Получение соляной кислоты

Атырауский институт нефти и газа                                                                                                

Лабораторные  работы по дисциплине «Общая химическая технология»

 кафедры  «Химическая технология». Преподавателя:  Букановой С.К.

Лабораторная  работа №1.

Получение соляной кислоты.

Цель  работы: Ознакомление с основными стадиями получения соляной кислоты, составление материального баланса процесса, определение выходов продуктов и расходных коэффициентов по сырью.

Общие сведения:

Соляная кислота – это водный раствор хлористого водорода. Соляная кислота – жидкость бесцветная или желтоватого цвета из-за наличия примесей, главным образом солей железа.

В промышленности используют соляную кислоту, содержащую от 27,5 до 37% .

Соляная кислота применяется для получения хлоридов цинка, бария, магния и т.д., для травления металлов, для очистки паровых котлов от накипи, в производстве сахара, желатина, клея, а также при дублении и окраске кожи и т.д.

Производство  соляной кислоты состоит из двух основных стадий: получение хлористого водорода и абсорбция хлористого водорода водой. В зависимости от метода получения хлористого водорода различают следующие способы производства соляной кислоты: 1) сульфатный., 2) синтез из хлора и водорода., 3)из отходящих газов, в которых содержится хлористый водород, получаемый как побочный продукт.

 Сульфатный способ заключается в воздействии 92 – 98% - ной серной кислоты на поваренную соль при 500 – 550⁰С.

2NaCl + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HCl – 68,25 кДж      (1);

Реакция необратима, эндотермическая.

Процесс проводят в муфельных печах, обогреваемых топочными газами, имеющими температуру 950 – 1100⁰С.

Кислота получается с концентрацией не выше 27 – 31 %.

Синтез хлористого водорода из хлора и водорода в  настоящее время является основным:

H₂ + Cl₂ ↔ 2HCl + 184,23 кДж                (2);

Сжигание водорода в хлоре проводят в печах при  температуре 2400⁰С при избытке водорода 5 – 10%.

Во многих производствах хлористый водород  образуется  как побочный продукт. Особенно в больших количествах он получается при хлорировании органических соединений, например, в производстве хлорбензола:

C₆H₆ + Cl₂ = C₆H₅Cl + HCl                (3);

Вторая стадия получения соляной кислоты –  абсорбция хлористого водорода водой  – сопровождается образованием гидратов и идет с выделением тепла. Абсорбцию осуществляют двумя способами – с отводом тепла и без отвода тепла (адиабатическая абсорбция).

Помимо ознакомления с основными стадиями производства соляной кислоты в данной работе ставится задача составления материального баланса процесса, определение выхода продукта и расходных коэффициентов по сырью.

Материальный  баланс составляется на основе закона сохранения массы вещества, согласно которому масса всех веществ, вводимых в производство, должна равняться массе веществ, выводимых из него.

Материальный  баланс может быть составлен: а) на единицу  исходного сырья., б) на единицу получаемого  продукта., в) на одну загрузку при периодическом  процессе., г) на определенную производительность и т.д.

 Материальный баланс выражают в виде  таблицы, диаграммы или  уравнения.

Перед составлением материального  баланса вычерчивают схему процесса, процесс описывают химическими  уравнениями и производят материальные расчеты, т.е. определяют расходы сырья и отдельных компонентов, весовые количества получаемых продуктов, полупродуктов и отходов производства.

Выход продукта η есть отношение количества полученного продукта G к максимально возможному G_м:

η = G/G_м                  (4);

Выход выражают в массовых долях или процентах. Максимально возможное количество продукта G_м определяется по сырью и основной химической реакции. Если в реакции участвует несколько реагентов, то как правило, выход вычисляется по тому из реагентов, который берется в недостатке. Для рассматриваемой реакции (1) выход следует вычислять по NaCl, так как серная кислота берется в избытке.

Выход от максимального  учитывает производственные механические потери, потери со сточными водами и газовыми выбросами, потери на побочные реакции. Он характеризует совершенство всего технологического процесса.

Понятие «выход от максимально возможного» можно  применять для всего технологического процесса или для отдельных его  стадий.

При рассмотрении обратимых реакций дополнительно вводятся понятия равновесный выход η_р и выход от равновесного η¹. Равновесный выход есть отношение количества получаемого продукта в равновесных условиях G_р к максимально возможному G_м по реакции, считая ее необратимой.

Выход из равновесного η¹ – это отношение количества полученного продукта G к равновесному G_р (6):

η_р = G_p / G_м         (5);

η¹= G / G_p            (6);

Равновесный выход показывает, какое количество продукта можно получить при данных условиях (температуре, давлении и концентрации), а выход от равновесного характеризует совершенство стадий технологического процесса при данных условиях. Понятие «равновесный выход» и «выход от равновесного» можно применять только для собственно химической реакции. Численно равновесный выход выше выхода от максимального возможного, но ниже от равновесного, т.е.

η<  η_p <  η¹                 (7);

В электроно-химических  реакциях пользуются понятием выхода по току, представляющим собой отношение  количества полученного продукта к  тому количеству, которое должно было бы получиться по закону Фарадея при той же затрате электричества.

При разделении многокомпонентных смесей, например, при обогащении, абсорбции и т. д., вместо понятия выхода пользуются понятием степени извлечения. Степень  извлечения представляет собой отношение количества извлеченного в процессе компонента к его количеству в начале процесса. Если процесс обратимый, то дополнительно, как и для выхода, вводятся равновесная степень извлечения и степень извлечения от равновесной.

Если максимально  возможное количество продукта определить нельзя, то выход продукта определяется в процентах или в виде кг/т, кг/кг, и т.д. Так выражают выход  продуктов, например, при коксовании каменного угля, при переработке  нефти и т.д.

Расходные коэффициенты есть расходы сырья, вспомогательных материалов и энергии, отнесенные к единице получаемой продукции. Расходные коэффициенты выражают в единицах: т/т, м³/т, квт.ч/т и т.д.

По сырью  различают практически расходные  коэффициенты и теоретически. Практические расходные коэффициенты по сырью определяют по формуле:

 β= G_c / G_n                   (8);

где: G_c – расход сырья при фактической или 100% концентрации;

        G_n – количество получаемого продукта.

Теоретические расходные коэффициенты определяются по уравнению реакции. Так, для реакции аА + вВ = сС расходный коэффициент по веществу А равен:

β_Т = аМ_А / сМ_с                (9);

где М_А и М_с – молекулярные массы компонентов А и С.

 

Описание  схемы установки:

Схема установки  для получения соляной кислоты  показана на рис. 1. В колбе при взаимодействии поваренной соли с серной кислотой образуется хлористый водород по реакции (1). Колба 1 подогревается электроплиткой 5.

Образующийся в колбе  хлористый водород проходит поглотительную склянку с серной кислотой 10, где он охлаждается и освобождается от паров воды и других примесей. Далее хлористый водород поступает в поглотительные склянки 11 и 12, где он абсорбируется водой.

Установка работает под  небольшим вакуумом (5 – 10 мм.рт.ст.), который создается с помощью  вакуум-насоса 16 и измеряется манометром 7. Бутыль с водой 13 (точнее уровень воды в бутыли) служит для ограничения максимального вакуума в системе, создаваемого водоструйным насосом.

Методика  проведения опыта.

В поглотительные склянки 11 и 12 заливают примерно по 50 мл дистиллированной воды.

Бутыль 13 примерно на 80% заполняют  водопроводной водой.

Взвешивают колбу 1 и  загружают в нее навеску поваренной соли (навеска задается преподавателем в пределах 3-5 г). Устанавливают колбу  как показано на схеме. В воронку 3 заливают рассчитанное на данную навеску соли количества 92% серной кислоты (избыток серной кислоты задается преподавателем). Содержание примесей в поваренной соли 3 %.

Проверяют установку на герметичность, для чего подают воду на вакуум-насос 16. Краны 3 и 14 должны быть закрыты, а кран 6 открыт. Если установка герметична, то в системе создается вакуум, а пробулькивание воздуха через воду склянок 11 и 12 быстро прекращается.

После проверки установки  на герметичность открытием крана 3 сливают серную кислоту в колбу 1. После слива кислоты кран 3 быстро закрывают. Включают электроплитку 5.

Не следует допускать  слишком интенсивного пробулькивание газа через жидкость в склянках 11 и 12, так как это ухудшает абсорбцию. Когда такое явление наблюдается, следует убавить подачу воды в вакуум-насос.

Опыт заканчивать после  оседания пены в колбе 1 и прекращения  пробулькивания газа в склянках. Выключают  электроплитку 5, открывают кран 3 и  пробку воронки 4. Перекрывают воду на вакуум-насосе.

Отсоединяют колбу и  после охлаждения вместе с остатком взвешивают ее.

Раствор в склянках 11 и 12 анализируют на содержание HCl; из склянки 11 отбирают пипеткой 5 – 10 мл раствора и переносят в коническую колбу. Разбавляют дистиллированной водой примерно до 100 мл, добавляют 3 капли раствора фенолфталеина и оттитровывают 0,1н раствором щелочи до появления розовой окраски.

При анализе раствора из склянки 12 отбирают пробу в количестве 20 – 25 мл, так как концентрация значительно  слабее, чем в склянке 11.

После окончания опыта  приводят в порядок рабочее место и сдают дежурному лаборанту.

 

Обработка результатов  опыта.

Количество  образовавшейся серной кислоты определяют по формуле:

 

 

                                                                              V_1NaOH*V¹_1HCl        V_2NaOH*V¹_2HCl

G_HCl = 0,0365 N_NaOH (——————— + ——————)         (10);

                                                                                      V_1HCl                    V_2HCL

Где: G_HCl – количество хлористого водорода,г.

0,0365 – количество хлористого водорода, соответствующее 1 мл 1н раствора щелочи.

N_NaOH – нормальность раствора щелочи.

V_1NaOH и V_2NaOH – объемы раствора щелочи, пошедшей на титрование HCl, взятой из первой и второй склянок, мл.

V_1HCl и V_2HCl – объемы раствора соляной кислоты, взятой на титрование из первой и второй склянок, мл.

V¹_1HCl и V¹_2HCl – объемы растворов соляной кислоты в первой и второй склянках, мл.

Рассчитывают количество NaCl и примесей в исходной навеске поваренной соли, количество H₂SO₄ и Н₂О в исходной серной кислоте, определяют вес остатка.

Составляют таблицу  материального баланса по форме  таблицы №1.

Определяют максимальное количество продукта, которое может  получиться по уравнению (1), т.е. G_m(HCl). Определяют выход продукта по уравнению (4). Определяют практические и теоретические расходные коэффициенты по сырью NaCl и H₂SO₄ по формулам (8) и (9).

 

Обсуждение  результатов опыта:

Сравнить расходные  коэффициенты по сырью, полученные в  опыте с промышленными. На 1 т 27,5% HCl в промышленности затрачивается примерно 0,5 т 97% NaCl и 0,4 т 93% серной кислоты (2, с.378). если выход очень низкий, то попробовать установить причины.

 

Контрольные вопросы:

1. Области применения соляной кислоты.
2. Методы получения HCl, достоинство и недостаток каждого метода.
3. Методы абсорбции HCl.
4. Понятие выхода от максимально возможного, равновесный выход, выход от равновесного.
5. Понятие о расходных коэффициентах.
6. Виды материального баланса, методика его составления.
7. Почему в промышленности не получают HCl концентрацией более 37%.
8. Источники сырья получения HCl.
9. Как сместить равновесие в процессе получения HCl из элементарных хлора и водорода с целью получения большого выхода продукта?
10. Типы печей, применяемых в производстве HCl.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Схема установки получения соляной кислоты

 

1 – колба;   8, 9 – склянки для поддержания давления в колбе 1;

2 – термометр;  10 – поглотительная склянка с серной кислотой; 

3, 6, 14 – краники; 11, 12 – поглотительные склянки с водой;

4 – капельница;  13 – бутыль;

5 – электроплитка; 15 – вакуум-насос;

7 – манометр;  16 – водопроводный вентиль

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 2.

«Обжиг серного колчедана».

Цель  работы: Изучение процесса обжига колчедана, определение степени выгорания (превращения) серы при различном времени пребывания ее в зоне реакции, составление материального баланса, определение лимитирующей стадии реакции.