# 用盐做纯碱

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 72 · 物质、光与声 · 物质

> 盐水先吸氨，再通二氧化碳，四种盐里最难溶的碳酸氢钠结晶出来，加热就成了纯碱。侯氏制碱法再把母液冷却、加盐，让氯化铵也结晶出来，做成化肥。

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- 更新于：2026-10-31

## 01 玻璃里的碱

纯碱就是碳酸钠。普通玻璃里有 12⁠–⁠16% 是氧化钠，主要来自纯碱；不加碎玻璃时，一吨玻璃要两三百千克纯碱（本页按成分计算）。台前的瓷盘里是纯碱，旁边是几块岩盐。

很长时间里，碱来自烧过的海草和盐生植物的灰，或者干涸湖边的天然碱。1791 年，路布兰取得专利：先用硫酸处理食盐，再把得到的硫酸钠和石灰石、煤一起烧。每做 8 吨苏打，要放出约 5.5 吨氯化氢，留下约 7 吨以硫化钙为主的废渣。1863 年，英国的《制碱法》要求把氯化氢的排放减少 95%。

电解食盐水也能得到碱，不过那是烧碱，即氢氧化钠，另有一页讲它。本页讲的是用盐、氨和二氧化碳做碳酸钠。

*Na₂CO₃ · 玻璃里 12⁠–⁠16% 是 Na₂O · 路布兰法：每 8 吨苏打放出约 5.5 吨 HCl*

## 02 先吸氨

塔里出产品的是一步复分解：食盐和碳酸氢铵交换，成为碳酸氢钠和氯化铵。它可以正着走，也可以倒着走；溶液里其实是钠、氯、铵和碳酸氢根四种离子。

碳酸氢根要从二氧化碳来，可二氧化碳在中性的盐水里溶得很少。所以盐水先吸足氨，再进塔通二氧化碳；侯德榜 1942 年的书里说，反过来做是不行的。25 °C 时，氨的亨利常数是二氧化碳的八百倍以上（NIST 的数，本页换算）。

吸了氨的盐水是碱性的，二氧化碳进来先和氨结成碳酸铵，再一步步变成碳酸氢铵。把饱和食盐水和等体积的饱和碳酸氢铵溶液混合，两样都只剩一半的饱和度，并不马上析出什么；把氨和二氧化碳都以气体通进盐水，盐水才不被冲稀。

*NaCl + NH₄HCO₃ ⇌ NaHCO₃ + NH₄Cl · 总的：NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃ + NH₄Cl · 先吸氨，后通 CO₂*

## 03 三十五个蘑菇帽

二氧化碳在碳化塔里通进去。侯德榜书里的标准塔是一节节铸铁圈叠起来的：内径约 2 米，下部的冷却圈每节高约 1 米，上面的每节约半米，从底到顶约 75 英⁠尺，即约 23 米。

塔里叠着约 35 层隔板，每层中间开孔，孔上罩着一个“蘑菇”帽。氨盐水从塔顶进来，往下流；二氧化碳从塔底压进去，在每个帽下聚起来，从帽沿钻出成气泡，一层层往上走。按侯德榜书里的数，塔底入口的表压是 34⁠–⁠36 磅每平方英寸，约合 2.4 巴（本页换算）。

在双路进气的安排里，煅烧炉回来的浓气（二氧化碳九成以上）从塔底进，石灰窑的淡气从上面另一个进口进（侯德榜 1942）。剖面里蓝色的是气，是示意。模型的塔画得比真实的粗了一倍多，冷却管也画得少而粗。

*内径约 2 米 · 高约 23 米 · 约 35 层隔板和蘑菇帽 · 塔底入口表压约 2.4 巴*

## 04 最难溶的那一种

塔里的液体同时含着钠、铵、氯和碳酸氢根，能结晶的盐有四种：NaCl、NH₄Cl、NaHCO₃ 和 NH₄HCO₃。在纯水里，碳酸氢钠最难溶，其次是碳酸氢铵，食盐和氯化铵都好溶得多。

碳酸氢钠并不是不溶：在 20 °C 时，每 100 克水能溶 9.6 克。可塔里的液体里同时有大量的钠离子。据 Fedotieff 1904 年的测量，15 °C 的饱和食盐水，每千克水只能溶 10 克碳酸氢钠，约是纯水里的九分之一。碳酸氢根越积越多，碳酸氢钠就先超过饱和，结晶出来。

侯德榜书里说，大约四成的氨变成碳酸氢铵以后，碳酸氢钠就大量析出，一直到塔底。剖面里，液体越往下越白，那是碳酸氢钠的晶体；好的晶体平均 0.1⁠–⁠0.2 毫⁠米，捏在指间有砂粒感。

*NaCl + NH₄HCO₃ ⇌ NaHCO₃ + NH₄Cl · 20 °C：100 克水溶 9.6 克 NaHCO₃*

## 05 冷到塔底

二氧化碳被吸收、碳酸氢钠结晶，都放出热。进塔的氨盐水约 30 °C，塔里最热的地方在离底约三分之二高处，约 60 °C（侯德榜 1942）。

塔的下半部是冷却段：许多铸铁水管横穿过塔，两端接在塔外的水箱上，冷却圈加起来约占塔高的一半。液体在塔底冷到约 22 °C 再放出；温度越低，留在液体里的碳酸氢钠越少。先在热处结晶、再慢慢冷却，晶体才长得大、好过滤。

冷却管上会结一层碳酸氢钠的硬壳，所以塔要轮流“清洗”：一座塔做了约四天，就停水、换淡气、灌新料液，把壳溶掉。五座塔一组，每天总有一座在清洗。

*进塔约 30 °C · 最热约 60 °C · 塔底约 22 °C · 每座塔做约 4 天洗一次*

## 06 加热成纯碱

侯德榜书里写，塔底的晶浆靠塔里自己的压力被压上 35⁠–⁠40 英⁠尺的高处，再流进那里的转鼓真空过滤机。转鼓上包着毛毡，一边转一边吸，碳酸氢钠留在鼓面上，薄薄一层水洗掉夹带的盐，再被刮刀刮下。滤下的液体叫母液，里面是氯化铵和没用上的盐。

刮下的碳酸氢钠送进煅烧炉，在 160⁠–⁠230 °C 下分解成纯碱、水和二氧化碳（温度按欧盟的参考文件）：168 克碳酸氢钠只剩 106 克纯碱（本页计算）。现代工厂多用蒸汽加热的回转炉，模型里是一台回转炉。

放出的二氧化碳压回碳化塔再用。按反应式，它正是塔里所用二氧化碳的一半；侯德榜书里说，从石灰窑取的和从煅烧炉回来的二氧化碳，重量之比约为 1.0⁠–⁠1.2 比 1。

*2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ · 160⁠–⁠230 °C · 一半的 CO₂ 回到塔里*

## 07 把氨收回来

这套办法是比利时人索尔维做成的。他在 1861 年申请专利，四年后工厂开工；从 1869 年起，工厂用上了碳化塔。反应本身并不新：1838 年英国已有人申请过专利，可在他之前，用它建的工厂都没能赚钱。

侯德榜书里写，母液里每升有 180⁠–⁠200 克氯化铵。氨贵，索尔维法把母液加热，再加石灰乳，氯化铵和氢氧化钙变成氯化钙，氨蒸出来回到盐水里。氨就这样在厂里循环：欧盟的参考文件说，每做一吨纯碱，要过手 500⁠–⁠550 千⁠克氨，损失的不到 0.5%。

算总账，是食盐和石灰石换成纯碱和氯化钙。氯最后跟钙走了：每吨纯碱排出约 10 立⁠方⁠米废液，按欧盟的数换算，里面的氯化钙约有 1 吨，大部分只能处置掉。盐也没用尽：实际每吨纯碱要用盐 1.53⁠–⁠1.8 吨，按反应式只要 1.1 吨。

*2 NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2 NH₃ + 2 H₂O · 总账：2 NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂ · 每吨纯碱约 1 吨 CaCl₂ · 钠用上约 61⁠–⁠72%*

## 08 写成一本书

侯德榜 1890 年生于福建，1921 年在哥伦比亚大学获博士学位，同年回国，到范旭东在天津塘沽办的永利碱厂主持技术。永利从试车到稳定出好碱用了好几年，1926 年 6 月才能连续生产优质纯碱，商标是“红三角”。

那时氨碱厂把操作的诀窍当作秘密：自己造的设备宁可不申请专利，也不让外人进厂参观。侯德榜在 1933 年出版了一本英文专著，在纽约印行，把氨碱法的设备、操作和数据都写了出来；他在序里说，这本书是这一行长期保密风气的一个例外。

书名是 Manufacture of Soda。本页的塔、温度和许多数据，都来自它 1942 年的第二版。

*1921 年到永利 · 1926 年连续产出优质纯碱 · 1933 年出版 Manufacture of Soda*

## 09 在四川

抗战时永利迁到四川五通桥。那里的井盐又贵又不纯，而氨碱法只把约七成的盐变成纯碱，废液也无处排放（叶青 2009）。

侯德榜想买德国察安法的专利，没有谈成，于是自己研究：他在纽约指导香港等地的研究小组，做了 500 多次循环试验，用半年摸清了察安法，再改出自己的流程。1941 年 3 月 15 日，范旭东在厂务会议上提议把它命名为“侯氏制碱法”。

1943 年 11 月，连续生产的扩大试验在四川开车，每天出十几公斤纯碱和氯化铵。战乱中没能建厂，直到 1961 年，大连才有了年产 8 万⁠吨的车间。1964 年国家鉴定时，侯德榜本人提议改名为“联合制碱法”。

*1941 年命名“侯氏制碱法” · 1943 年扩大试验 · 1961 年大连试生产 · 1964 年改名“联合制碱法”*

## 10 冷却，再加盐

侯氏制碱法不拿石灰去分解氯化铵，而是让它结晶出来。滤去碳酸氢钠的母液先吸氨，再冷却：氯化铵在冷水里溶得少，一部分先析出来。按 2023 年一份联碱厂专利的描述，今天的工厂把它冷到约 10 °C。

再往母液里加盐。食盐溶进去，多出来的氯离子让氯化铵超过饱和，又析出一批，这是同离子效应。Fedotieff 1904 年测得：0 °C 时，每千克纯水能溶 5.57 摩⁠尔氯化铵，同时溶满食盐的水只能溶 2.73 摩⁠尔。

冷却前先吸氨，把母液里的碳酸氢根变成碳酸根，冷下来时碳酸氢钠就不会混进氯化铵里。加过盐的母液再吸氨，回到碳化塔：盐里的钠变成纯碱，氯变成氯化铵。

*吸氨 → 冷析（约 10 °C）→ 加盐，盐析 · 0 °C：NH₄Cl 从 5.57 降到 2.73 摩⁠尔/千克水*

## 11 和合成氨厂连在一起

这样做，氨跟着氯化铵成了产品，要不断补充；二氧化碳也不再靠石灰窑。答案是合成氨厂：它生产氨，也给出二氧化碳，联碱厂就建在它旁边。侯德榜 1942 年就写过，这两种工业可以并排建在一起。合成氨怎样做，见哈伯-⁠博施法一页。

联碱厂不用石灰石，也没有氯化钙废液，盐能利用 95% 以上；索尔维法约七成。每出 1 吨纯碱，同时出约 1 吨氯化铵，主要用作水稻的肥料；这类工厂大多在中国（欧盟 BREF）。

同时出纯碱和氯化铵的想法并非只此一家：德国的察安法更早；1919 年法国人 Georges Claude 的专利里，已有先加氨、再冷却、后加盐的步骤；荷兰和日本也建过这样的厂。侯氏制碱法是中国人自己做出来、后来在中国大规模使用的一种。

*氨和 CO₂ 来自合成氨厂 · 盐利用 95% 以上 · 每吨纯碱约 1 吨 NH₄Cl*

## 12 纯碱去了哪里

按美国地质调查局的估计，2025 年全世界约产纯碱 7,100 万⁠吨，约四分之一来自天然碱矿，四分之三靠化学合成。中国是最大的生产国，产量约 3,800 万⁠吨；美国约 1,200 万⁠吨，全部来自天然碱。

在美国，45% 的纯碱用来做玻璃，28% 做化学品，其余用于肥皂和洗涤剂、烟气脱硫、造纸和水处理等。在中国，联碱法约占纯碱产能的一半（2024 年的行业统计约 48%）。

台前右边的罐子里是氯化铵，盘里是纯碱，左边是盐：这座工厂吃进去的是盐、氨和二氧化碳，出来的是这两样。

*2025 年世界约 7,100 万⁠吨 · 中国约 3,800 万⁠吨 · 美国 45% 做玻璃*

## 13 一段一段拆开

碳化塔拆成冷却段、下段、上段和塔头，每一段仍是剖开的，每层隔板和蘑菇帽都看得见；最下面的塔底不动。旁边是过滤机、煅烧炉和氯化铵结晶器。

指针停在哪一件上，它就被单独托起，标出名字；不动时，各段一起分开。

*塔头 · 上段 · 下段 · 冷却段 · 过滤机 · 煅烧炉 · 结晶器*

## 14 温度、氨和二氧化碳

本页的计算：每千克水含 5.2 摩⁠尔食盐，约是侯德榜书里氨盐水的浓度；氨和二氧化碳的量各是一根杆。二氧化碳先和氨结成碳酸铵，再变成碳酸氢铵；一种盐的两种离子浓度相乘，超过它在纯水里饱和时的值，它就结晶。这是不计离子之间相互作用的理想模型。

温度为 15 °C 而碳酸氢铵不析出时，模型给出的最高钠利用率是 78.3%；Fedotieff 1904 年按测得的相图算出的是 78.8%。真实的塔里，碳酸氢钠在约四成的氨变成碳酸氢铵后就大量析出，模型里要过一半：模型没算碳酸铵的水解。

读数：先结晶的盐、每千克水析出的碳酸氢钠、钠的利用率。图上，横轴是吸进的二氧化碳，两条线是析出的碳酸氢钠和碳酸氢铵。

*理想溶度积模型 · 每千克水 5.2 摩⁠尔 NaCl · 15 °C 最高 78.3%（Fedotieff：78.8%）*

**试一试**：氨调到 0，还有碳酸氢钠析出吗？氨回到 5.9 摩⁠尔以后，再把温度降到 0 °C，还有哪种盐跟着析出？

## 模型省略了什么

台上是原理模型：碳化塔画得比真实的粗了一倍多，塔圈、蘑菇帽和冷却管都画得少而大；过滤机、煅烧炉和结晶器画得小、离得近，过滤机的钢架也比真实的矮。氨盐水的制备、石灰窑、蒸氨塔、压缩机和合成氨厂都没有画。剖面里的气是示意。实验台是理想溶度积模型，不算离子之间的相互作用，也不算碳酸铵的水解。

## 几个容易误会的地方

碳酸氢钠不是不溶，它只是这四种盐里最难溶的。氨在索尔维法里是循环用的，消耗的是盐和石灰石。侯氏制碱法也不是“省掉”了氨的回收：它用氯化铵化肥换掉了石灰和氯化钙废液，氨要从合成氨厂不断补充。它也不是世界上第一个同时出纯碱和氯化铵的方法。盐的利用率本页只写“约七成”和“95% 以上”，没有核实到更精确的权威数字。

## 常见问题

### 为什么制碱时要先通氨，再通二氧化碳？

碳酸氢根要从二氧化碳来，可二氧化碳在中性的盐水里溶得很少。

见：[02 先吸氨](https://world.lapla.si/zh/housoda/#ammonia)

### 碳酸氢钠为什么会从溶液里析出来？

碳酸氢钠并不是不溶：在 20 °C 时，每 100 克水能溶 9.6 克。

见：[04 最难溶的那一种](https://world.lapla.si/zh/housoda/#least)

### 碳酸氢钠怎样变成纯碱？

刮下的碳酸氢钠送进煅烧炉，在 160⁠–⁠230 °C 下分解成纯碱、水和二氧化碳（温度按欧盟的参考文件）：168 克碳酸氢钠只剩 106 克纯碱（本页计算）。

见：[06 加热成纯碱](https://world.lapla.si/zh/housoda/#calcine)

### 索尔维法的废物是什么？

算总账，是食盐和石灰石换成纯碱和氯化钙。

见：[07 把氨收回来](https://world.lapla.si/zh/housoda/#solvay)

### 加盐为什么能让氯化铵析出？

食盐溶进去，多出来的氯离子让氯化铵超过饱和，又析出一批，这是同离子效应。

见：[10 冷却，再加盐](https://world.lapla.si/zh/housoda/#chloride)

## 资料来源

1. [Te-⁠Pang Hou（侯德榜，1942）：Manufacture of Soda，第二版（碳化塔的构造和尺寸、塔里的温度、为什么先吸氨、溶解度表、过滤和煅烧、清洗塔、盐的消耗）](https://archive.org/details/dli.ernet.4162)
2. [P. P. Fedotieff（1904）：Der Ammoniaksodaprozess vom Standpunkte der Phasenlehre，Z. physik. Chem. 49（交互盐对的溶解度、三盐点、最高钠利用率）](https://archive.org/details/sim_zeitschrift_physikalische_chemie_1904_49)
3. [A. Seidell（1919）：Solubilities of Inorganic and Organic Compounds，第二版（四种盐在水中的溶解度）](https://archive.org/details/2ndsolubilitieso00seiduoft)
4. [欧盟《大宗无机化学品——固体及其他最佳可行技术参考文件》（2007）第 2 章纯碱（流程、煅烧温度、氨的循环、废液、用盐、联产氯化铵）](https://bureau-industrial-transformation.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2019-11/lvic-s_bref_0907.pdf)
5. [欧盟《玻璃制造最佳可行技术参考文件》（2013）（钠钙玻璃里的氧化钠）](https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2019-11/GLS_Adopted_03_2012_0.pdf)
6. [美国地质调查局（2026）：Mineral Commodity Summaries，Soda Ash（2025 年的产量和用途）](https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2026/mcs2026-soda-ash.pdf)
7. [NIST Chemistry WebBook：二氧化碳的亨利定律常数](https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=10)
8. [NIST Chemistry WebBook：氨的亨利定律常数](https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7664417&Mask=10)
9. [叶青（2009）：联合制碱工程在中国，《工程研究》1(4)（四川的研究、命名、扩大试验、大连投产、改名、盐利用率）](https://www.sciengine.com/doi/pdf/01683AAE9B9A45139D00BF34EADD7EF7)
10. [张艺凡、王浪（2025）：炼碱铸魂，《科技导报》43(13)（联合法的盐利用率，转引侯德榜、胡先庚《酸和碱》）](https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kjdb/CN/PDF/10.3981/j.issn.1000-7857.2024.09.01323)
11. [I. Fechete（2016）：Ernest Gaston Joseph Solvay，Comptes Rendus Chimie 19（专利、工厂、碳化塔）](https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/chimie/item/10.1016/j.crci.2016.02.008.pdf)
12. [C. Flavell-⁠While（2011）：Nicolas Leblanc – Revolutionary discoveries，The Chemical Engineer（路布兰法的废物、英国《制碱法》）](https://www.thechemicalengineer.com/features/nicolas-leblanc-revolutionary-discoveries/)
13. [中国科学院学部：侯德榜（生平、“红三角”）](http://casad.cas.cn/ysxx2022/ygys/200906/t20090624_1810088.html)
14. [S. Guo（2008）：Hou Te-⁠Pang，Complete Dictionary of Scientific Biography（永利、1926 年、1933 年的书）](https://www.encyclopedia.com/science/dictionaries-thesauruses-pictures-and-press-releases/hou-te-pang-debang-hou)
15. [中国五环工程（2023）：专利申请 CN116294279A（现行联碱厂的冷析和盐析流程）](https://patents.google.com/patent/CN116294279A/zh)
16. [G. Claude（1919 年申请）：美国专利 US1491672（先加氨、再冷却析出氯化铵、后加盐）](https://patents.google.com/patent/US1491672A/en)

## 数据

Solubilities in water are from A. Seidell, Solubilities of Inorganic and Organic Compounds (2nd ed., 1919: Dibbits 1874, Andreae 1884, Mulder); the reciprocal salt pair, its three-⁠salt points and the most sodium a solution can give up from P. P. Fedotieff, Zeitschrift für physikalische Chemie 49 (1904). The lab’s ideal solubility-⁠product model, the mass balances and the unit conversions are computed here. The tower, its temperatures, the filter, the calciner and the plant figures of the 1920s–30s are from Te-⁠Pang Hou, Manufacture of Soda (2nd ed., 1942); modern figures from the EU’s Best Available Techniques reference documents (soda ash, 2007; glass, 2013) and the USGS Mineral Commodity Summaries (2026); Henry’s law constants from the NIST Chemistry WebBook; the combined process’s history from Ye Qing (Engineering Studies, 2009); today’s crystallisation steps from a 2023 Chinese patent (CN116294279A). The tower, the filter, the calciner and the crystalliser are a model of the principle, not any one plant. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-⁠skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

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## 引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 72《用盐做纯碱》，https://world.lapla.si/zh/housoda/，CC BY-NC 4.0，2026-10-31 更新。