книги / Общая химическая технология. Лабораторный практикум

3.Экспериментальная часть Химические реактивы

1.Аммиачная вода.

2.Хлорид натрия.

3.Индикатор – метиловый оранжевый.

4.0,1 или 1 н раствор НСl.

5.0,1 н раствор NaOH.

Приготовление аммонизированного рассола

Для проведения процесса карбонизации необходим аммонизированный раствор хлорида натрия состава 250–300 г/л NaCl и 80–90 г/л NH3. Аммиак вводят в раствор в виде аммиачной воды. Расчет количества аммиака проводят согласно основному уравнению реакции и содержанию хлорида натрия в исходном растворе. При этом необходимо учитывать концентрацию аммиака в аммиачной воде и плотность раствора аммиачной воды.

Методика обработки экспериментальных данных

Определение свободного и полусвязанного аммиака по ме-

тоду прямого титрования. Метод заключается в титровании пробы анализируемой жидкости сильной кислотой в присутствии метилового оранжевого. При этом свободный и полусвязанный аммиак нейтрализуется кислотой по реакциям:

NH4OH HCl NH4Cl H2O,

NH4HCO3 HCl NH4Cl H2O CO2, (NH4)2CO3 + 2HCl 2NH4Cl H2O CO2.

41

Для анализа 1 см3 анализируемой жидкости отбирают пипеткой в заранее приготовленную коническую колбу с 40–50 см3 дистиллированной воды и 2–3 каплями метилового оранжевого и титруют 0,1 или 1 н раствором НСl (до перехода желтой окраски в розовую).

Содержание свободного и полусвязанного аммиака в растворе (г/л) вычисляют по формуле

где – количество кислоты, пошедшее на титрование, см3; 0,017 – количество NH3, соответствующее 1 см3 0,1 н раствора кислоты, г; N – нормальность раствора кислоты; а – аликвота пробы, см3.

Определение общего содержания аммиака по методу об-

ратного титрования. Метод заключается в обработке пробы раствора, в которой перед этим определялся прямой титр, избытком титрованного раствора сильного основания, например NaOH, в результате чего связанный аммиак переходит в свободный по реакциям:

NH4Cl NaOH NaCl NH4OH,

NH4 2 CO3 NaOH Na2CO3 NH4OH.

После отгонки свободного аммиака из раствора кипячением непрореагировавший избыток сильного основания титруют кислотой.

Нейтральный раствор, полученный после предыдущего определения прямого титра (из 1 см3 анализируемого раствора), разбавляют дистиллированной водой до примерно 100 см3 и прибавляют 50 см3 титрованного 0,1 н раствора NaOH. После этого раствор кипятят до исчезновения запаха аммиака и затем оттитровывают избыток раствора едкого натра 0,1 н раствором НС1 в присутствии метилового оранжевого.

42

Содержание NH3oбщ (г/л) составляет:

(50 ) 0,017 1000 NH3общ ,

где – количество 1 н раствора НСl, пошедшее на титрование, см3; а – аликвота пробы, см3.

Определение диоксида углерода в растворе газообъемным методом. При определении диоксида углерода по этому методу определенный объем анализируемого раствора обрабатывают 10%-ным раствором серной кислоты и измеряют объем выделившегося диоксида углерода.

Схема установки для анализа раствора на содержание диоксида углерода представлена на рис. 2.

Реакционный сосуд 5 – это коническая колба, в которую помещают точно отобранную пипеткой пробу жидкости в количестве 1–2 мл. Реакционный сосуд соединен с измерительной бюреткой, в которой измеряется объем выделившегося диоксида углерода. Компенсационная трубка 2 и уравнительная склянка 1 заполнены насыщенным раствором хлорида натрия, в который добавлено несколько капель кислоты и метилового оранжевого.

Рис. 2. Установка для определения содержания диоксида углерода в растворе: 1 – уравнительная склянка; 2 – компенсационная трубка; 3 – бюретка; 4 – трехходовой кран; 5 – реакционный сосуд;

6 – стаканчик

43

Подача кислоты для разложения пробы осуществляется из пробирки с отверстиями. Колбу закрывают пробкой, сообщают ее при помощи крана с измерительной бюреткой и встряхивают таким образом, чтобы кислота вылилась из пробирки и смешалась с пробой раствора. Для полноты разложения необходимо колбу встряхивать несколько раз. Образующийся при этом диоксид углерода переходит в измерительную бюретку. Окончание реакции фиксируется визуально – по установлению постоянного уровня жидкости в бюретке 3.

4.Обработка результатов

1.Пересчитать объем выделившегося диоксида углеро-

да (V) на объем сухого газа (V0) при 0 °С и 760 мм рт. ст. по формуле

где V – объем выделившегося диоксида углерода, мл; P – барометрическое давление при измеренной температуре, мм рт. ст.; р– давление паров воды при измеренной температуре, мм рт. ст.; 760 – нормальное давление, мм рт. ст.; t – температура, °С.

2. Рассчитать содержание диоксида углерода (GCO2 (г/л)) по формуле:

где n – объем анализируемой жидкости, мл.

Значения давления паров воды над насыщенным раствором хлорида натрия для различных температур берут из справочной литературы.

3. Вычислить степень карбонизации раствора К (%) как отношение количества диоксида углерода в карбонизован-

44

ном растворе (г/л) к содержанию аммиака в исходном растворе (г/л):

К [CO2]:[NH3] 100

Степень использования аммиака определяют по формуле

где [NH3]cв – содержание связанного аммиака в растворе, г-экв/л; [NH3]общ – содержание общего аммиака в растворе,

г-экв/л.

Для расчета степени использования аммиака по указанной формуле в нее подставляют данные анализа по содержанию связанного и общего аммиака в растворе.

4. Полученные экспериментальные данные заносят в таблицу.

Результаты лабораторной работы

5.Полученные данные необходимо представить в виде графической зависимости степени карбонизации (К) от продолжительности процесса и дать теоретическое объяснение полученным результатам.

6.Сделать вывод о влиянии времени, состава газа и температуры на степень карбонизации аммиачно-солевого раствора.

45

Контрольные вопросы

1.Из каких основных стадий складывается аммиачный способ производства соды? Составьте уравнения соответствующих реакций.

2.Дайте характеристику стадии карбонизации как основной стадии аммиачно-содового производства.

3.От каких факторов зависит состояние равновесия процесса карбонизации и равновесная степень превращения хлорида натрия в гидрокарбонат натрия?

4.От каких факторов зависит скорость процесса карбони-

зации?

5.Понятие «движущая сила процесса». Как определятся движущая сила процесса карбонизации?

6.Понятие «поверхность раздела фаз». Чем она создается

влабораторной работе?

7.Как зависит движущая сила процесса карбонизации от температуры?

8.Что означает понятие «насыщенный раствор», почему

впроцессе карбонизации выпадают кристаллы?

9.Как определить степень карбонизации и прямой титр процесса?

Список литературы

1.Общая химическая технология / под ред. А.Г. Амели-

на. – М.: Химия, 1977. – 400 с.

2.Шокин И.Н., Крашенинников С.А. Технология соды. –

М.: Химия, 1975. – 286 с.

3.Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. – 3-е изд., перераб. – М.: Академкнига, 2007. – 527 с.

4.Практикум по общей химической технологии / И.П. Мухленов [и др.]. – М.: Высшая школа, 1973. – 421 с.

5.Производство соды / И.Д. Зайцев [и др.]. – М.: Химия, 1986. – 312 с.

46

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Цель работы

Определение гранулометрического состава дисперсных материалов.

2.Теоретические сведения

Вхимической технологии широко применяют тонкораздробленные сырьевые материалы. Дробление и размол твердого сырья является важной операцией при обогащении руд, а также

вразличных процессах переработки.

Используемые в химической технологии вещества чаще всего являются полидисперсными, т.е. состоят из частиц различного размера. Гранулометрический состав материала представляет собой процентное содержание частиц различного размера в общей зернистой массе.

От гранулометрического состава существенно зависят такие показатели, как слеживаемость, смерзаемость, сыпучесть, гигроскопичность, термическая устойчивость и др. Скорость химического взаимодействия в системе «твердое – газ» и «твердое – жидкость» во многом определяется дисперсностью твердого реагента. От гранулометрического состава твердой фазы зависят скорость отстаивания суспензий, скорость фильтрации, влажность получаемого продукта, загрязненность его примесями раствора и т.д.

Методы определения дисперсных характеристик зернистых материалов основаны как на прямых измерениях размеров частиц, так и на косвенных данных. К прямым измерениям

47

относятся метод микроскопии и ситовой анализ, к косвенным – седиментационный анализ, метод, основанный на измерении светорассеяния, фотоимпульсный, лазерный метод и др.

Одним из самых распространенных и простых методов определения гранулометрического состава является ситовой метод. С его помощью определяют распределение частиц по размерам крупностью более 40 мкм. Определенная навеска зернистого материала просеивается через набор сит с разными размерами отверстий. В результате получают ряд фракций, массовая доля которых и характеризует гранулометрический состав продукта. Каждое сито стандартного набора имеет свой определяющий размер ячейки. Под размером отверстия сита обычно понимают длину квадратной ячейки или диаметр круглого отверстия. Эти размеры располагаются таким образом, чтобы соотношение линейных размеров отверстий каждого предыдущего сита к последующему, называемое модулем, оставалось величиной постоянной. Например, широко распро-

странены стандартные системы сит с модулем 2 1,414.

Ситовому анализу подвергается предварительно высушенный материал, из которого методом квартования отбирается средняя проба. Из этой пробы берется навеска, количество которой зависит от дисперсности материала.

Рассев порошкообразных материалов можно осуществлять механическим и ручным способами.

Механический рассев производят с помощью машин, создающих:

•вращательное и колебательное движение сит в горизонтальной плоскости;

•качание в плоскости сит;

•вибрацию;

•движение сит по сложной траектории.

Ручной просев:

• тряской и поколачиванием (наиболее распространен для большинства материалов);

48

•при помощи кисточек (для очень тонкой слипающейся

пыли);

•мокрый рассев (для определения гранулометрического состава твердой фазы в солевых растворах).

Время чистого просева зависит от плотности материала, размера и формы зерен, от объема пробы, интенсивности движения сит, влажности воздуха. Продолжительность просева для каждого зернистого материала устанавливается экспериментально. Просев может считаться законченным, если через сито начинает проходить очень малое количество материала. Остаток на сите уменьшается не более чем на 0,2 % в течение 2 мин.

Для хорошо просеивающихся порошков рекомендуется следующее время чистого просева: 20–30 мин при размере отверстий сита 0,04–0,063 мм; 10–20 мин при отверстиях 0,071–0,16 мм; 5–10 мин при отверстии более 0,16 мм.

Пропустив исследуемый материал через набор сит, определяют массу фракции на каждом сите и в поддоне. Суммированием массы всех фракций рассчитывают процентное содержание каждой фракции. Потери материала при рассеивании не должны превышать 2 % от первоначальной навески.

Вкаждой фракции порошка имеются частицы, размер которых находится в интервале размеров отверстий двух соседних сит. Через верхнее сито частицы проходят, а на нижнем – задерживаются. Для каждой выделенной фракции порошка определяют средний размер зерен как среднее арифметическое между размерами отверстий двух соседних сит.

Зависимость процентного содержания каждой фракции от среднего размера частиц этих фракций является дифференциальной характеристикой зернистого материала. По результатам распределения частиц по размерам рассчитывают долю частиц, оставшихся на сите данного размера и прошедших через сито данного размера. В качестве примера в табл. 1 приведены результаты ситового анализа одной из неорганических солей.

49

Таблица 1 Гранулометрический состав кристаллов неорганической соли

Данные о распределении кристаллов по размерам могут быть представлены графически. Графическое изображение результатов делает их более наглядными и позволяет выполнить простейшие инженерные расчеты. При графическом изображении на оси абсцисс обычно откладывают средний размер частиц (dср, мм) или размер сита (d, мм), а на оси ординат – значения функций распределения (рис. 1).

50