侯氏制鹼法原理，是依據離子反應發生的原理進行的，離子反應會向著離子濃度減小的方向進行。也就是很多國中高中教材所說的複分解反應應有沉澱，氣體和難電離的物質生成。要制純鹼，先製得溶解度較小的NaHCO3。再利用碳酸氫鈉不穩定性分解得到純鹼。要製得碳酸氫鈉就要有大量鈉離子和碳酸氫根離子，所以就在飽和食鹽水中通入氨氣，形成飽和氨鹽水，再向其中通入二氧化碳，在溶液中就有了大量的鈉離子，銨根離子，氯離子和碳酸氫根離子，這其中NaHCO3溶解度最小，所以析出，其餘產品處理後可作肥料或循環使用。
基本介紹
- 中文名：侯氏制鹼法原理
- 提出者：侯德榜
- 提出時間：1926
- 套用學科：化學
- 適用領域範圍：工業
原理介紹,背景,依據,優點,理論發展,著作,
原理介紹
其化學方程式可以歸納為以下三步反應。
(1)NH3+H2O+CO2=NH4HCO3(首先通入氨氣，然後再通入二氧化碳）
(2)NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓（NaHCO3溶解度最小，所以析出。）
加熱
(3)2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O(NaHCO3熱穩定性很差，受熱容易分解）
且利用NH4Cl的溶解度,可以在低溫狀態下向(2)中的溶液加入NaCl,則NH4Cl析出,得到化肥,提高了NaCl的利用率。
背景
為了實現中國人自己制鹼的夢想，揭開索爾維法生產的秘密，打破洋人的封鎖，侯德榜把全部身心都投入到研究和改進制鹼工藝上，經過5年艱苦的摸索，終於在1926年生產出合格的純鹼。侯德榜，字致本，著名化學家，侯氏制鹼法的創始人。於1890年8月9日出生於福建省閩侯縣坡尾村的農民家庭。1907年以優異成績畢業於福州英華書院。1913年以特別優秀的成績完成預科學業，公費派往美國留學。1921年獲博士學位，同年接受永利鹼業公司的聘請，回國發展我國的化學工業。曾任塘沽永利鹼廠和南京永利硫酸銨廠總工程師兼廠長、永利化學公司總經理。為解決當時國內外市場急需純鹼，在較短的時間掌握並改進了著名的索爾維制鹼法，使工藝過程縮短，而產量大增，1939年首先提出並自行設計的新的聯合制鹼法的連續過程，使純鹼工業和氮肥工業得到發展，這就是著名的“侯氏制鹼法”。
依據
NH4Cl 在常溫時的溶解度比 NaCl 大，而在低溫下卻比 NaCl 溶解度小的原理，在 278K ～ 283K(5 ℃～ 10 ℃ ) 時，向母液中加入食鹽細粉，而使 NH4Cl 單獨結晶析出供做氮肥。
優點
侯氏制鹼法與索爾維相比，具有以下優點：
最大的優點是使NaCl的利用率提高到96%以上。
另外它綜合利用了氨廠的二氧化碳和鹼廠的氯離子，同時，生產出兩種可貴的產品——純鹼和氯化銨。將氨廠的廢氣二氧化碳，轉變為鹼廠的主要原料來製取純鹼，這樣就節省了鹼廠里用於製取二氧化碳的龐大的石灰窯；
將鹼廠的無用的成分氯離子（Cl－）來代替價格較高的硫酸固定氨廠里的氨，製取氮肥氯化銨。從而不再生成沒有多大用處，又難於處理的氯化鈣，減少了對環境的污染，並且大大降低了純鹼和氮肥的成本，充分體現了大規模聯合生產的優越性。
理論發展
許多工業部門，尤其是紡織、肥皂、造紙、玻璃、火藥等行業都需要大量用鹼。古代那種從草木灰中提取鹼液，從鹽湖水中取得天然鹼的方法是遠遠不能滿足需求的。為此， 1775年法國科學院用10萬法郎的懸賞徵求可工業化的制鹼方法。1788年，勒布蘭提出了以氯化鈉為原料的制鹼法，經過4年的努力，得到了一套完整的生產流程。勒布蘭制鹼流程雖然在推廣套用中不斷地被完善，但是因為這方法主要是利用固相反應，又是高溫操作，存在許多缺陷，生產不能連續，勞動強度大，煤耗量大，產品質量不高。面對這些問題，許多人有意改革它。到了1862年，比利時化學家索爾維實現了氨鹼法的工業化。由於這種新方法能連續生產，產量大，質量高，省勞動力。廢物容易處理，成本低廉，它很快取代了勒布蘭法。
掌握索爾維制鹼法的資本家為了獨享此項技術成果，他們採取了嚴密的保密措施，使外人對此新技術一無所知。一些技術專家想探索此項技術秘密，大都以失敗告終。不料這一秘密競被一個中國人運用智慧摸索出來了。這個人就是侯德榜。
索爾維制鹼法的秘密
侯德榜，1890年8月9日生於福建閩侯農村。少年時他學習十分刻苦，就是伏在水車上雙腳不停地車水時，仍能捧著書本認真讀書。後來在姑母的資助下，他單身來到福州英華書院和閩皖路礦學堂讀書。畢業後曾在津浦鐵路符離集車站做過工程練習生。在工作之餘，他抓緊時間學習，1911年考入清華留美預備學校。經過3年的努力，他以10門功課1000分的優異成績被保送到美國留學。8年中，他先後在麻省理工學院、柏拉圖學院、哥倫比亞大學攻讀化學工程，1921年取得博士學位。
在國外留學時，他時刻懷念祖國，惦記著處於水深火熱中的苦難同胞。這時候，在紐約他遇到了赴美考察的陳調甫先生。陳受愛國實業家范旭東委託，為在中國興辦鹼業特地到美國來物色人才。當陳先生介紹帝國主義國家不僅對我國採取技術封鎖，而且利用我國缺鹼而卡我國民族工業的脖子的情況時，具有強烈愛國心的侯德榜馬上表示，“可以放棄在美國的舒適生活，立即返回祖國，用自己的知識報效祖國。”
1921年10月侯德榜回國後，出任范旭東創辦的永利鹼業公司的技師長（即總工程師）。他深刻地體會到創業之艱難。要創業首先需要實幹的精神。他脫下了白領西服，換上了藍布工作服和膠鞋，身先士卒，同工人們一起操作。哪裡出現問題，他就出現在哪裡，經常於得渾身汗臭，衣服中散發出酸味、氨味。他這種埋頭苦幹的作風贏得了工人們、甚至外國技師的讚賞和欽佩。在他的帶領下，技師、工人們團結一心，為建成中國自己的鹼廠而奮戰。
雖然索爾維制鹼法的原理很簡單：先把氨氣通入食鹽水，然後向氨鹽水中通二氧化碳，生產溶解度較小的碳酸氫鈉。再將碳酸氫鈉過濾出來，經焙燒得到純淨潔白的碳酸鈉。但是具體的生產工藝卻為外國公司所壟斷，所以侯德榜要掌握此法制鹼，得完全靠自己進行摸索，困難是很多的。且不說工藝設計、材料選擇、設備的挑選和安裝等經過了一個又一個難關，僅從試生產的過程也可略見一斑。例如乾燥鍋結疤了，渾圓的鐵鍋在高溫下停止了轉動，時間長了後果是很嚴重的。技師們都急得團團轉，這時候侯德榜果敢地拿起玉米棒子粗的大鐵桿往下捅，操起10一15公斤重的鐵桿上下捅可不比舉重運動員舉槓鈴輕鬆，累得他雙眼直冒金星，汗水濕透了工裝。不久他覺得單靠力氣難於解決這一技術問題，經過大家商量，他們採用加乾鹼的辦法終於使鍋底上的鹼疤脫水掉下來，總算克服了困難。
侯德榜奮不顧身地把全部身心都撲到了生產上，從調換碳酸化塔的水管，另行設計分解爐，到多次加強冷卻設備，改造過濾機以及處理不斷發生的生產故障，他都以探索者的勇氣、生產者的細心和科學家的嚴謹來對待。經過緊張而又辛苦的幾個寒暑的奮戰，侯德榜終於掌握了索爾維制鹼法的各項技術要領。1924年8月13日，永利鹼廠正式投產。正當大家興高采烈地等待雪白的純鹼從烘燒乾燥爐中出來時，出現在眼前的卻是暗紅色的純鹼。怎么回事？這無形給大家潑了一盆冰水。作為總工程師的侯德榜冷靜地去尋找事故的原因。經過分析他很快就發現純鹼變成暗紅色是由於鐵鏽污染所致。隨後他們以少量硫化鈉和鐵塔接觸，致使鐵塔內表面結成一層硫化鐵保護膜。再生產時純鹼變成純白色了。日產180噸純鹼的永利鹼廠終於矗立在中國大地上。1926年，永利鹼廠生產的“紅三角”牌純鹼在美國費城舉辦的萬國博覽會上榮獲了金質獎章。這一袋袋的純鹼是中華民族的驕做，它象徵著中國人民的志氣和智慧。
摸索到素爾維制鹼法的奧秘，本可以高價出售其專利而大發其財，但是和范旭東一樣，侯德榜主張把這一奧秘公布於眾，讓世界各國人民共享這一科技成果。為此侯德榜繼續努力工作，把制鹼法的全部技術和自己的實踐經驗寫成專著《制鹼》於1932年在美國以英文出版。一個有骨氣的中國人就是這樣披露了索爾維制鹼法的奧秘。
拚命為之的中國化工業
三酸二鹼是化學工業的基本原料，僅能生產純鹼顯然是不行的。在永利鹼廠投入正常運行後，永利公司計畫籌建永利硫酸銨廠。這個廠可以同時生產氨、硫酸、硝酸和硫酸銨。建廠的重擔自然又落在侯德榜的肩上。
建造硫酸銨廠與當年永利鹼廠的開創不一樣，不存在技術保密的問題，面臨的問題關鍵是怎么引進國外技術、選購設備，爭取投資少而見效快。為此侯德榜不辭辛苦對整個計畫作了周密的調查研究。
銨廠的設計，應該自成系統，完整合理，引進技術要完全立足於國情，而不是照搬外國的成套設備。在採購設備中，侯德榜精打細算。凡是國內能夠保證質量的，就自己動手在國內解決。進口外國設備時，他巧妙地利用了各國廠商之間的競爭，選擇適用又價廉的設備，對若干關鍵設備；更是力主擇優。在與外商談判和選購設備時，侯德榜相當機智，例如制硫酸的全套設備是從美國買的，在買下這套設備的同時，侯德榜順便索要了硫酸銨的生產工藝圖紙。掉過頭來，他又從另一家工廠以廢鋼鐵的價格買下一套硫酸銨生產設備（時至今日還在運轉）。這種精明能幹連美國的許多經理都佩服。
硫酸銨廠的設備來自英、美、德、瑞士等國的許多廠家，還有些是本國造的，最後竟能全部成龍配套，這是很不容易的。它充分顯示了侯德榜的學識才幹和悉心經營，表現出他高度的事業心和可貴的獻身精神。侯德榜能這樣出色地指揮完成這項巨大工程，還在於他精通業務、知識廣博。正如他自己說的：“要當一員稱職的化學工程師，至少對機電、建築要內行。”這也是他的座右銘。在他給友人的一封信中他曾寫道：這些事，“無一不令人煩悶，設非隱忍順應，將一切辦好，萬一功虧一簧，使國人從此不敢再談化學工程，則吾等成為中國之罪人。吾人今日只有前進，赴湯蹈火，亦所弗顧，其實目前一切困難，在事前早已見及，故向來未抱絲毫樂觀，只知責任所在，拚命為之而已。“這就是侯德榜事業心的生動寫照。
1937年之丹，在侯德榜、范旭東及全廠員工的努力下，硫酸銨廠首次試車成功。侯德榜“拚命為之”的又一事業成功了。
侯氏聯合制鹼法的發明
1937年。日本侵華的戰火伸向上海、南京。位於南京的硫酸銨廠作為亞洲第一流的化工廠，令日本侵略者垂涎三尺，日本侵略者看到永利公司的軍事價值，年產一萬噸硝酸，可以製造幾萬噸烈性炸藥。他們派人企圖收買范旭東和侯德榜。范、侯明確地表示：“寧肯給工廠開追悼會，也決不與侵略者合作”侵略者加大壓力。甚至派飛機對鹼廠進行狂轟濫炸。在戰火逼近的情況下，侯德榜當機立斷，布置技術骨幹和老工人轉移，組織重要機件設備拆運西遷。
1938年，侯德榜率西遷的全部員工在四川岷江岸邊的五通橋建設永利川西化工廠。新廠採取什麼工藝是首先要考慮的。制鹼的主要原料食鹽，在川西只能來源於深井中的鹽滷濃縮。鹽滷濃度低，所以食鹽的成本很高。加上索爾維法的食鹽轉化率不高（只有70%），這就進一步提高了制鹼的成本。固此繼續採用索爾維制鹼法，生產就難以維持。
侯德榜經過調查，決定改進索爾維法開創製鹼新路，他總結了索爾維法的優缺點，認為這方法的主要缺點在於，兩種原料組分只利用了一半，即食鹽（NaCl）中的鈉和石灰（CaCO3)中的碳酸根結合成純鹼（NaCO3）另一半組分食鹽中的氯和石灰中的鈣結合成了CaCl2，卻沒有用途。
針對以上生產中不可克服的種種缺陷，侯德榜創造性地設計了聯合制鹼新工藝。這個新工藝是把氨廠和鹼廠建在一起，聯合生產。由氨廠提供鹼廠需要的氨和二氧化碳。母液里的氯化銨用加入食鹽的辦法使它結晶出來，作為化工產品或化肥。食鹽溶液又可以循環使用。
為了實現這一設計，在1941一1943年抗日戰爭的艱苦環境中，在侯德榜的嚴格指導下，經過了500多次循環試驗，分析了2000多個樣品後，才把具體工藝流程定下來，這個新工藝使食鹽利用率從70%一下子提高到96%，也使原來無用的氯化鈣轉化成化肥氯化銨，解決了氯化鈣占地毀田、污染環境的難題。這方法把世界制鹼技術水平推向了一個新高度，贏得了國際化工界的極高評價。1943年，中國化學工程師學會一致同意將這一新的聯合制鹼法命名為“侯氏聯合制鹼法”。
新中國即將成立的1949年初，侯德榜還在印度指導工作，當他得到友人轉來的周恩來給他的信後，他立即克服了種種阻撓，於1949年7月回到了氣象更新的祖國，作為科學家的代表參加了全國政治協商會議。從此他開始投入恢復、發展新中國化學工業的嶄新工作。為了祖國的化工事業，他走遍大江南北、長城內外。1960年前後，為適應我國農業生產的需要，侯德榜不顧自己已是70高齡，和技術人員一道共同設計了碳化法製造碳酸氫銨的新工藝，為我國的化肥工業發展作出了巨大貢獻。
侯德榜先生對科學的態度一貫是嚴肅認真的。在研究聯合制鹼的過程中，他要求每個試驗都得做30多遍才行。開始時有些人不理解，以為這是浪費時間和耗費精力，多此一舉。後來的事實證明，多數試驗在進行了20多次以後，數據才穩定下來，這樣得到的數據資料才是可靠的，人們這才真正認識到侯德榜這種細緻周密、一絲不苟的的科學態度是多么難能可貴。
侯德榜一生謙虛謹慎，平易近人。在創造永利鹼廠時是這樣，在以後的長期工作中也是這樣。他和技術人員、工人及晚輩們在一起，從來不把自己放在權威或高人一等的位置，討論問題，他總是認真地聽取別人的意見，善於從大家的智慧中吸取積極的因素來充實、完善自己的構想。大家都覺得跟他一起工作，心情特別舒暢，能從他身上學到不少東西。
