Получение соляной кислоты

 

1 – кран; 2 – реометр; 3 – автотрансформатор; 4 – милливольметр; 5 – термопара; 6 – трубчатая печь; 7 – кварцевая трубка; 8 – лодочка; 9 – пробка; 10 – вилка; 11 – краны; 12 – склянки; 13 – аспиратор; 14 – кран; 15, 17 – зажим; 16 – вентиль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа №3

 

Коксование каменного  угля

 

Пиролиз (сухая перегонка) угля без  доступа воздуха при температуре 1173-1273 К, называется коксованием, служит для получения кокса, который необходим для металлургической промышленности и получения различных химических соединений (аммиака, бензола, толуола, нафталина, антрацена и др.). В качестве сырья применяется коксующиеся угли или шихту, состоящую из углей разных марок.

Коксование проводят в камерных или шахтных печах, работающих в  политермическом режиме с постепенным  подъемом температуры, поэтому процесс сопровождается многочисленными первичными и вторичными химическими реакциями.

До температуры 476-523мК испаряется влага и выделяются газы – оксид  углерода (II) и оксид углерода (IV); при температуре около 573 К начинается выделение паров смолы и образуется пирогенетическая вода, а уголь переходит в пластическое состояние; при температуре 773-823 К разлагается пластическая масса угля с образованием первичных продуктов газа и смолы, состоящих из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, и затвердевает масса с образованием полукокса. При температуре 963 К и выше происходит дальнейшее выделение летучих продуктов, которые подвергаются пиролизу, а из них в результате различных реакций образуются ароматические углеводороды (последние наиболее стойки в условиях коксования и накапливаются в смоле); одновременно происходит упрочнение кокса. Конечными продуктами будут индивидуальные вещества (сероуглерод, бензол, толуол, ксилолы, аммиак, антрацен, нафталин, фенантрен, карбазол, фенол и др.), так и смеси веществ (масла – нафталиновое, поглотительное и др.; сольвент – смесь изомеров триметилбензола и ароматических углеводородов; каменноугольный пек, обратный коксовый газ и др.)

Цель работы. Проведение коксование каменного угля и составление упрощенного материального баланса процесса коксования.

Реактивы: каменный уголь, хлорид кальция (прокаленный), раствор серной кислоты 0,5 моль/л, раствор гидроксида натрия (30%-ый), раствор серной кислоты (20%-ый), ксилол, индикатор – метиловый оранжевый, оксид ртути (II). 

Оборудование: установка для коксования угля (рисунок 1), фарфоровая ступка с пестиком, установка для определения воды с ловушкой Дина-Старка (рисунок 2).

Порядок выполнения работы. Ознакомление с лабораторной установкой для коксования угля (рисунок 1) и подготовка ее к работе.

Коксование каменного угля проводят в кварцевой или фарфоровой трубке 1 (длина 0,6 м, диаметр 0,03 м), помещенной в электропечь 2 (рисунок 1). Температуру  процесса измеряют термопарой 3. Трубка для коксования должна герметично закрываться с обеих сторон и на одном конце иметь газоотводную трубку 4 (диаметр 1,2·10^-4 – 1,6·10^-4 м), соединенную с манометром 5. Газоотводная трубка далее последовательно соединяется с системой для улавливания летучих продуктов коксования: ловушкой 6, поглотительными склянками Дрекселя 9-11, двумя трубками с активированным углем 12, 13 и газометром 14. Ловушка 6 служит для конденсации смолы и надсмольной воды и помещается в сосуд Дьюара или высокую баню 7, которые заполняются водой со льдом или другой охлаждающей смесью. Трубка 8 используется для улавливания следов влаги и заполняется прокаленным хлоридом кальция (зерна 4·10^-3 м). Склянка 9 служит для поглощения аммиака и заполняется 10-20 мл раствора серной кислоты концентрации 1 моль/л с индикатором – метиловый оранжевый. Склянку 10 используют для улавливания оксида углерода (IV) и сероводорода, она заполняется 30 мл раствора гидроксида натрия (30%-ый). Поглотительную склянку 11 заполняют 30 мл раствора оксида ртути (40 г оксида ртути (II) растворяют в 200 мл 20%-ой серной кислоты) и в ней улавливают непредельные углеводороды. Две трубки 12, 13 (V-образные) служат для улавливания сырого бензола, и их заполняют высушенным активированным углем. Газометр 14 лучше заполнять насыщенным раствором хлорида натрия. Все поглотительные сосуды перед началом работы взвешивают с точностью до 0,0001 г. Установку собирают и перед началом работы проверяют на герметичность. С этой целью отключают манометр 5 (закрывают краны 16 и 18) и открывают краны 15 и 17. Вытекание запорной жидкости из газометра постепенно должно прекратиться, если установка герметична. В ином случае нужно искать место неплотного соединения и добиваться полной герметичности.

Порядок проведения коксования. Каменный уголь дробят в фарфоровой ступке, перемешивают, взвешивают (с точностью до 0,01 г) и пересыпают осторожно в предварительно взвешенную трубку для коксования. Навеску угля берут из такого расчета, чтобы при загрузке она не превышала одной трети внутреннего объема трубки (обычно 20-30 г). Затем трубку вставляют в печь и разравнивают угольную загрузку маленькой кочергой так, чтобы уголь располагался ровным слоем по той части трубки, которая находится в печи (но не доходил до конца печи с обеих сторон на 4-5 см). Желательно трубку для коксования устанавливать с небольшим наклоном (для лучшего стекания продуктов), а газоотводную трубку помещать в пробке как можно ниже (чтобы не было скопления смолы). После сбора установки и повторной проверки на герметичность открывают кран 17 на газометре 14, чтобы запорная жидкость вытекала из газометра. Регулируя скорость ее вытекания, поддерживают в течение опыта давление в манометре 5 в пределах 1,3·10²=1,01·10²Па. Включают печь 2, ведут нагревание со скоростью 0,10 град/с до температуры 1123 К, а затем выдерживают при этой же температуре 30 мин.

 

Рисунок 1 – Схема установки  для коксования

1 – трубки для коксования; 2 –  электропечь; 3 – термопара; 4 – газоотводная  трубка; 5 – манометр; 6 – ловушка; 7 – баня с охлаждающей смесью; 8 – трубки с СаСl₂; 9 – 11 – поглотительные склянки; 12, 13 – трубки с активированным углем; 14 – газометр; 15, 16, 17, 18 – краны.

 

По окончании коксования выключают  электропечь, перекрывают все краны  и зажимы, отсоединяют трубку 1 от поглотительной системы. Горячая трубка охлаждается на листе асбеста. Поглотительные склянки разъединяют, выдерживают  15 мин (для вытеснения из них газа воздухом, лучше под тягой) и взвешивают.

Анализ продуктов коксования.

1. Массу кокса определяют путем взвешивания остывшей трубки и определения ее привеса. (Массу пустой трубки определяют перед опытом). Оставшийся в трубке кокс выжигают в печи в токе воздуха при температуре 1073 К.
2. Массу надсмольной воды и смолы определяют путем взвешивания ловушки и вычитания массы пустой ловушки. Привес ловушки 6 дает массу сконденсировавшейся смолы и воды.
3. Массу воды определяют в конденсаторе путем азеотропной отгонки воды с ксилолом. Для этого в круглодонную колбу 1 на 250 мл наливают конденсат из ловушки. Ловушку промывают 15-25 мл ксилола, а промывную жидкость сливают в колбу 1. Собирают прибор (рисунок 2), соединяя колбу с холодильником 3, через ловушку Дина-Старка 2. Смесь подвергают перегонке. Дистиллят собирается в градуированной ловушке до тех пор, пока не прекратится увеличение водного слоя. Вся масса воды определяется по показанию мениска в ловушке и по привесу хлоркальциевой трубки 8.

Рисунок 2 – Прибор

5. Для определения массы выделившегося аммиака оттитровывают избыток 1 моль/л серной кислоты в поглотительной склянке 9. По разности взятой кислоты и обратно оттитрованной рассчитывают массу аммиака.
6. Привес поглотительных сосудов 10, 11, 12, 13 дает массу веществ: сероводорода и оксида углерода (IV), непредельных углеводородов и сырого бензола.
7. Полученный в газометре объем несконденсированного газа пересчитывают на нормальные условия (температура 273 К и давление 1,01·10⁵Па) по формуле:

 

V₀=V·(Р-h)·273/Т·1,01^-1·10⁵

 

где V₀ – объем газа при нормальных условиях, л; V – объем газа в условиях опыта, л; Р – барометрическое давление, Па; h – упругость водяных паров при данной температуре газа, Па; Т – температура газа, К.

Массу газа в данном объеме  V₀ рассчитывают по формуле:

 

m= V₀·0,458

 

где m – масса газа при нормальных условиях, кг; V₀ – объем газа при нормальных условиях, л; 0,458 – средняя плотность газов коксования, кг/м³.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как применяется кокс, полученный коксованием каменного угля?
2. Как протекает процесс коксования и в результате чего образуется твердый остаток каменноугольный пек?
3. Какие продукты получаются в процессе коксования каменного угля?
4. В каких склянках происходит процесс абсорбции газа жидкостью?
5. С какой целью проводят титрование серной кислотой?
6. От каких условий зависит наиболее полное протекание процесса коксования?

Лабораторная  работа №4.

Умягчение воды ионообменным способом.

Цель работы: Ознакомление с ионообменным способом обессоливание воды и стандартной методикой определения ее жесткости.

Введение.

Использование воды в  химической промышленности чрезвычайно  разнообразно: вода является широко распространенным растворителем, реакционной средой, сырьем для получения водорода, тяжелой воды. Различных водосодержащих веществ, употребляется в качестве теплоносителя и охлаждающего агента.

Применение воды в различных  производствах требует специальной  ее подготовки. Общая схема водоподготовки, методы и число операций устанавливаются в зависимости от состава воды, требования потребителей и технико-экономических соображений.

Основными операциями водоподготовки являются: очистка от механических примесей, умягчение и обессоливание, дегазация и обеззараживание и в ряде случаев нейтрализация.

Водосмягчением называется полное и частичное удаление солей кальция и магния, содержание которых в воде обусловливает ее жидкость. Различают общую жесткость, карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную).

Общая жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней кальция и магния.

Карбонатная (временная) жесткость создается наличием в воде бикарбонатов кальция и магния, которые при кипячении переходят в средние или основные соли и выпадают в осадок:

Ca(HCO₃)₂ —→ CaCO₃ + H₂O +CO₂↑

Mg(HCO₃)₂ —→ MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O

MgCO₃ + H₂O —→ Mg(OH)₂ + CO₂↑

Постоянная жесткость  обусловлена нитратами, хлоридами, сульфитами и другими солями кальция  и магния, не выпадающими в осадок при кипячении.

Жесткость воды измеряют в миллиграмм-эквивалентах на 1 л.

Один миллиграм-эквивалент жесткости  отвечает содержанию 20,04 мг Са или 12,16 мг Mg на один литр воды.

Применяемые на практике методы умягчения  воды можно разделить на следующие  группы: термические, химические, ионообменные и комбинированные.

Выбор того или другого метода определяется глубиной умягчения, качеством исходной воды и экономическими соображениями.

Обессоливание заключается в удалении или понижении всех содержащихся в воде  солей.

Умягчение или обессоливание воды наиболее эффективно может быть осуществлено методом ионного обмена. Этот метод основан на способности некоторых твердых трудно растворимых веществ – ионитов – к обменным реакциям с катионами или анионами, содержащимся в воде.

 Иониты, способные обмениваться с катионами, находящимися в растворе, называются катионитами; способные обменивать анионы – анионитами.

 В настоящее время в промышленности  в качестве катионитов применяются  сульфированные угли и ряд  синтетических смол: фенольные, резорциновые, пирогаллоловые и другие, содержащие оксигруппы, карбоксильные и сульфогруппы.

В качестве анионитов применяются  карбомидные, мелоиновые, анилиновые и  прочие синтетические смолы.

Реакции ионообмена обратимы, поэтому  после истощения ионит регенерируют, обрабатывая его соответствующими растворами солей, кислот или щелочей.

 Процессы катионного обмена  могут быть описаны следующими  уравнениями:

Na₂R + (Ca, Mg)(HCO₃)₂ ↔ (Ca, Mg)R + 2NaHCO₃  ,    (1);

Na₂R + (Ca, Mg)SO₄ ↔ (Ca, Mg)SO₄ + Na₂SO₄  ,            (2);

Анионный обмен осуществляется следующим образом:

ROH + Cl ^- ↔ RCl + OH ^-       (3);

2ROH + SO₄^2- ↔ R₂SO₄ + 2OH ^-      (4);

где: R – составная часть ионита, за исключением активной (обменивающейся) группы.

Процесс регенерации может быть представлен уравнениями:

CaR + 2NaCl ↔ Na₂R + CaCl₂            (5);

CaR + 2HCl ↔ H₂R + CaCl₂               (6);

RCl + NaOH ↔ ROH + NaCl             (7);

При регенерации иониты разрыхляют, чтобы предотвратить  их слеживание и уплотнение, так  как связанное с этим неравномерное  распределение жидкости по рабочему сечению фильтра может вызвать значительное снижение их емкости.