Обсуждение результатов опыта:

Сравнить расходные коэффициенты по сырью, полученные в опыте с промышленными. На 1 т 27,5% HCl в промышленности затрачивается примерно 0,5 т 97% NaCl и 0,4 т 93% серной кислоты (2, с.378). если выход очень низкий, то попробовать установить причины.

Контрольные вопросы:

1. Области применения соляной кислоты.

2. Методы получения HCl, достоинство и недостаток каждого метода.

3. Методы абсорбции HCl.

4. Понятие выхода от максимально возможного, равновесный выход, выход от равновесного.

5. Понятие о расходных коэффициентах.

6. Виды материального баланса, методика его составления.

7. Почему в промышленности не получают HCl концентрацией более 37%.

8. Источники сырья получения HCl.

9. Как сместить равновесие в процессе получения HCl из элементарных хлора и водорода с целью получения большого выхода продукта?

10. Типы печей, применяемых в производстве HCl.

Рисунок 1 - Схема установки получения соляной кислоты

1 – колба; 8, 9 – склянки для поддержания давления в колбе 1;

2 – термометр; 10 – поглотительная склянка с серной кислотой;

3, 6, 14 – краники; 11, 12 – поглотительные склянки с водой;

4 – капельница; 13 – бутыль;

5 – электроплитка; 15 – вакуум-насос;

7 – манометр; 16 – водопроводный вентиль

Лабораторная работа № 2. «Обжиг серного колчедана».

Цель работы: Изучение процесса обжига колчедана, определение степени выгорания (превращения) серы при различном времени пребывания ее в зоне реакции, составление материального баланса, определение лимитирующей стадии реакции.

Общие сведения:

Серный колчедан представляет собой сульфид железа с примесью соединений меди, цинка, свинца, мышьяка, селена и др.

Обжиг серного колчедана является одной из технологических стадий производства серной кислоты, целлюлозы и др.

При обжиге серный колчедан реагирует с кислородом воздуха по суммарному уравнению:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3415 кДж (1);

Реакция протекает с выделением тепла и является практически необратимой.

Реакция (1) состоит из ряда последовательных и параллельных реакций. В начале при температуре около 500⁰ С и выше происходит разложение FeS₂ с выделением FeS и парообразной серы:

2FeS₂ = 2FeS + S₂ - 103,9 кДж (2);

Выделившаяся сера сгорает с образованием двуокиси серы:

S + O₂ = SO + 362,4 кДж (3);

Односернистое железо FeS сгорает с образованием двуокиси серы и последовательным образованием FeO, Fe₃O₄ и затем Fe₂O₃. Суммарное уравнение сгорания FeS имеет вид:

4FeS + 7O₂ = 2 Fe₂O₃ + 4SO₂ + Q (4);

Небольшая часть двуокиси серы окисляется до ангидрида SO₃.

В промышленности для обжига серного колчедана применяют печи трех типов: полочные с мешалкой, пылевидного обжига и кипящего слоя.

В промышленных условиях газ, получаемый при обжиге серного колчедана, в зависимости от вида сырья, типа печи и условий проведения процесса содержит: SO₂ – 7 – 14%, O₂ – 2 – 11%, SO₃  0,5%, остальное азот и пары воды.

Образующийся при сгорании серного колчедана твердый остаток, называемый огарком, состоит в основном из окиси железа Fe₂O₃ с примесью Fe₃O₄, невыгоревшего FeS₂ и т.д.

Обжиг серного колчедана является типичным гетерогенным некаталитическим процессом в системе газ – твердое тело, скорость которого зависит от температуры, скорости потока газа, концентрации кислорода в газе и серы в колчедане, размера частиц колчедана, степени его перемешивания и др.

Процесс может протекать в кинетическом, диффузионном или диффузионно-кинетическом режиме.

Лимитирующую стадию скорости реакции в системе газ – твердое тело определяют по характеру изменения скорости процесса (или степени превращения) от температуры, скорости потока газа, размера частиц и времени контакта взаимодействующих фаз.

В данной работе лимитирующую стадию определяют по характеру изменения степени превращения от времени контакта взаимодействующих фаз.

Когда лимитирующей стадией скорости процесса является внешняя диффузия, соотношение между степенью превращения твердой частицы и времени реагирования определяется уравнением:

τ / τ₀ = Х_b (5);

где: Х_b – степень превращения твердой частицы ко времени;

τ₀ – время, в течение которого частица полностью вступает в реакцию.

Если лимитирует внутренняя диффузия (слой «золы»), то

τ / τ₀ = 1 – 3(1 – Х_b)^2/3 + 2(1 – X_b) (6);

Если лимитируется химическая реакция, то

τ / τ₀ = 1 - (7

Схема лабораторной установки.

Для обжига колчедана используется установка, схема которой представлена на рис.1.

Печь для обжига колчедана представляет собой кварцевую трубку 7, расположенную внутри горизонтальной трубчатой печи 6, обогреваемой электротоком. В кварцевую трубку помещается лодочка 8 с навеской колчедана.

Температура в печи (кварцевой трубке 7) измеряется термопарой 5, соединенной с милливольтметром 4 и поддерживается в заданном интервале вручную с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) 3. Соотношение между показаниями милливольтметра и температурой приводится на графике.

Воздух для обжига колчедана протягивается через кварцевую трубку и всю установку при помощи аспиратора 13. Скорость подачи воздуха регулируется краном 1 и измеряется реометром 2. Соотношение между расходом воздуха и перепадом давления по манометру приводится на графике.

Для определения количества образовавшегося серного ангидрида в данной работе газ из печи направляется в поглотительные склянки 12/1 – 5, заполненные раствором йода с определенной концентрацией.

При поглощении сернистого газа раствором йода протекает реакция:

SO₂ + J₂ + 2H₂O = H₂SO₄ + 2HI (8);

Во время поглощения работает одна из склянок. Переключение с одной склянки на другую осуществляется соответствующими кранами 11/1 – 5.

Непоглощенные в склянках 12/1 – 5 газы направляются в аспиратор 13.