Получение соляной кислоты

Промышленные схемы  в зависимости от требований производства включают в себя или колонки –  фильтры с катионитом (умягчение) или последовательное соединение катионитных  и анионитных колонок (обессоливание).

Одним из показателей  качества ионита является его обменная емкость т.е. количество задержанных  ионов в грамм – эквивалентах на 1 м³ ионита. Различают полную обменную емкость и рабочую. Рабочая обменная емкость выражается количеством ионов кальция и магния в г/экв., поглощаемым единицей объема ионита до момента проскока.

Рабочая емкость ионита зависит от природы ионита, рН раствора, величин и структуры зерен  ионита (величины его поверхности), скорости фильтрования воды, степени ее жесткости, температуры и т.д.

Описание установки.

Схема установки ионного  обмена показана на рис.3.

Обессоливание воды в  этой установке производится на катионовом 4 и анионовом 6 фильтрах, куда вода последовательно  поступает с заданной скоростью  из водопровода через вентиль 1.

Скорость воды устанавливается  с помощью ротаметра 2.

Обессоленная вода после  фильтров 4 и 6 через пробоотборник 11 либо сливается в канализацию, либо отбирается в мерный цилиндр 12 для  анализа.

Основным элементом  схемы является катионовый фильтр 4. В нижней и верхней частях фильтра укреплены сетки, между которыми располагается катионит. Высота слоя катионита замеряется во время опыта.

Цикл работы фильтра  складывается из собственно умягчения  и регенерации. Умягчение воды осуществляется пропусканием ее через слой катионита и продолжается до достижения определенной жесткости на выходе из фильтра. При умягчении протекают реакции 1 и 2.

В анионитовом фильтре 6 попутно из воды удаляются анионы по реакциям 3 и 4.

Регенерация состоит  из трех операций: взрыхление, собственно регенерация и отмывка ионитов.

Взрыхление осуществляется током воды снизу вверх. Для этого  закрываются краны 10 и 8 и открывается  кран 1. для более эффективного взрыхления кран 1 следует периодически закрывать  и открывать. При взрыхлении происходит разрушение спрессованных (слежавшихся) мест ионита.

Регенерация осуществляется пропусканием регенерирующего раствора через слой ионита. Для регенерации  катионита используется 3% раствор  соляной кислоты, а для регенерации  анионита – 3% щелочи. Регенерирующие растворы подаются из бачков 7 и 9.

Примечание: Наполнение бачков 7 и 9 осуществляется с помощью  компрессора 13 из емкостей 14 и 15, лаборантским составом.

Методика проведения опыта.

В начале работы производится слив застоявшейся в трубах воды. Для этого открывают краны 1 и 3 и в течение 5 минут вода сливается в канализацию. Определяется начальная жесткость воды (см. методику определения жесткости воды).

Производится взрыхление ионитов.

Собственно регенерация  разбивается на два этапа: регенерацию катионита и анионита. Для регенерации катионита кран 3 и открываются краны 5 и 8 . В этом случае кислота из бочка 7 проходит через колонку 4 и через кран 5 сливается в канализацию. Кран 8 открывается с таким расчетом, чтобы время регенерации катионита составляло не менее 10 – 15 мин.

 Для регенерации  анионита краны 8 и 5 закрываются  и открывается кран 10. Скорость  подачи щелочи задается такой  же, как и при регенерации катионита.  После регенерации кран 10 закрывается.

После регенерации ионитов необходимо отмыть фильтры от кислоты и щелочи. Для этого краном 1 устанавливают заданный расход воды (задается преподавателем в пределах 30 – 70 делении по ротаметру). Промывку продолжают 5 – 10 минут.

После промывки при заданном расходе воды через каждые 3 мин.  с помощью пробоотборника 11 обессоленная вода отбирается в цилиндр 12 для анализа на жесткость. Отбор проб и определение жесткости воды ведется до тех пор, пока последняя не будет превышать величины, которая задается преподавателем.

 Замеряется время умягчения воды от начала умягчения до момента проскока. Закрывается кран 1.

  По окончании опыта  приводят в порядок рабочее  место и сдают дежурному лаборанту.

Методика определения  жесткости воды.

В коническую колбу емкостью 250 – 300 мл наливается отобранная проба в количестве 100 мл. Приливают 5 мл аммиачно-буферного раствора и 6 – 7 капель индикатора – хрома темно-синего.

При наличии ионов  Са² и Mg² раствор окрашивается в темно-малиновый цвет. Этот раствор титруют 0,05 – 0,1 раствором трилона «Б» до изменения цвета.

Жесткость определяется по формуле:

                                  

                                    N * K * V * 1000

                          Ж = ————————   , мг-экв        (8);

                                         100

где: N – нормальность раствора трилона «Б».

        К – поправочный  коэффициент, учитывающий изменение  нормальности раствора трилона  «Б» при его стоянии (значения  К даются лаборантом).

       V – количество трилона «Б», пошедшего на титрование.

      100 – объем воды, взятой на титрование, мл.

Обработка результатов  опыта.

Опытные данные наносят  на график в координатах общая  жесткость воды – время от начала умягчения.

Рассчитывают рабочую емкость  катионита для условий опыта  по формуле:

                    V * τ (Ж_вх – Σⁿ_i=1Ж_вых/ n) * 100

     E_P = ——————————————           мг-экв/м³    (9);

                                         V_kat

Где: V – объемный расход воды, м³/с.

         τ – время умягчения до момента  проскока, с.

        Ж_вых и Ж_вх – общая жесткость исходной воды на выходе из катионита за время 5,10,15 и т.д. минут.

        V_kat – объем катионита, м³.

        n - число анализов воды.

Определяется время  рабочего цикла установки:

τ = τ_{регенер} + τ_{промывки} + τ_{работы ионитов}         (10);

Контрольные вопросы.

1. Подземная, атмосферная и поверхностная вода. Их характеристика.

2. Качество воды. Параметры, оценивающие качество воды. Их определение.

3. Методы умягчения воды. Достоинства и недостатки каждого из них.

4. Методы очистки сточных вод. Области применения каждого из методов.

5. Биохимическая очистка сточных вод.

6. Термические методы очистки сточных вод.

7. Химические методы очистки промышленных сточных вод.

8. Очистка сточных вод флотацией и электрофлотацией.

9. Электрохимическая очистка сточных вод.

10. Ионообменные способы очистки сточных вод.

11. Обессоливание воды методом электродиализа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа № 5.

Реактор периодического действия.

 

Цель  работы: 1. Для заданного времени проведения реакции определить текущие концентрации по исходному компоненту и по полученным данным рассчитать степень превращения.

2. Для конечной  степени превращения при заданной  производительности и константе  скорости реакции определить  объемы реакторов: РИС-П., РИВ., РИС-Н;  сравнить их  и выбрать реактор для омыления этилацетата щелочью.

 

Основные  математические модели химических реакторов.

Для расчета  реактора необходимо располагать точными  данными о скоростях протекающих  химических реакций. Эти данные находятся  в лабораторных условиях – при проведении процесса в экспериментальном реакторе. Для исследований наиболее удобен изотермический реактор периодического действия, в котором легко контролировать изменение состава реакционной смеси в зависимости от времени, особенно для реакций, протекающих при значительных скоростях.

Теоретической основой для расчета любого химико-технологического аппарата, в том числе и химического  реактора, является закон сохранения массы вещества.

Материальный  баланс чаще всего составляют по одному из компонентов реагирующей смеси, например, для реакции омыления эфира щелочью таким компонентом может быть щелочь (В) или этилацетат (А):

NaOH + CH₃COOO₂H₅ → C₂H₅OH + CH₃COONa,

Или в буквенном  виде:

В + А → R + S

В общем виде материальный баланс для любого реактора по одному из компонентов системы можно представить уравнением:

М_Априх = М_Ах.р. – М_Авых = М_Анакап,             (1);

Где: М_Априх — масса вещества компонента А, поступающая в аппарат, кмоль;

          М_Ах.р. — масса вещества А, вступившая в химическое взаимодействие, кмоль;

          М_Авых – масса вещества А, выходящего из реактора, кмоль;

          М_Анакап – масса вещества А, накапливающаяся в реакторе, кмоль.

Для бесконечно малого промежутка времени dτ уравнение (1) можно записать в виде:

 

V₀C_A0 dτ – γ_AV¹_r dτ – VC_A dτ = dN_A,          (2);

 

или

                                                              dN_A

—— = - γ_AV_A + V₀C_A0 – VC_A,               (3);

                                                               dτ

где: V₀ – расход реакционной смеси на входе в реакторе, м³/с;

        V – расход реакционной смеси на выходе из реактора, м³/с;

        С_А0 – исходная концентрация компонента А, кмоль/м³;

        V¹_r – объем реакционной смеси в реакторе, м³;

        γ_А – скорость химической реакции по компоненту А, кмоль/м³с;

        С_А – концентрация компонента А на выходе из реактора, кмоль/м³.

Используя уравнение (3) материального баланса нетрудно вывести расчетные математические модели (характеристические и расчетные  уравнения) для реактора идеального смещения  периодического  действия (РИС – П), реактора идеального смещения непрерывного действия (РИС – Н) и реактора идеального вытеснения непрерывного действия (РИВ).

Математическая  модель реактора идеального смещения периодического действия (РИС –  П).

Реактор РИС  – П – это аппарат с мешалкой (рис.1), в который периодически загружают исходное сырье, перемешивают и выдерживают в течение времени, необходимого для достижения заданной степени превращения исходных реагентов. Затем полученную смесь выгружают и реактор подготавливают к следующей операции, после чего цикл повторяется. Состав реакционной массы меняется во времени (рис.2), но в каждый определенный момент времени одинаков во всех точках объема (рис.3). Скорость химической реакции является функцией времени и, как правило, для большинства реакции с увеличением времени уменьшается (рис.4).

В течение  процесса вещества не вводят в реактор  и не выводят из него, поэтому  в уравнении материального баланса (3) разность двух последних членов равна  нулю:

                                                                             dN_А

   -   —  = V¹_r * r_a                 (4);

                                                                              dτ

 

 Заменяя  в уравнении (4) величину dN_A на – N_A0dX_A, которая находится из уравнения N_A = N_A0(1 – x) после его дифференцирования, получим: 

                                                                               dX_A

N_A0 —— = V¹_r r_A               (5);

                                                                                dτ

где: N_A0 и N_A – масса вещества А в начале и конце процесса, кмоль;

        Х_А – степень превращения вещества, м.д.

Разделяя переменные и интегрируя уравнение (5) по времени  от 0 до τ и степени превращения от 0 до Х_А, получим расчетное уравнение для реактора периодического действия (РИС – П):

τ = N_A

                                 (6);

Если объем  смеси V_r¹в процессе реакции меняется, уравнение (6) можно представить в следующем виде: