Лабораторный практикум по химической технологии неорганических веще

Практическая часть

Расчет состава и приготовление шихты

Для исследования можно использовать два вида шихты: Cr2O3 + сода + наполнитель и хромит + сода + наполнитель.

При расчете задают содержание в шихте Cr2O3 в массовых долях. Допустим, содержание Cr2O3 в шихте γ = 0,15 мас.долей. При использовании первого вида шихты рассчитывают количество компонентов шихты на 1 г Cr2O3.

Согласно уравнению реакции (1), следует брать стехиометрическое количество соды, тогда на 1 г Cr2O3 требуется 1,395 г Na2CO3. Количество наполнителя а определяют из следующего уравнения:

γ =	1	.
	1+1,395 + a

При заданном содержании Cr2O3 количество наполнителя, найденное из уравнения, составит 4,272 г. Исходя из приведенного расчета, получают количество шихты: 1 + 1,395 + + 4,272 = 6,662 г.

Аналогично рассчитывают состав шихты, содержащей хромитовую руду с известной концентрацией в ней Cr2O3 С, %. При этом используют уравнение

γ =	1	.
	1+1,395 0,01 C + a

Если проводить процесс с учетом фактической степени окисления хромита, то необходимое количество соды рассчитывают с использованием коэффициента β (0,87–0,95). Поэтому приведенная выше формула изменится:

γ =	1	.
	1+1,395 β 0,01 C + a

Определив необходимое для исследования количество шихты заданного состава, взвешивают каждый компонент на анали-

61

тических весах. Все компоненты шихты тщательно смешивают в фарфоровой ступке.

Схема установки и порядок выполнения работы

Окисление шихты осуществляют в электрической горизонтальной трубчатой лабораторной печи в потоке воздуха или кислорода. Схема лабораторной установки приведена на рисунке.

Рис. Схема лабораторной установки: 1 – осушитель воздуха; 2 – реометр; 3 – трубчатая печь; 4 – поглотительная склянка

Навеску шихты 2–2,5 г, взвешенную на аналитических весах, в фарфоровой лодочке помещают в предварительно нагретую до нужной температуры печь. Устанавливают по реометру требуемый расход газа-окислителя. Лодочку выдерживают в печи при постоянной температуре заданное время.

По окончании опыта лодочку переносят в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры. Затем взвешивают на аналитических весах для определения массы полученного плава.

Содержимое лодочки извлекают, помещают в фарфоровую ступку и тщательно растирают. После чего на аналитических весах взвешивают навеску (1–1,5 г) обожженной шихты и берут ее на анализ.

Методика анализа обожженной шихты

В стакан емкостью 200 мл наливают 100 мл дистиллированной воды, закрывают часовым стеклом и нагревают на электроплитке. Затем в стакан переносят навеску обожженной шихты,

62

раствор доводят до кипения и кипятят в течение 15 мин. После этого раствор охлаждают до комнатной температуры, добавляют 20 мл Н2SО4 (1:1) для растворения кислоторастворимых хроматов.

Далее раствор подкисляют серной кислотой (1:1) до тех пор, пока он не изменит желтую окраску на ярко-оранжевую с целью перевода монохромата в бихромат по реакции:

2Na2CrO4 + H2SO4 = Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O.

Полученный раствор фильтруют в мерную колбу емкостью 250 мл, осадок 4–5 раз промывают горячей водой и выбрасывают. Охлажденный раствор доводят в мерной колбе водой до метки. На титрование двух параллельных проб берут 2 аликвоты фильтрата пипеткой 20 мл в конические колбы емкостью 250 мл, прибавляют 10 мл серной кислоты (1:1), разбавляют водой (50 мл). В качестве индикатора используют фенилантраниловую кислоту (6–8 капель). Появляется вишневое окрашивание, характерное для фенилантраниловой кислоты в присутствии окислителя – бихромата натрия. Титруют 0,1 N раствором FeSO4 до появления зеленой окраски.

В процессе титрования происходит окислительновосстановительная реакция:

Na2Cr26+O7 + 6Fe2+SO4 + 7H2SO4 =

= Cr23+(SO4)3 + 3Fe23+(SO4)3 + Na2SO4 + 7H2O.

По результатам анализа рассчитывают содержание хромата натрия в плаве после обжига z, %:

z = 0,0054 N K V 250 100 , g 20

где 0,0054 – количество Na2CrO4, соответствующее 1 мл 0,1 N раствора FeSO4, г; N – нормальность раствора FeSO4; K – коэффициент поправки; V – объем раствора FeSO4, пошедший на титрование, мл; g – навеска шихты, взятая на анализ, г.

63

По результатам титрования двух проб находят среднее содержание Na2CrO4 в шихте.

Расчет степени окисления шихты

Степень окисления α – это отношение количества Na2CrO4, образовавшегося в течение опыта y, к количеству Na2CrO4, которое должно получиться при полном окислении Cr2O3, имеющегося в шихте x, т.е.

α = (y/ x)·100 %.

Количество Na2CrO4, образовавшегося при окислении хромитовой шихты, г:

y = (z /100)·G2,

где z – содержание Na2CrO4 в обожженной шихте, %; G2 – вес обожженной шихты после опыта, г.

Согласно уравнению реакции (1), из 1 г Cr2O3 должно полу-

читься (324 : 152) = 2,13 г Na2CrO4.

Теоретически возможное количество хромата натрия, получаемое при полном окислении шихты:

x = 2,13 γ G1,

где γ – содержание Cr2O3 в шихте, мас. доли; G1 – навеска шихты, взятая для обжига, г.

Оформление отчета

Отчет по исследовательской работе должен включать в себя краткое описание теории изучаемого процесса, схему лабораторной установки и ее характеристику, расчеты по результатам анализов. Полученные экспериментальные данные свести в таблицу:

64

Результаты эксперимента

Но-	Усло-	Навеска	Навеска	Содержа-	Степень	Степень
мер	вия	шихты, г	шихты	ние	окисления	окисления
опы-	опыта		на анализ	Na2CrO4	α, %	теорет., %
тов			g, г	после опы-
				та β, %
		ДоопытаG1
		После
		опыта G2

Отчет заканчивается выводами и рекомендациями.

Список литературы

1.Авербух Т.Д., Павлов П.Г. Технология соединений хрома. –

М.: Химия, 1973. – 376 с.

2.Ткачев К.В., Середа Б.П. Химия, технология и применение соединений хрома и сульфидных солей // Материалы Всесоюз. совещ. по перспективам развития хром. соединений и сернистого натрия / Урал. науч.-исслед. хим. ин-т. – Новотроицк, 1975.

Работа 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДИАБАТИЧЕСКОЙ АБСОРБЦИИ ХЛОРОВОДОРОДА

Цель работы – изучение процесса получения соляной кислоты из хлороводорода без охлаждения абсорбера.

Теоретическая часть

Растворение хлороводорода в воде – это процесс гидратации молекул хлороводорода и перевод их в ионное состояние в растворе соляной кислоты. Подобно химической реакции этот процесс сопровождается большим выделением тепла и, следовательно, повышением температуры образующейся соляной кислоты. При больших объемах абсорбируемого газа и небольших тепловых потерях количества выделяющегося тепла достаточно для

65

нагревания раствора до температуры кипения. Так как хлороводород существует в жидкой фазе в виде практически нелетучих ионов, то в разбавленных растворах соляной кислоты более летучим компонентом является вода. За счет теплоты абсорбции происходит кипение разбавленных растворов соляной кислоты, испарение воды и концентрирование до образования азеотропной смеси, содержащей 20,24 % НС1 при атмосферном давлении.

В лабораторных условиях при небольших объемах абсорбируемого газа и сравнительно высоких потерях тепла в окружающую среду абсорбер невозможно нагреть за счет тепла абсорбции до температур, близких ктемпературе кипения. Однако в начальный период абсорбции, когда скорость процесса велика и хлороводород поглощается водой практически полностью, происходит заметное повышение температуры образующейся соляной кислоты. С течением времени абсорбции концентрация соляной кислоты возрастает, а приросттемпературы растворапостепенно снижается.

Для каждой температуры существует определенная равновесная (максимальная) концентрация соляной кислоты, которая зависит от состава абсорбируемого газа. В результате длительного процесса абсорбции система приходит в состояние равновесия, и концентрация соляной кислоты, достигнув максимального значения, становится постоянной. При ограниченном времени абсорбции равновесная концентрация не достигается.

Максимально возможная концентрация кислоты будет увеличиваться с понижением температуры абсорбции, так как растворимость хлороводорода в воде возрастает. Следовательно, для получения более концентрированной кислоты благоприятно охлаждение абсорбера для отвода тепла, выделяющегося в процессе хемосорбции. На этом принципе основана работа промышленных установок, использующих вкачестве хладоагента оборотнуюводу.

Снижение концентрации хлороводорода в газе отрицательно сказывается на качестве соляной кислоты. Для получения концентрированной кислоты необходимо высокое содержание хлороводорода в абсорбируемом газе.

66

Концентрация хлороводорода в газе зависит от способа его получения. В лабораторных условиях получение газа осуществляют путем разложения поваренной соли концентрированной серной кислотой.

При использовании в качестве реагента 93%-ной серной кислоты теоретически в составе газа должно находиться 83 об.%

НС1 и 17 об.% Н2О [1].

Показателем интенсивности процесса является величина движущей силы абсорбции:

∆Р = РHCl – РHCl* ,

где РHCl – парциальное давление хлороводорода в газе, поступающем на абсорбцию; РHCl* – равновесное давление хлороводо-

рода над абсорбирующим раствором соляной кислоты.

При повышении концентрации раствора соляной кислоты и температуры увеличивается равновесное давление РHCl* , что

приводит к снижению скорости абсорбции в результате уменьшения движущей силы.

Влияние температуры абсорбции и концентрации раствора (мас.%) на равновесное давление хлороводорода над соляной кислотой показано на рис. 1.

По данным рис. 1 можно определить равновесное давление хлороводорода ( РHCl* , мм рт.ст.) при любых условиях абсорбции, а затем рассчитать движущую силу процесса. В начальный момент абсорбции хлороводорода водой РHCl* = 0, а ∆Р = РHCl, т.е.

движущая сила максимальна.

Допустим, на абсорбцию подается хлороводород с концентрацией 80 об.% При барометрическом давлении 747 мм рт.ст. пар-

циальное давление НС1 составит РHCl = 747 · 0,8 = 597,6 мм рт.ст. Этой величине будет равна начальная движущая сила абсорбции

хлороводорода водой. При протекании процесса абсорбции с течением времени будет изменяться температура и возрастать концентрация образующейся соляной кислоты, что приведет к уменьшению движущей силы процесса.

67

Рис. 1. Зависимость равновесного давления HCl от температуры и концентрации соляной кислоты

При экспериментальном исследовании процесса абсорбции хлороводорода водой в различные промежутки времени измеряют температуру раствора и отбирают пробы кислоты для определения концентрации НС1. Полученные данные позволяют определить равновесное давление НС1 над раствором в момент отбора пробы.

Например, при температуре 70 °С концентрация соляной кислоты равна 13 %. По рис. 1 равновесное давление НС1 над этой

кислотой РHCl* = 1 мм рт.ст. При использовании газа, содержаще-

го 80 об.% НС1, парциальное давление, как рассчитано выше, составит РHCl = 596,7 мм рт.ст., а отсюда может быть найдена

68

движущая сила ∆Р = 596,7 – 1 = 595,7 мм рт.ст. или в пересчете на систему СИ ∆Р = 595,7·133,3 = 79406,8 Па.

Практическая часть

Схема установки и порядок проведения работы

Схема лабораторной установки для получения и абсорбции хлороводорода приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 – воронка с серной кислотой; 2 – кран для регулирования расхода кислоты; 3 – реакционная колба с поваренной солью для получения хлороводорода; 4 – колбонагреватель; 5 – кран; 6 – колба с раствором NaOH для утилизации избыточного HCl; 7 – кран; 8 – реометр; 9 – брызгоуловитель; 10 – осушитель; 11 – термометр; 12 – барботер; 13 – абсорбер; 14 – кран для отбора проб соляной кислоты; 15 – бюкс-пробоотборник; 16 – холодильник; 17 – кран; 18 – стакан; 19 – колба с раствором NaO; 20 – резиновые муфты

Вколбу 3 загружают поваренную соль и устанавливают

вколбонагреватель. В воронку 1 наливают концентрированную 93%-ную серную кислоту. Опыт начинают с прогрева соли, а затем равномерно по каплям в разогретую соль подают серную кислоту. Происходит химическая реакция

2 NaCl + H2SO4 = 2 HCl + Na2SO4 – Q.

69

Выделяющийся при реакции хлористый водород равномерно подают через кран 7 и реометр 8 в абсорбер 13, в который предварительно наливают 80 мл воды. Постоянный расход хлороводорода задается преподавателем. Регулирование расхода выделяющегося хлороводорода осуществляется изменением подачи серной кислоты краном 2. Излишки газа могут отводиться с помощью крана 5 в колбу 6. Перед началом опыта кран 7 должен быть открыт, а кран 5 закрыт.

Газ из реометра 8 с постоянной скоростью проходит брызгоуловитель 9 и осушитель 10, а затем через отверстия барботера 12 поступает в абсорбер.

Холодильник 16 предназначен для конденсации водяного пара и охлаждается холодной водой из водопровода. В коническую колбу 19 наливают раствор едкого натра для нейтрализации неабсорбированного хлороводорода.

Стакан 9 служит для сбора первой порции конденсата. В коническую колбу 10 наливают раствор едкого натра для нейтрализации неабсорбированного хлороводорода. Эту колбу вначале устанавливают на подставку так, чтобы резиновый шланг 11 был направлен вверх, при этом конденсат из холодильника стекает в стакан 9 и не попадает в колбу 10.

В начале опыта записывают температуру воды в абсорбере, которая контролируется термометром 11. Первые порции хлороводорода будут постепенно заполнять систему и вытеснять воздух из установки. Нерастворяющийся в воде воздух будет барботировать через слой жидкости в виде крупных пузырьков. Как только хлороводород начнет поступать в абсорбер, барботаж прекратится вследствие полного поглощения хлороводорода водой непосредственно на выходе из барботера. В этот момент отмечают начало опыта. Далее, поддерживая постоянный расход хлороводорода, проводят в течение заданного времени процесс абсорбции и отбор проб соляной кислоты из абсорбера в приготовленные бюксы с крышками. Режим отбора и количество отобранных проб задается преподавателем.

70