炉了。因此要稳定地发燃烧发生二氧化硫还真不是难事,氮氧化物的产生也是类似的,只要连续的向锅炉里加入硫磺或者黄铁矿就可以源源不断地生成二氧化硫了,剩下的只要雇佣几个锅炉工就搞定了。

电解食盐水制固体烧碱的生产过程,电解法烧碱生产工艺(7)

蒸气机的出现被认为是工业革命的开端,至少在化工领域,由于燃烧技术的进步连续地发生气体成为了可能,同时蒸气也开始作为热源供应给化工容器。

另一个是加水的改进过程,早期的铅室法需要向铅室内壁加水,非常遗憾的是加水还真是一个问题。假设各位看官穿越到了十八世纪前期面对着给铅室加水的课题,你喊了一句:“二营长,把我们的离心进料泵拉上来。” 听到这句话,二营长面露难色,他悲伤的告诉你,现在距离380V交流电被发明还有90多年。你转念一想,的确如此,又问道:“那还有什么可以驱动机械设备的能源呢?”二营长高兴地说:“当然有了,蒸汽机发明不久,可以用蒸汽作为动力,推动活塞吸水。”你听到这里,什么?蒸汽动力?我直接把蒸汽通到反应器里不是更加方便。最终那个年代的人们采用了直接向反应器里通入蒸汽的工艺。于是乎改进的铅室法工艺被发明出来了。

在二氧化硫连续发生取得突破的时候,对于反应机理方面,人们也有了更进一步的认识。早期的时候,人们只是朴素地发现,向硫磺中添加硝石可以提高硫酸的产量,而对于其中的原理没就管不了那么多了,有些人一度以为是硝石在燃烧过程中产生氧气才能将二氧化硫氧化为三氧化硫。直到1806年,也就是乾隆年间,首次有化学家将二氧化硫与二氧化氮通入反应瓶里生产了白色晶体,将这种白色晶体通入水中可以生产硫酸并释放出一氧化氮气体。这个过程引起了非常多化学家的注意,经过相当长的研究,人们发现这种白色晶体是亚硝基磺酸,而整个化学反应过程可以用如下循环表示

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