Опис схеми установки

Процес карбонізації амонізованого розсолу відбувається на установці (рисунок 4.1), що включає карбонізаційну колонку (поз.4), яка працює у барботажному режимі, котрий забезпечується рівномірною подачею оксиду вуглецю (IV) із балона (поз. 1) через барботер (поз. 5). Витрату газу регулюють вентилем (поз. 2) на редукторі (поз. 3).

Бризки розсолу, що відносяться потоком газу, ловлять уловлювачем (поз. 6), не поглинений розчином газ викидається до витяжної шафи.

 

1 - балон; 2 - вентиль; 3 - редуктор; 4 - карбонізаційна колонка;

5 - барботер; 6 – уловлювач

Рисунок 4.1 - Схема лабораторної установки.

4.2.2 Аналіз проби технічного хлориду натрію (метод Мора)

Розрахувати наважку проби NaCl для приготування 250 см³ розчину з молярною концентрацією С(NaCl) = 0,05 моль/дм³:

г,

де 250 – об’єм колби, см³; 0,05 – концентрація NaCl, моль/дм³; 58,5 – молярна маса NaCl г/моль.

Зважену на аналітичних терезах наважку проби солі перенести в мірну колбу на 250 см³, ретельно перемішати, довести до позначки дистильованою водою, відібрати піпеткою аліквоту 5 см³ і титрувати за методом Мора розчином нітрату срібла з молярною концентрацією еквівалента С(AgNO₃) = 0,05 моль/дм³ в присутності індикатора (розчину K₂CrO₄) до появи оранжевого забарвлення. Титрування протікає за схемою:

; (4.9)

. (4.10)

Вміст NaCl в пробі визначають за формулою:

, (4.11)

де – об’єм нітрату срібла, що пішов на титрування, см³; – молярна концентрація еквівалента нітрату срібла, моль/дм³; 58,5 – молярна маса NaCl, г/моль; 250 – об’єм колби, см³; 5 – об’єм аліквоти, см³; – маса наважки технічного хлориду натрію (увага! в даному розрахунку треба використовувати масу реальної наважки, а не розрахованої вище).

4.2.3 Аналіз аміачної води (водного розчину аміаку)

Отримати у викладача завдання, де вказується номер проби технічного NaCl і аміачної води.

Для аналізу аміачної води треба відібрати із вказаної проби 10 см³ (піпеткою) аміачної води - Vp. Пробу відбирати обов’язково у витяжній шафі і за допомогою пробовідбірника. В мірну колбу місткістю 250 см³ (Vк) перенести 100 см³ дистильованої води, 10 см³ досліджуваної проби аміачної води, довести вміст колби дистильованою водою до мітки, закрити пробкою, перемішати. Вміст аміаку визначають прямим титруванням розчином хлоридної (соляної) кислоти. Піпеткою відбирають 25 см³ приготованого розчину (аліквота Va), переносять до конічної колби
(V = 250 см³), додають 2÷3 краплі індикатора метилоранжу і титрують 1 М (моль/дм³) розчином хлоридної кислоти при безперервному перемішуванні до переходу забарвлення розчину із жовтого до рожевого. Вміст аміаку (C_NH3) визначають із виразу, г/дм³:

(4.12)

де V_HCl - об’єм хлоридної кислоти, що знадобився на титрування (замірювання за бюреткою), см³; С_HCl - концентрація HCl - 1 М (1 моль/дм³); Vк – об’єм мірної колби, см³; Е - молярна маса еквіваленту аміаку, г/моль, Е=17; Va – об’єм аліквоти, см³; Vp - об’єм проби (нерозбавленого розчину аміачної води), см³.

Приклад розрахунку. На титрування визначеної проби аміаку пішло 12,5 см³ (V_HCl) 1 М соляної кислоти, тоді:

г/дм³.

4.2.4 Приготування амонізованого розсолу заданої концентрації

Завдання. Приготувати 100 см³ (V) амонізованого розсолу з вмістом NaCl у розчині C_NaCl = 230 ÷ 260 г/дм³ (за завданням викладача). Проба NaCl № 1: вміст NaCl у даній технічній пробі солі становить 95% мас. Співвідношення NH₃ : NaCl = (1,1 - 1,2):1.

А) Приклад розрахунку кількості технічної солі NaCl.

Для приготування V = 100 см³ розсолу з концентрацією C_NaCl - 240 г/дм³ і з вмістом NaCl () у пробі солі 95% мас. (0,95 мас. частки) необхідно:

г.

Б) Приклад розрахунку кількості аміачної води.

Приготування розсолу із співвідношенням NH₃:NaCl = 1,2 : 1.

У 100 см³ розcолу міститься 100%-го NH₃:

=г;

з урахуванням відомої концентрації аміаку в аміачній воді, об’єм аміачної води становитиме:

см³,

де 17 і 58,5 - молярні маси еквівалентів NH₃ і NaCl, відповідно; 1,2 - надлишок NH₃ від стехіометрії реакції (4.1).

В) Порядок приготування розсолу.

На технічних терезах зважують розраховану кількість проби технічної солі NaCl. У мірну колбу місткістю 100 см³ через суху лійку переносять невеликими порціями зважену сіль, слідкуючи за тим, щоб не забився носик лійки. Під витяжкою відміряють циліндром розраховану кількість вихідної проби аміачної води і повільно доливають у колбу, де знаходиться NaCl (працювати у витяжній шафі!). Потім вміст колби доводять дистильованою водою до мітки. Колбу закривають пробкою і ретельно і обережно перемішують. Розсолу дають відстоятися на протязі 5÷10 хв.

4.2.5 Визначення NаCl в амонізованому розсолі

5 см³ амонізованого розсолу (V_розс) під витяжкою переносять в мірну колбу місткістю 250 см³ (V_кол) і розбавляють дистильованою водою до половини об’єму. Потім доводять до мітки (поза витяжкою).

Відбирають піпеткою 5 см³ приготованого розчину (V_ал) в конічну колбу об’ємом до 100 см³. На титрувальному стенді підкислюють пробу нітратною (азотною) кислотою (5 см³, концентрація 2 моль/дм³ - 2 М), додають індикатор - 2÷3 см³ залізо-амонійного галуну [FeSO₄·(NH₄)₂SO₄]. Ретельно перемішуючи додають точно (із бюретки) 10 см³ розчину AgNO₃ (V_AgNO3) концентрацією 0,05 M, після чого титрують розчином роданіду амонію NH₄CNS концентрацією 0,05 M до появи червоно-бурого забарвлення (V_NH4CNS).

Маса NаClу приготованому розсолі (V = 100 см³), г:

(4.13)

4.2.6 Карбонізація амонізованого розсолу

Після відстоювання із колби з розсолом (Увага! Не використовувати розчини, що готуються для аналізу згідно 4.2.2 і 4.2.3!) під витяжною шафою відміряють циліндром 80 см³ рідини (V_rid) і заливають у карбонізаційну колонку. Відкривають вентиль балону і через барботер рівномірно пропускають оксид вуглецю (IV). Карбонізацію продовжують до випадання осаду гідрокарбонату натрію у всьому об’ємі розчину.

4.2.7 Фільтрування суспензії гідрокарбонату натрію

Осад гідрокарбонату натрію відділяють від фільтрату на лійці Бюхнера. Колонку промивають фільтровою рідиною і промивають нею осад на фільтрі. Вологий осад гідрокарбонату натрію віджимають фільтрувальним папером, зважують на технічних терезах – G, г.

4.2.8 Визначення вмісту NaHCO₃ в отриманому осаді

На технічних терезах зважують 2 ÷ 3 г вологого осаду NaHCO₃ (), переносять до конічної колби для титрування (V = 250 см³), додають 80 ÷ 100 см³ дистильованої води та 1÷2 краплі індикатора метилоранжу і титрують 1 М (1 моль/дм³) розчином HCl при інтенсивному перемішуванні до переходу забарвлення розчину з жовтого до рожевого.

Вміст NaHCO₃ в отриманому осаді розраховують за формулою, %мас.:

(4.14)

де - об’єм розчину НCl з молярною концентрацією С_HCl = 1 моль/дм³, що витрачено на титрування наважки осаду, cм³; - молярна маса еквівалента NaHCO₃, що дорівнює 84 г/моль; - маса осаду, який взято для титрування, г.

Наприклад, на титрування 2,2 г () осаду гідрокарбонату натрію знадобилося 17,7 см³ розчину хлоридної кислоти з молярною концентрацією еквіваленту 1 моль/дм³, тоді:

загальна кількість NaHCO₃ у осаді становитиме, г:

.

4.2.9 Результати хімічного аналізу

В процесі виконання роботи заповнити наступну таблицю.

Таблиця 4.1– Результати титрування

№	пункт	Реагент	V реагенту, см3	Показник, що визначається	Значення та розмірність
		Середнє
	4.2.2
	4.2.4
	4.2.7

4.3 Обробка і представлення результатів

За рівнянням (4.12) обчислити ступінь перетворення за натрієм, %:

(4.15)

де - загальна маса NaHCO₃ в отриманому осаді, г (п. 4.2.8); - молярні маси NaCl (58,5 г/моль) i NaHCO₃ (84 г/моль); - розрахована наважка хлориду натрію, необхідна для приготування 100 см³ амонізованого розсолу, г (п. 4.2.4, А), V_rid = 80 – об’єм розсолу, що відібрано на карбонізацію, см³ (п. 4.2.6) – за вказівкою викладача.

Ступінь перетворення аміаку розрахувати за рівнянням (4.6):

% (4.13)

де молярні маси NH₃ (17 г/моль) і NaHCO₃ (84 г/моль), - розрахована кількість 100%-го NH₃, потрібного для приготування 100 см³ амонізованого розсолу (п. 4.2.4, Б).

Зробити висновок щодо глибини використання вихідних
компонентів.

4.4 Техніка безпеки

1. Суворо дотримуватися правил роботи з кислотами, лугами, що викладені у загальній інструкції з техніки безпеки в хімічній лабораторії.

2. Усі роботи з концентрованою аміачною водою здійснювати тільки у витяжній шафі з використанням пробовідбірників.

3. При проведенні процесу карбонізації не залишати без догляду лабораторну установку.

4.5 Контрольні запитання

- Допуск до роботи.

1. Мета роботи. Техніка безпеки. Необхідність карбонізації аміачно-сольового розчину.

2. Схема лабораторної установки. Порядок виконання хімічних аналізів аміачної води, хлориду натрію і гідрокарбонату натрію.

- Захист роботи.

1. Послідовність перебігу хімічних реакцій процесу карбонізації аміачно-сольового розчину.

2. Рівняння швидкості абсорбції CO₂. Шляхи підвищення рушійної сили абсорбції.

3. Від яких параметрів залежить швидкість кристалізації NaHCO₃?

4. Що таке ступінь перетворення вихідної сировини (NaCl і NH₃)?

5. Як впливає спосіб подачі реагентів (прямотечія або протитечія) на величину рушійної сили процесу абсорбції?

 

5 Каталітичне окиснення оксиду сульфуру (IV)

Мета роботи: провести процес каталітичного окиснення оксиду

сульфуру (IV), виконати аналізи вихідного і кінцевого газів, розрахувати ступінь перетворення оксиду сульфуру (IV) до оксиду сульфуру (VI), інтенсивність процесу та питому продуктивність каталізатора.

5.1 Стислі теоретичні відомості

Виробництво сульфатної (сірчаної) кислоти контактним способом із сірчаного колчедану або елементарної сірки складається з таких стадій:

- отримання оксиду сульфуру (IV):

; (5.1)

; (5.2)

- очищення оксиду сульфуру (IV) від пилу, контактних отруювачів;

- каталітичне (контактне) окиснення оксиду сульфуру (IV):

; (5.3)

- абсорбція оксиду сульфуру (VI) 98,5%-вою кислотою з отримуванням олеуму (моногідрат, в якому розчинено S0₃ ):

. (5.4)

У промислових умовах на контактування (після очищення і сушки) надходить газова суміш, як правило, такого складу, об’ємні частки, %об.:

SO₂ : 7,5 ÷ 12,0; О₂ : 12,0 ÷ 6,75; SO₃ : до 0,5; решта азот.

Рівноважний ступінь перетворення Х_р за реакцією (5.3) за атмосферного тиску (101325 Па), для газової суміші складу, об’ємні частки, %, SO₂ – 10; О₂ – 11,5; N₂ – решта, має наступні значення залежно від температури:

t, °С
Хр, %	99,0	97,2	93,3	85,5	60,6

Таким чином, при температурах близько 673 К (400 °С) окиснення оксиду сульфуру (IV) може відбуватися практично повністю. При температурах більш як 873 К (600 °С) ступінь перетворення SO₂ стає недопустимо низькою для виробництва. Тому, з погляду повноти перетворення оксиду сульфуру (IV) на оксид сульфуру (VI), треба було б вибирати якомога більш низьку температуру. Однак для остаточного вибору температури процесу необхідно також враховувати і швидкість реакції. При температурі 673 К (400 °С) окиснення оксиду сульфуру (IV) відбувається з достатньою для виробництва швидкістю лише на платиновому каталізаторі, який має найвищу активність порівняно з іншими каталізаторами. Але цей каталізатор є найдорожчим і дуже чутливим до контактної отрути.

Нині у промисловості використовують ванадієві каталізатори (марок СВД; ІК-1-4; ІК-1-6; СВС; МВС; КД; УК-38; RHV-59 та ін.), температура запалювання яких становить 643÷683 К (370 ÷ 410 °С), а верхня температурна межа –873÷973 К (600 ÷ 700 °C) (при більш високій температурі каталізатори спікаються і термічно дезактивуються). Активною складовою цих каталізаторів є оксид ванадію V₂O₅.