Лабораторная работа 1 карбонизация аммиачно-солевого раствора

1. Цель работы: исследовать кинетику процесса карбонизации аммонизированного рассола (NaCl) и определить влияние различных факторов технологического режима (концентрации реагентов, температуры, расхода CO₂) на выход осажденного NaHCO₃.

2. Теоретические сведения.

Карбонизация растворов, т. е. насыщение их диоксидом углерода, служит типовым химическим процессом и применяется, например, в производстве глинозема методами спекания, в производстве соды и т. п. В результате карбонизации растворов появляется твердая фаза – осадок бикарбоната натрия в производстве соды, осадок гидроокиси алюминия в производстве глинозема и т. п. Карбонизация – многофазный и многостадийный процесс, в котором последовательно происходят диффузия CO₂ в газовой фазе, абсорбция CO₂, химические реакции и диффузия в растворе и, наконец, кристаллизация продукта.

Первой стадией производства является абсорбция аммиака насыщенным раствором поваренной соли (305-310 г/л NaCl), предварительно очищенным от катионов Са²⁺ и Mg²⁺. Абсорбцию аммиака ведут до получения аммонизированного рассола, содержащего около 85-90 г/л NH₃.

Второй и основной стадией содового производства служит карбонизация аммонизированного рассола. Для карбонизации используют диоксид углерода (85-90% CO₂) из печей кальцинации бикарбоната натрия и газ обжига известняка, содержащий 33-40% СО₂. При карбонизации происходит абсорбция СО₂ аммонизированным рассолом, сопровождаемая рядом химических реакций в жидкой фазе, которые ведут к образованию и кристаллизации твердого продукта бикарбоната натрия.

Абсорбция CO₂ аммонизированным рассолом сопровождается химическими реакциями, которые в общем виде можно выразить суммарным расчетным уравнением

Бикарбонат натрия, выпадающий в осадок, отделяют от маточного раствора (фильтровой жидкости) на вакуум-фильтрах и кальцинируют (прокаливают) в печах при 130 °С, получая кальцинированную соду и газ, содержащий CO₂ и пары воды:

В настоящей работе необходимо исследовать кинетику процесса карбонизации и определить влияние различных факторов технологического режима (концентрации реагентов, температуры, скорости газа) на выход осажденного NaHCO₃, выражаемый как коэффициент использования NaCl. Скорость процесса карбонизации удобнее всего определять по изменению состава карбонизуемого раствора во времени.

3. Методика выполнения работы.

Реактивы: баллон с газообразным диоксидом углерода, аммонизированный рассол, насыщенный раствор NaHCO₃, этиловый спирт с NaHCO₃, раствор HCl 1 моль/л и 0,1 моль/л, индикатор метиловый оранжевый, раствор 1 моль/л NaOH, 1 моль/л раствор AgNO₃, индикатор насыщенный раствор K₂CrO₄, азотная кислота 45%, лакмусовая бумага, дистиллированная вода, насыщенный раствор NaCl, 10% раствор HCl.

Оборудование: установка для карбонизации, установка для определения содержания диоксида углерода в растворе, газоанализатор ГХП-1, пипетки, колбы Эрленмейера.

При выполнении этой работы исходным реагентом служит аммонизированный рассол, который содержит 250-260 г/л NaCl и 35-90 г/л NH₃. Исходный раствор анализируют на содержание этих компонентов и подвергают карбонизации на установке, схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для карбонизации аммиачно-солевого раствора:

1 – буферные склянки; 2 – гидрозатворы; 3, 7 – реометры; 4 – смеситель; 5 – кран; 6, 12 – тройник с краном; 8 – карбонизатор; 9 – термометр; 10 – ситчатый колпачок; 11 – отросток для отбора проб.

Газ с заданным содержанием СО₂ (35-80%) получают смешением воздуха, подаваемого воздуходувкой, и диоксида углерода, подаваемого из баллона. Оба газовых компонента перед смешением проходят через буферные склянки и реометры для замера расхода воздуха и расхода СО₂. Чтобы подача газов осуществлялась равномерно без толчков, к линии присоединены уравнительные трубки-гидрозатворы. Смешение воздуха и двуокиси углерода производится в смесителе, а отбор газовой смеси на анализ – при помощи тройника с краном.

Газовую смесь, состав которой точно устанавливается анализом, через реометр, замеряющий ее расход, подают в карбонизатор. Карбонизатором на лабораторной установке служит стеклянный круглодонный цилиндр диаметром 50-60 мм и высотой 300-400 мм. Газ подают в карбонизатор через ситчатый колпачок, в котором газ дробится на пузырьки. В верхней части карбонизатора имеется отросток для отбора проб жидкости на анализ. Однако для этой цели можно воспользоваться отверстием, через которое пропущен термометр, периодически вынимая его. Газ из карбонизатора, содержащий некоторые количества CO₂ И NH₃, отводят в вытяжной шкаф и выбрасывают в атмосферу. Отбор отходящего газа на анализ производится при помощи тройника.

Для проведения опыта в карбонизатор заливают 250-300 см³ аммонизированного рассола заданного состава, (анализируется студентом) и затем готовят газовую смесь также заданного состава. Для этого рассчитывают необходимый расход воздуха и диоксида углерода и устанавливают по реометрам, учитывая, что общий расход газовой смеси должен составлять 30-40 л/ч. Концентрацию CO₂ в газе точно устанавливают при помощи газоанализатора ГХП-1 с одной поглотительной трубкой, заполненной раствором КОН. В период подготовки и корректировки газовой смеси газ выпускают в атмосферу при помощи тройника при закрытом кране. При достижении заданного содержания CO₂ в газе в газе начинают подачу его в карбонизатор, открыв кран и проверив предварительно герметичность установки. Общую скорость пропускания газа устанавливают согласно заданию по реометру. С момента начала карбонизации (подачи газа в карбонизатор производят через определенные промежутки времени (30-40 мин) отбор проб жидкости на анализ. В жидкости определяют общее содержание аммиака, свободного и полусвязанного аммиака и CO₂.

Карбонизацию продолжают в течение заданного периода времени (3-4 ч), или до тех пор, пока состав жидкости не будет соответствовать составу карбонизованного раствора по производственным данным, т. е. содержание свободного и полусвязанного аммиака должно составлять около 22 г/л NH₃, общее содержание аммиака – около 80 г/л NH₃, а содержание CO₂ – около 77 г/л. По окончании карбонизации в жидкости вновь определяют общий аммиак, CO₂, а также содержание ионов хлора. Для этого отфильтровывают бикарбонат натрия на воронке Бюхнера при помощи водоструйного насоса, промывают осадок насыщенным раствором NaHCO₃, обезвоживают спиртом, насыщенным NaHCO₃, сушат при 40-50 °С до постоянной массы и взвешивают.