МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«Харківський політехнічний інститут»

Лабораторний практикум

З курсу «ХІМІЧНА ТЕХНОЛОГІЯ НЕОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН»

для студентів спеціальності

6.091602 «Хімічна технологія неорганічних речовин»

усіх форм навчання

Затверджено

редакційно-видавничою

радою університету,

протокол № 2 від 18.09.09

Харків НТУ "ХПІ" 2010

ББК 24.4

Л 12

УДК 66.014

Рецензенти: О. Ф. Зозуля, д-р техн. наук, проф., Державний науково-дослідний і проектний інститут основної хімії,

А. С. Савенков, д-р техн. наук професор, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Лабораторний практикум з курсу «Хімічна технологія неорганічних речовин» для студентів спеціальності 6.091602 «Хімічна технологія неорганічних речовин» усіх форм навчання / Ушакова Н. М. , Юрченко О. П., Кобзєв О. В., Панасенко В. О., Михайлова Є. О. – Харків: НТУ «ХПІ», 2010. – 60 с.

ISBN

В лабораторному практикумі наведено основні методи аналізів, які використовуються в лабораторіях підприємств з виробництва азотної, сірчаної кислот, залізохромового каталізатора, кальцинованої соди і гранульованого суперфосфату.

Призначено для студентів спеціальності «Хімічна технологія неорганічних речовин

Іл. 7. Бібліогр.: 20 назв.

ББК 24.4

ISBN

© Н.М. Ушакова, О.П. Юрченко,

О.В. Кобзєв, В.О. Панасенко,

Є.О. Михайлова, 2010 р.

© НТУ «ХПІ», 2010 р.

ВСТУП

Хімічна промисловість характеризується низкою специфічних особливостей – різноманітністю джерел сировини, значною кількістю стадій виробництва, точною фіксацією хімічного складу кінцевого продукту для забезпечення його відповідності до стандартів або технічних умов. Контроль виробничих операцій в хімічній промисловості здійснюється за допомогою хімічних, фізико-хімічних і фізичних методів аналізу. Більшість з цих методів базується на тих або інших хімічних реакціях.

В лабораторному практикумі наведено основні методи аналізів, які використовуються в лабораторіях підприємств з виробництва азотної, сірчаної кислот, залізохромового каталізатора, кальцинованої соди і гранульованого суперфосфату.

Наведений в даному лабораторному практикумі матеріал дозволяє студентам набувати нових знань й навичок для здійснення самостійного контролю якості неорганічних речовин, що аналізуються, при організації технологічних процесів і проведенні науково-дослідних робіт.

Звіт повинен містити:

1. Мету лабораторної роботи.

2. Перелік хімічних речовин та розчинів, які необхідні для виконання даної лабораторної роботи.

3. Перелік необхідного лабораторного обладнання.

4. Стислий опис кожного з експериментів лабораторної роботи, включаючи розрахункові формули.

5. Розрахунок показника якості, що досліджувався.

6. Обґрунтований висновок.

У кінці даного видання вміщено запитання для самоперевірки та підготовки до захисту лабораторних робіт з курсу «Хімічна технологія неорганічних речовин».

Лабораторна робота 1 Аналітичний контроль в технології неконцентрованої азотної кислоти

Мета роботи – ознайомити студентів зі стандартними методами аналітичного контролю виробництва азотної кислоти.

Основи технології азотної кислоти.

У теперішній час виробництво азотної кислоти базується на каталітичному окисненні синтетичного аміаку киснем повітря за реакціями

4NH₃ + 5О₂→ 4NO + 6Н₂О + 907,3 кДж, (1.1)

4NH₃ + 4O₂ → 2N₂O + 6H₂O + 1104,9 кДж, (1.2)

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O + 1296,1 кДж (1.3)

з наступним окисненням отриманого оксиду азоту (II) в вищі оксиди азоту та їх абсорбцєю водою в колоні отримання азотної кислоти. Абсорбція оксидів азоту є складним фізико-хімічним процесом, що супроводжується цілим рядом послідовних та паралельних реакцій, тому що газ, який надходить на абсорбцію, є багатокомпонентним.

Більшість дослідників стверджують, що процес одержання слабкої азотної кислоти в абсорбційній колоні можна описати такими хімічними рівняннями:

2NO₂ N₂O₄ + 56,9 кДж, (1.4)

NO + NO₂ N₂O₃ + 40 кДж, (1.5)

2NO₂ + Н₂О НNO₂ + НNO₃ + 116 кДж, (1.6)

N₂O₄ + H₂O HNO₂ + HNO₃ + 59 кДж, (1.7)

N₂O₃ + H₂O 2HNO₂ + 55,4 кДж, (1.8)

3HNO₂ HNO3 + 2NO + H₂O - 75,8 кДж (1.9)

2HNO₂ + O₂ 2HNO₃. (1.10)

Сумарною реакцією, що визначає рівноважну концентрацію одержаної кислоти й, отже, швидкість поглинання оксидів азоту, є реакція:

3NO₂ + Н₂О 2HNO₃ + NO + 136 кДж. (1.11)

При перебігу вказаних реакцій відбуваються такі фізико-хімічні процеси:

1. окиснення оксиду азоту (ІІ) в газовій фазі та частково в рідинній;

2. дифузія оксидів азоту з газового потоку до межі розподілу фаз;

3. взаємодія оксидів азоту з водою й утворення азотної та азотистої кислот;

4. часткова взаємодія вищих оксидів азоту з водяною парою в газовій фазі;

5. розчинення вищих оксидів азоту та їх взаємодія з водою в рідинній фазі;

6. розкладання азотистої кислоти та повернення оксиду азоту (II), що утворюється в газову фазу;

7. дифузія кисню з газового потоку до межі розподілу фаз;

8. десорбція NO в газову фазу.

Кожний зі вказаних процесів впливає на загальну швидкість кислотоутворення.

Проміжною сполукою в процесі утворення азотної кислоти є азотиста кислота, яка є нестійкою та швидко розкладається з утворенням азотної кислоти й оксиду азоту.

Основну масу неконцентрованої азотної кислоти в Україні виробляють у агрегатах УКЛ, які працюють під єдиним підвищеним тиском 0,716 МПа. Ці агрегати прості в експлуатації, мають високий ступінь автоматизації процесу, надійні, вирізняються низькою собівартістю азотної кислоти.

Схема установки, що працює під єдиним тиском 0,716 МПа, наведена на рис. 1.1.

Повітря через фільтр Ф1 подається на газотурбінну установку типу ГТТ-3М. Підвищення тиску повітря до 0,716 МПа здійснюється в дві стадії. Перша – підвищення тиску до 0,343 МПа  здійснюється в осьовому компресорі КМ1, який конструктивно виконаний на одному валу та в одному корпусі з газовою турбіною Т. Нагріте до 447 К за рахунок адіабатичного стиснення повітря охолоджується в проміжному поверхневому холодильнику АТ2 до 315 К і потрапляє

до відцентрового компресора (нагнітача) КМ2, де тиск повітря підвищується до 0,716 МПа. Розрахункова температура повітря на виході з відцентрового нагнітача дорівнює 408 К.

З нагнітача КМ2 потік повітря направляється на виробництво азотної кислоти та ділиться на декілька потоків. Основний потік повітря після підігріву нітрозних газів у підігрівачі повітря АТ4 до температури 470 К подається у змішувач ЗМ1. Другий потік повітря надходить у трубопровід нітрозних газів перед абсорбційною колоною, його призначення – забезпечити повноту переробки оксидів азоту на азотну кислоту. Третій потік повітря направляється до продувної колони КЛ2 для видування оксидів азоту з одержаної азотної кислоти.

Рідкий аміак випаровується у випарнику АТ5, а газоподібний аміак, що утворився, фільтрується, підігрівається у теплообміннику АТ6 і подається у змішувач ЗМ1, що конструктивно суміщений з фільтром Ф3, де відбувається остаточна очистка аміачно-повітряної суміші. Одержана у змішувачі аміачно-повітряна суміш, що містить до 11,5 % об. аміаку, подається до контактного апарата КА, де при температурі 1200 К відбувається окиснення аміаку з утворенням оксиду азоту (II), водяної пари та азоту. Гарячий нітрозний газ, що утворився, подається до котла-утилізатора АТ8, на якому встановлений контактний апарат.

Одержаний нітрозний газ із котла послідовно проходить окиснювач О, підігрівач повітря АТ4, що конструктивно суміщений з окиснювачем, і підігрівач хвостових газів АТ3. Охолоджений нітрозний газ далі подається до швидкісних холодильників АТ7, де охолоджується оборотною водою до 320 К. В холодильниках АТ7 відбувається конденсація водяної пари, окиснення NO до NO₂ і утворення азотної кислоти концентрацією 4547 %мас. З холодильників суміш газу і кислоти подається в сепаратор (на схемі не показаний), де газ відокремлюється від кислоти, що утворилася. Нітрозний газ подається в нижню частину абсорбційної колони, а кислота  на тарілку абсорбційної колони з кислотою відповідної концентрації.

Абсорбційна колона має 50 тарілок сітчастого типу. Діаметр отворів в тарілці 2 мм. Вода надходить в верхню частину абсорбційної колони. Ступінь абсорбції складає 99,099,5 %. Продукт – розчин азотної кислоти концентрацією 5660 % мас. Одержана кислота надходить у продувну колону КЛ2.

В змішувачі ЗМ2 викидні гази після абсорбційної колони КЛ1 змішуються з газоподібним аміаком і надходять до реактора РК, де відбувається відновлення оксидів азоту до азоту; при цьому використовують каталізатор АВК-10М. Далі газ проходить камеру згоряння турбіни (не показана), розширюється в газовій турбіні Т, звідки з температурою близько 680 К надходить у паровий котел АТ1 і з вмістом оксиду азоту (II) не більше 103 мг/м³ викидається в атмосферу.

Продуктивність установки складає 360 т/добу у перерахунку на моногідрат.

Загальні відомості щодо аналізу нітрозного газу та розчинів неконцентрованої азотної кислоти

Аналіз нітрозного газу на вміст в ньому NO та NO₂ можна проводити методом роздільного визначення оксидів азоту.

Вміст азотної кислоти в розчині можливо визначити такими методами:

1. за густиною;

2. кислотно-основним титруванням.

Експеримент 1. Роздільне визначення вмісту NO та NO₂ в нітрозному газі

Необхідні реактиви та розчини:

1. йодид калію, 10 %-й розчин;

2. пероксид водню, 3 %-й розчин;

3. розчин тіосульфату натрію, 0,1 н розчин;

4. розчин крохмалю;

5. гідроксид натрію, 0,1 н розчин;

6. змішаний індикатор.

Збирають систему для відбору проби (див. рис. 1.2).

Газ з вентиля відбору 1 послідовно проходить посудини Дрекселя 2 та 3, заповнені розчином KI з масовою часткою 10 %. Оксид азоту (IV) поглинається даним розчином з виділенням еквівалентної кількості вільного йоду за реакцією

2NO₂ + 2KI = I₂ + 2KNO₂ (1.12)

1 – пробовідбірний вентиль; 2, 3 – посудини Дрекселя з розчином КI; 4 – вакуумована колба з розчином Н₂О₂

Рисунок 1.2 – Система для відбору проб нітрозного газу для роздільного визначення оксидів азоту

Оксид азоту (II), що не поглинається розчином KI, надходить до колби 4, яка знаходиться під вакуумом, де відбувається його взаємодія з розчином H₂O₂ (50 см³ 3 %-го розчину пероксиду водню та 150 см³ води) за реакцією

2NO + 3H₂O₂ = 2HNO₃ + 2H₂O (1.13)

Відбір проби припиняють по мірі заповнення колб. Розчин, що міститься у посудинах Дрекселя 2 та 3, змішують та титрують 0,1 н розчином Na₂S₂O₃ в присутності в якості індикатора п’яти крапель розчину крохмалю до переходу темно-синього забарвлення на безкольорове. Вміст колби 4 титрують 0,1 н розчином гідроксиду натрію в присутності змішаного індикатора до переходу зеленого забарвлення на безкольорове.

Об'ємну частку оксиду азоту (IV), розраховують за формулою:

, (1.14)

де – об’ємна частка оксиду азоту (IV), %;

а – кількість 0,1 н розчину Na₂S₂O₃ , витрачена на титрування вмісту посудини Дрекселя, см³;

2,24 – кількість NO₂ , що відповідає 1 см³ 0,1 н розчину Na₂S₂O₃ , см³;

b – кількість розчину NaOH, витраченого на титрування вмісту колби, см³;

V₀ – залишковий об'єм газу в колбі після поглинання, при нормальних умовах, см³:

, (1.15)

де V – об'єм колби, см³;

P₁ – тиск в колбі до відбору проби, мм рт. ст.;

P₂ – тиск в колбі після відбору проби, мм рт. ст.;

T – температура навколишнього повітря, К.

Об'ємну частку оксиду азоту (II), С_NO , розраховували за формулою

, (1.16)

де С_NO – об’ємна частка оксиду азоту (II), %;

V₁ – об'єм газу у вільному просторі посудини Дрекселя, см³.

Експеримент 2. Визначення масової частки та масової концентрації азотної кислоти в розчинах за густиною

Діапазон масової частки, що вимірюється, від 18 до 68 %, масової концентрації від 180 до 300 г/дм³.

Засоби вимірювальної техніки, допоміжні пристрої

При проведенні вимірювань використовують наступні засоби вимірювальної техніки, допоміжні пристрої:

1) ареометри та циліндри скляні;

2) термометр зі шкалою (0–50) °С;

3) піддон з алюмінію.

Припускається використовувати інші засоби вимірювальної техніки, допоміжні пристрої, що забезпечують потрібну точність вимірювань.

Метод вимірювань. Метод засновано на вимірюванні густини та температури проби, що досліджується, та на знаходженні концентрації азотної кислоти за табл. 1.1.

Вимоги безпеки, охорони навколишнього середовища. При виконанні вимірювань необхідно виконувати правила техніки безпеки, промислової санітарії та охорони навколишнього середовища.

Виконання вимірювань. При проведенні вимірювань виконують наступні операції:

1) пробу відбирають у циліндр, який необхідно перед цим ополоснути тим ж розчином так, щоб рівень рідини не доходив до верхнього його краю на 34 см. Циліндр розміщують на піддоні;

2) у наповнений циліндр обережно занурюють чистий сухий ареометр, шкала якого відповідає очікуваному значенню густини. Відстань від нижнього кінця ареометра до дна циліндра повинна бути не менше 3 см. Ареометр не випускають з рук, доки він не стане плавати, не торкаючись стінок і дна циліндра;

3) в циліндр також занурюють термометр так, щоб він не торкався ареометра і стінок циліндра;

4) при температурі, що встановилася, відмічають показання ареометра, коли припиняться його коливання (за верхнім меніском рідини), та термометра. При вимірюванні необхідно слідкувати, щоб ареометр не торкався термометра та стінок циліндра. При знятті показань око повинне знаходитись на рівні відповідного краю меніска.

Розрахунок результатів вимірювань

1) масову частку азотної кислоти у відсотках знаходять з табл. 1.1 та 1.2 залежно від густини розчину;

2) при використанні табл. 1.1 знайдене значення густини розчину приводять до температури 20 °С за формулами

Таблиця 1.2 – Густина та масова частка азотної кислоти в відсотках при температурі 20 °С

Густина, г/см3	Масова частка, %	Густина, г/см3	Масова частка, %	Густина, г/см3	Масова частка, %
1,240	39,1	1,296	47,7	1,352	57,2
1,242	39,4	1,298	48,0	1,354	57,6
1,244	39,7	1,300	48,4	1,356	58,0
1,246	40,0	1,302	48,7	1,358	58,8
1,248	40,3	1,304	49,0	1,360	59,1
1,250	40,6	1,306	49,3	1,362	59,4
1,252	40,9	1,308	49,6	1,364	59,8
1,254	41,2	1,310	50,0	1,368	60,3
1,256	41,5	1,312	50,4	1,370	60,6
1,258	41,8	1,314	50,7	1,372	61,0
1,260	42,1	1,316	51,0	1,374	61,4
1,262	42,4	1,318	51,3	1,376	61,8
1,264	42,7	1,320	51,6	1,378	62,2
1,266	43,0	1,322	52,0	1,380	62,6
1,268	43,4	1,324	52,3	1,382	63,0
1,270	43,7	1,326	52,6	1,384	63,4
1,272	44,0	1,328	53,0	1,386	63,8
1,274	44,3	1,330	53,4	1,388	64,3
1,276	44,6	1,332	53,7	1,390	64,8
1,278	44,9	1,334	54,0	1,392	65,2
1,280	45,2	1,336	54,4	1,394	65,6
1,282	45,5	1,338	54,8	1,396	66,6
1,284	45,8	1,340	55,1	1,398	66,4
1,286	46,2	1,342	55,4	1,400	66,8
1,288	46,5	1,344	55,8	1,402	67,2
1,290	46,8	1,346	56,2	1,404	67,6
1,292	47,1	1,348	56,6	1,406	68,0
1,294	47,4	1,350	57,2

ρ₂₀ = ρ_t + К · (t – 20), при температурі вище 20 °С, (1.17)

ρ₂₀ = ρ_t – К ∙ (20 – t), при температурі нижче 20 °С, (1.18)

де ρ₂₀ – густина розчину азотної кислоти при 20 °С, г/см³;

ρ_t – густина розчину азотної кислоти при температурі в момент вимірювання, г/см³;

К – поправка до густини розчину азотної кислоти, г/см³ (див. табл. 1.3);

Таблиця 1.3 – Поправки на 1 °С до густини розчину азотної кислоти при температурі нижче та вище 20 °С

Густина азотної кислоти, г/см3	Поправка , г/см3
1,240 до 1,250	0,0010
1,250 до 1,320	0,0011
1,320 до 1,342	0,0012
1,342 до 1,370	0,0013
1,370 до 1,406	0,0014

t – температура проби в момент вимірювання густини, °С.

3. масову концентрацію азотної кислоти в г/дм³ знаходять з табл. 1.4.

Таблиця 1.4 – Густина та масова концентрація азотної кислоти при температурі 20 °С

Густина, г/см3	Масова концентрація, г/дм3	Густина, г/см3	Масова концентрація, г/дм3
1,078	150,9	1,130	253,2
1,080	155,6	1,133	258,3
1,083	160,3	1,135	263,5
1,085	165,0	1,138	268,6
1,088	169,7	1,140	273,7
1,090	174,7	1,143	278,8
1,093	179,2	1,145	284,2
1,095	184,0	1,148	289,4
1,098	188,9	1,150	294,7
1,100	193,7	1,153	299,9
1,103	198,5	1,156	305,24
1,105	203,4	1,159	310,6
1,108	208,3	1,161	315,9
1,110	213,2	1,164	321,3
1,113	218,1	1,167	326,6
1,115	223,0	1,170	332,1
1,118	228,0	1,172	337,6
1,120	233,0	1,175	343,0

Продовження табл. 1.4

Густина, г/см3	Масова концентрація, г/дм3	Густина, г/см3	Масова концентрація, г/дм3
1,123	238,1	1,177	348,5
1,125	243,1	1,180	354,0
1,128	248,1	1,180	354,0

Експеримент 3. Визначення вмісту азотної кислоти в розчині кислотно-основним титруванням

Загальні відомості

Метод полягає в нейтралізації азотної кислоти розчином лугу в присутності індикатора метилового червоного. При цьому перебігає реакція

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O (1.19)

Необхідні реактиви та розчини:

1. метиловий червоний, спиртовий розчин;

2. гідроксид натрію, 1 н розчин.

Проведення аналізу

Наливають в бюкс 810 см³ дистильованої води, зважують на аналітичних терезах з похибкою не більше 0,0002 г. Після цього в бюкс наливають 2,53,0 см³ розчину азотної кислоти, що аналізується, і знову зважують. Різниця маси до та після додавання розчину кислоти дає наважку кислоти, яку взяли для аналізу. Вміст бюкса переносять до конічної колби місткістю 250 см³, в яку попередньо наливають 25 см³ дистильованої води; залишки розчину з бюкса змивають водою в ту ж колбу. Вміст колби титрують 1 н розчином гідроксиду натрію в присутності метилового червоного до переходу забарвлення з рожевого на жовте.

Масову частку азотної кислоти розраховують за формулою

, (1.20)

де Х – масова частка азотної кислоти в розчині, %;

К – поправковий коефіцієнт 1 н розчину гідроксиду натрію;

m – наважка кислоти, г;

0,063 – кількість азотної кислоти, що відповідає 1 мл 1 н розчину гідроксиду натрію, г.

За результат приймають середнє арифметичне двох паралельних визначень, абсолютна похибка яких не перевищує 0,3 %.