Порядок выполнения работы. 1. Собрать установку для окисления сернистого газа в соответствии с рис.4

1. Собрать установку для окисления сернистого газа в соответствии с рис.4.

2. Включить обогрев печей 3 и 6 и установить с помощью терморегулятора заданную температуру в реакторе.

3. В склянки Дрекселя с помощью пипетки залить 0,1Н раствор йода в количестве 10 мл в склянку 8; 5 мл в склянку 9. В обе склянки добавить дистиллированной воды до метки

4. Заполнить аспираторы 10,11 водопроводной водой, присоединить их к склянкам Дрекселя и подставить под сливные краны аспираторов мерные цилиндры 12,13

5.Заполнить колчеданом фарфоровую лодочку на 2/3 объема и загрузить ее в реактор печи 3 для обжига колчедана. Конец трубки обжиговой печи 3 закрыть пробкой, в которую вставлен соединительный шланг для подачи обжигового газа в установку для контактного окисления SO

6. Включить насос 1 для нагнетания воздуха в печь для обжига колчедана и установить с помощью реометра 2 заданный расход воздуха.

7. Провести анализ газовой смеси до и после контактирования. Для этого одновременно открыть сливные краны обоих аспираторов, таким образом, чтобы вода вытекала с одинаковой скоростью 2-3 капли в секунду. После того как раствор йода в склянках Дрекселя обесцветится, закрыть сливные краны и замерить объем вытекшей из аспиратора воды. Результаты записать в таблицу 4.

8 Повторить эксперимент при второй заданной температуре.

9. По барометру определить и записать барометрическое давление, по термометру определить и записать комнатную температуру. Из таблицы 5 найти давление водяного пара в зависимости от комнатной температуры и записать в таблицу 4.

Обработка экспериментальных данных:

1.Степень контактирования У в % рассчитать по формуле

У=

Где А- содержание SO в газе до контактирования

В- содержание SO в газе после контактирования

2. Содержание SO в газе до и после контактирования определить из соотношений

где V - объем SO в газе до контактирования при условиях анализа, мл

V - объем SO в газе после контактирования при условиях анализа, мл

- объем не поглощенного газа до контактирования, равный объему, вытекшей из аспиратора воды, мл

- объем не поглощенного газа после контактирования, равный объему, вытекшей из аспиратора воды, мл

3. Рассчитать V и V по формулам

где 10,95- объем SO , поглощенного 10 мл 0,1Н раствора йода при нор мальных условиях, мл.

5,475- объем SO , поглощенного 5 мл 0,1Н раствора йода при нормальных условиях, мл.

Т и Р- температура и давление газа, поступившего в аспиратор на анализ

Т и Р - значения температуры и давления при нормальных условиях

Т = 273К; Р =760 мм рт ст.

t-комнатная температура, °С

p- барометрическое давление, мм рт ст.

р- давление паров воды при комнатной температуре, мм рт ст.

Рассчитанные величины внести в таблицу 4.

Таблица 4.

Результаты испытаний и расчетов

Наименование показателей	Обозначение показателей	Опыт 1	Опыт 2

1. Температура кон тактирования, °С 2. Комнатная температура, °С 3.Барометрическое давление,мм рт ст. 4. Давление водяных паров в аспираторе, мм рт ст 5. Объем не поглощенной смеси газов до контактирования, мл 6. Объем непоглощенной смеси газов после контактирования, мл 7. Объем SO в газе до контактирования, мл	t p Δp V_a


8. Объем SO в газе после контактирования, мл 9. Содержание SO₂ в газе до контактирования 10. Содержание SO₂ в газе после контактирования 11.Степень контактирования, %	V_B A B У

Таблица 5

t,ºC	Δp мм рт ст	t,ºC	Δp мм рт ст
	9,209 9,844 10,518 11,231 11,987 12,788 13,634 14,530 15,477 16,477		17,535 18,650 19,827 21,068 22,377 23,756 25,209 26,739 28,349 30,043

Давление насыщенного водяного пара в равновесии с водой

4.ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ХТС)

ВОПРОСЫ К КОЛЛОКВИУМУ ПО ТЕМЕ:

«ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

1. Постановка общей задачи разработки и создания ХТС.

2. Структура ХТС.

3. Классификация моделей ХТС.

4.Операционно-описательная модель на примере производства соды.

4.1. Исторические сведения о способах получения соды. Способ Леблана.

4.2. Содопродукты.

4.3.Аммиачный способ получения кальцинированной соды. Химическая схема.

5. Функциональная схема производства соды.

6. Построение структурных схем.

7. Построение операторных схем.

7.1. Основные операторы.

7.2. Вспомогательные операторы.

8. Технологическая схема производства кальцинированной соды.

9. Технологические связи элементов ХТС. Их назначение и характери - стика.

9.1.Последовательная связь. Расчет числа реакторов в батарее.

9.2. Параллельная связь.

9.3. Последовательно-обводная связь.

9.4. Рецикл. Характеристики обратной связи.

9.5. Перекрестная связь.

10. Задачи синтеза ХТС.

11. Технологические концепции создания ХТС.

11.1. Глубина переработки сырья.

11.2. Полнота переработки сырья и вспомогательных материалов.

11.3. Минимизация энергетических и тепловых расходов.

12. Увеличение единичной мощности агрегатов.

13. Анализ ХТС.

СЫРЬЕВАЯ БАЗА ХТС.

ВОПРОСЫ К КОЛЛОКВИУМУ ПО ТЕМЕ:

«СЫРЬЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ».

1. Классификация сырья по агрегатному состоянию и составу.

2. Важнейшие тенденции в развитии сырьевой базы.

3. Обогащение твердого минерального сырья.

3.1. Схема мокрого гравитационного обогащения сырья.

3.2. Схема электромагнитного сепаратора.

3.3. Схема гидроциклона.

3.4. Физико-химические основы флотации.

3.4.1. Устройство и работа флотационной машины с воздуш-. ным перемешиванием

3.4.2. Устройство и работа флотационной машины с механи -. ческим перемешиванием.

4. Обогащение жидких растворов.

5. Разделение газовых смесей.

5.1.Схема установки для адсорбционно-десорбционного разделе ния газов.

6. Комплексное использование сырья.

7. Вода в химической промышленности. Классификация природных вод.

8. Характеристики качества воды:

8.1. Общее солесодержание.

8.2. Жесткость.

8.2.1. Временная жесткость. Термический метод устранения временной жесткости.

8.2.2. Постоянная жесткость.

8.3. Окисляемость.

8.4. Реакция воды.

8.5. Органолептические свойства воды.

9. Химические методы умягчения воды:

9.1. Известковый.

9.2. Содовый.

9.3. Фосфатный.

9.4. Натронный.

10. Физико-химические методы умягчения воды:

10.1 Схема катионитового фильтра.

10.2. Схема установки для полного обессоливания воды с примене нием ионообмена.

4.1. ПОДГОТОВКА ВОДЫ.

В различных производствах химической промышленности вода используется чрезвычайно широко. Она применяется как универсальный растворитель для большого числа твердых, жидких и газообразных веществ. Велико ее значение и как химического сырья в производствах водорода, серной и азотной кислот, едкого натра, извести, в различных реакциях гидратации и гидролиза. Кроме технологических целей, в еще больших размерах вода используется как теплоноситель и хладоагент. При помощи воды осуществляется, например, теплоотвод из зоны реакции в экзотермических процессах. Водяной пар и нагретая (или перегретая) вода применяются для подвода тепла в эндотермических процессах, для нагревания взаимодействующих веществ для ускорения многих процессов.

Поскольку вода является хорошим растворителем, то природные воды содержат разнообразные примеси. К воде, применяемой для технологических и для теплотехнических целей, предъявляют жесткие требования в отношении содержания в ней растворенных веществ, механических примесей, микроорганизмов и т. п.

Природные воды делятся на три вида, сильно различающиеся по содержанию примесей:

1. Атмосферная вода - дождевая и снеговая - содержит растворенные углекислоту, иногда окислы азота, серы, органические примеси и пыль.

2. Поверхностные воды - речные, озерные, морские - сверх примесей, содержащихся в атмосферной воде, имеют в своем составе двууглекислые соли кальция, магния, натрия, калия, а также сернокислые и хлористые соли. Наиболее богата солями морская вода.

Вода, содержащая менее 1 г солей в 1 кг, называется пресной, 1-10 г- солоноватой, 10-50 г- соленой, более 50 г- рассолом.

3. Подземные - ключевые, колодезные, артезианские - образуются в результате накапливания в подземных резервуарах атмосферной воды, попадающей в них при прохождении через водопроницаемые слои почвы; при этом происходит ряд химических реакций с минеральными и органическими веществами почвы и горных пород. Подземные воды, насыщенные различными солями (рассолы), могут служить сырьем для получения тех или иных химических продуктов. Так, из рассола хлористого натрия можно получить соду, едкий натр, хлор.

Воды всех видов содержат также различные количества бактерий, грибков и других микроорганизмов.

Основными показателями качества воды являются ее прозрачность, температура, цвет, запах, общее солесодержание, жесткость, окисляемость и реакция воды.

Общее солесодержание характеризуется наличием в воде минеральных и органических примесей. Количество примесей определяют по сухому остатку (мг/дм ) испарением 1 кг воды и высушиванием остатка при 110 °С до постоянной массы.

Прозрачность воды измеряется толщиной слоя воды, через который можно различить визуально или при помощи фотоэлемента изображение какого-либо шрифта (креста, треугольника и пр.)

Жесткость воды выражается числом грамм – эквивалентов ионов Ca и Mg , содержащихся в 1 м воды.

Жесткость воды является одним из наиболее важных показателей качества воды.

Принята следующая классификация природных вод по жесткости: (табл.6)

Таблица 6

Классификация природных вод по жесткости.

Количество ионов Ca и Mg , г-экв/м	Класс жесткости воды
0 – 1.5 1.5 – 3 3 – 6 6 – 10 > 10	очень мягкая мягкая умеренно жесткая жесткая очень жесткая

Различают временную, постоянную и общую жесткость воды.

Временная (карбонатная или устраняемая) жесткость h обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, которые легко удаляются из воды при кипячении и выпадают в виде осадка - накипи.

Постоянная (некарбонатная) жесткость воды h обусловлена наличием в воде хлоридов, сульфатов, нитратов и других некарбонатных солей кальция и магния: CaCl , MgCl , CaSO , MgSO , CaSiO , MgSiO и др.

Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью.

h =h + h

Щелочность воды. Общей щелочностью воды Щ_о называется выраженная в г-экв/ м суммарная концентрация содержащихся в воде анионов OH , HCO , CO , PO , HSiO , SiO и некоторых солей слабых органических кислот.

Окисляемость воды определяется количеством миллиграммов перманганата калия, израсходованного при кипячении 1 дм воды с избытком KMnO в течение 10 минут.

Перманганатом калия окисляются не только содержащиеся в воде органические вещества, но и некоторые легкоокисляющиеся минеральные вещества.

Реакция воды. Кислотность и щелочность воды характеризуются концентрацией ионов водорода и водородным показателем pH.

pH речной воды обычно не выходит за пределы 6,5 - 7,5.

В природных водах, кроме свободной углекислоты, находящейся в них в виде растворенного углекислого газа CO и недиссоциированных молекул угольной кислоты H CO содержатся ионы HCO и CO . Количественное соотношение между CO , H CO , HCO , CO определяют значения рН воды (табл. 7).

Таблица 7 Соотношение угольной кислоты в воде при 25° С и различных значениях pH, %

Формы угольной кислоты	pH

CO +H CO						-	-	-	-
HCO	-
CO	-	-	-	-	-

В таблице 8 приведены соотношения различных форм кремневой кислоты при 25° С в зависимости от величины pH. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в поверхностных водах, значение pH которых близко к 7, вторая ступень диссоциации кремневой кислоты практически не возникает.

Таблица 8

Соотношение форм кремневой кислоты в воде при 25° С и различных значениях pH, %

Формы кремниевой кислоты	pH

H SiO		99.9		90.9		8.9	0.8
HSiO	-	0.1		9.1		91.0	98.2
SiO	-	-	-	-	-	0.1	1.0

Использованию воды в производстве предшествует соответствующая подготовка, зависящая от наличия в ней примесей и требований производства. Применяемая в производственных процессах вода не должна содержать вредных для реакции веществ, корродировать аппаратуру и образовывать в аппаратах и трубах накипь и шлам. Примеси обычно содержатся в воде в виде растворов, коллоидных или механических взвесей.

К основным операциям водоподготовки относятся очистка от взвешенных примесей и умягчение, а в некоторых случаях- нейтрализация, обессоливание, дегазация, обеззараживание.

От механических примесей вода освобождается отстаиванием или фильтрованием через слой песка или гравия. Осветление воды или коагуляцию коллоидных примесей производят добавкой коагулянтов Al (SO ) , FeSO , NaAlO или флокулянтов (ускорители образования хлопьев) – коллоидной кремнекислоты, природных и синтетических полимеров.

Фильтрование воды для очистки от примесей обычно следует за отстаиванием. Наиболее часто применяются песочные фильтры. Важно учитывать, что при фильтровании через песок, без добавления каких- либо реагентов для коагулирования, нельзя получить совершенно чистую воду.

Умягчение - это частичное или полное удаление солей кальция и магния. Удаление из воды всех солей, т.е. катионов и анионов называется обессоливанием воды.

Способы умягчения воды подразделяются на физические, химические и физико-химические.

Физические способы: термический (кипячение при t =100°-105° С, при этом удаляются соли временной жесткости), дистилляция и вымораживание.

Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее химическими реагентами, в результате чего ионы кальция и магния связываются в нерастворимые и легко удаляемые соединения.

Физико-химические методы умягчения воды разделяются на метод мембранной сепарации, основанный на использовании электродиализа, обратного осмоса и ультрафильтрации, и ионообменные, получившие все более широкое распространение.

В зависимости от применяемых химических реагентов различают четыре химических метода умягчения воды.

1. Известковый способ.

Суммарные реакции устранения временной жесткости известковым способом описываются следующими реакциями:

Ca(HCO ) + Ca(OH) = 2CaCO + 2H O

Mg(HCO ) + 2Ca(OH) = 2CaCO + Mg(OH) + H O

2. Содовый способ.

Вода обрабатывается кальцинированной содой, при этом устраняется постоянная жесткость:

CaSO CaCO + Na SO

MgCl + Na CO = MgCO + 2NaCl

MgSO MgCO + Na SO

3. Натронный способ.

Вода обрабатывается гидроксидом натрия, устраняется временная жесткость и связывается CO .

Ca(HCO ) + 2NaOH = CaCO + Na CO + 2H O

Mg(HCO ) + 4NaOH = Mg(OH) + 2Na CO

CO + 2NaOH = Na CO + H O

Данные методы позволяют лишь грубо умягчить воду (до 0, 3 г/экв/м ).

4. Фосфатный способ.

Применяя в качестве умягчителя тринатрийфосфат Na PO , устраняющий временную и постоянную жесткость, можно получить более полное умягчение (до 0, 03 г-экв/м ).

3Ca(HCO ) + 2Na PO = Ca (PO ) + 6NaHCO

3MgCl + 2Na PO = Mg (PO ) + 6NaCl

Вода с небольшой жесткостью или после грубого умягчения наиболее эффективно может быть умягчена и также обессолена методом ионного обмена. Сущность метода заключается в том, что некоторые твердые труднорастворимые минеральные и органические вещества способны извлекать из растворов одни катионы или анионы в обмен на содержащихся в них другие. Для поглощения из воды ионов Ca , Mg , Fe применяют катиониты - сульфоуголь или высокомолекулярные смолы, содержащие активные группы с ионами H , Na или NH .

Процессы активного обмена могут быть представлены следующим образом:

2(Кат)H + Ca(HCO ) → (Кат) Ca + 2CO + 2H O

2(Кат)Na + CaSO → (Кат) Ca + Na SO 2(Кат)Na + Mg(HCO ) → (Кат) Mg + 2NaHCO

а также

(Кат)H + NaCl → (Кат)Na+ HCl и т. п.

Для полного обессоливания (деионизации) воды после катионитного фильтра ее пропускают через анионитовый.

(Ан)OH + HCl → (Ан)Cl + H O

2(Ан)OH + H SO → (Ан) SO + 2H O

Катионит и анионит регенерируют, обрабатывая их раствоарми щелочей, кислот или хлористого натрия, например

(Кат) Ca + 2NaCl → 2(Кат)Na +CaCl

(Кат) Ca + 2HCl → 2(Кат)H + CaCl

(Кат) Mg + H SO → 2(Кат)H + MgSO

(Ан)Cl + NaOH → (Ан)OH + NaCl

В качестве анионитов используются смолы, полученные в результате взаимодействия аминов с формальдегидом или полиэтиленполиаминов с эпихлоргидрином.

Обеззараживание воды производится хлором или хлорной известью, реже- озоном.

Дегазация воды от коррозионноспособных газов, таких как H S, SO , CO осуществляется в основном аэрированием, т. е. соприкосновением воздуха с водой при ее разбрызгивании или в градирнях. Применяют и химические реагенты, например, H S окисляют хлором. Для удаления кислорода в воду добавляют восстановители, например, сульфит натрия.

Цель работы: ознакомиться с основными способами водоподготовки, методами определения жесткости воды. Сравнить эффективность трех методов умягчения воды: известково-содового, фосфатного и ионообменного.

Порядок выполнения работы:

1 занятие- 4 часа

1. Анализ исходной воды: определение общей жесткости, определение карбонатной и некарбонатной жесткости, определение содержания кальция, магния и диоксида углерода.

2. Умягчение воды известково-содовым методом.

3. Анализ воды, умягченной известково-содовым методом.

2 занятие- 4 часа

4. Умягчение воды фосфатным методом.

5. Анализ умягченной воды фосфатным методом.

6. Умягчение воды ионообменным методом.

7. Анализ умягченной воды ионообменным методом.

8. Расчет степеней умягчения и сравнение эффективности примененных методов.

АНАЛИЗ ВОДЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ

Для выполнения анализа в коническую колбу емкостью 250 мл наливают 100 мл исследуемой воды, добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора, несколько капель индикатора хромогена до сиреневого окрашивания и медленно титруют 0,1 Н раствором трилона Б до перехода окраски в серовато- синюю. Общую жесткость h воды вычисляют по формуле:

мг-экв/дм , где

V – объем 0, 1 Н раствора трилона Б, израсходованного на титрование пробы, мл

V – объем исследуемой пробы, мл

N – нормальность раствора трилона Б

РАЗДЕЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЛЬЦИЯ И МАГНИЯ

К 100 мл анализируемой пробы добавляют 5 мл 2 Н раствора NaOH и несколько кристаллов мурексида, затем медленно титруют раствором трилона Б до изменения окраски в фиолетовую.

Содержание кальция вычисляют по формуле:

,мг-экв/дм , где

N – нормальность раствора трилона Б

a – объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл

V – объем пробы, мл

h = h - h

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТНОЙ И НЕКАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТИ

Титруют 100 мл анализируемой воды 0, 1 Н раствором HCl с индикатором метиловым оранжевым до перехода окраски в оранжевую. Карбонатную жесткость рассчитывают по формуле:

,мг-экв/дм , где

N – нормальность раствора HCl

V – объем HCl, пошедший на титрование, мл

V – объем воды, взятый для титрования, мл

Некарбонатная жесткость определяется по разности между общей и карбонатной жесткостью:

h = h - h

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

В коническую колбу отмеряют 200 мл анализируемой воды, добавляют несколько капель 1 %- ного раствора фенолфталеина и перемешивают. Если вода приобрела более интенсивную окраску по сравнению с окраской эталонного раствора (эталонный раствор имеет малиновую окраску), то в ней нет растворенного диоксида углерода. Отсутствие окраски или более слабое окрашивание свидетельствует о наличии в воде растворенного диоксида углерода. В этом случае анализируемую воду титруют 0,1 Н раствором NaOH до окраски эталонного раствора. Концентрация диоксида углерода определяется по формуле:

,мг/дм , где

N – нормальность NaOH

V – объем NaOH, израсходованный на титрование, мл

ИЗВЕСТКОВО-СОДОВЫЙ МЕТОД УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

На основании полученных данных анализа воды подсчитывают количество извести и соды, необходимых для устранения жесткости:

,мг/дм

G - количество извести, необходимое для умягчения воды

G - количество соды, необходимое для умягчения воды

Рассчитанные количества извести и соды отвешивают на аналитических весах с точностью до 0, 01 г, растворяют в 1 л исходной воды, перемешивая содержимое колбы в течение 3- 5 минут, дают отстояться и фильтруют через складчатый фильтр. Отобрав из фильтрата пробы, проводят полный анализ воды.

ФОСФАТНЫЙ МЕТОД УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

Для умягчения воды фосфатным методом используют тринатрийфосфат. На основании данных, полученных при анализе исходной воды, подсчитывают количество фосфорнокислого натрия, необходимое для устранения жесткости.

, мг/дм

Рассчитанное количество фосфорнокислого натрия отвешивают на аналитических весах с точностью до 0, 01 г, растворяют в 1 л исходной воды, перемешивая содержимое колбы в течение 30 минут. Затем дают воде отстояться и фильтруют через складчатый фильтр. Отобрав из фильтра пробы, проводят полный анализ воды.

ИОНООБМЕННЫЙ МЕТОД УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

Катионообменник представляет собой стеклянную трубку диаметром 2- 3 см, длиной 15- 20 см. Отношение высоты слоя катионита к диаметру должно быть 6:1. Трубка заканчивается отводом с краном для регулирования скорости пропускания жидкости через катионит. Для того чтобы привести катионит в рабочее состояние, его надо отрегенерировать. Для регенерации катионита и насыщении его катионами натрия применяют 6- 8 %- ный раствор поваренной соли в количестве 300 мл. Скорость пропускания поваренной соли, а в дальнейшем дистиллированной воды и заданной исходной воды для умягчения равна 10 мл / мин. После пропускания через катионит раствора поваренной соли, через него пропускают 500 мл дистиллированной воды (отмывают от избытка NaCl) до полного исчезновения ионов хлора (проба нитратом серебра). После отмывки через катионит пропускают подлежащую умягчению воду в количестве 200 мл. Затем в умягченной воде определяют общую жесткость.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Экспериментальные данные вносят в таблицу 7 и по полученным данным определяется эффективность умягчения воды.

Эффективность применяемых методов умягчения характеризуется степенью умягчения воды, определяемой отношением жесткости воды после умягчения к жесткости исходной воды.

, где

h - общая жесткость исходной воды

h - общая жесткость умягченной воды

Таблица 9

Эффективность методов умягчения воды.

Методы умягчения	Жесткость	степень умягчения
h	h	h	C	h	h	X %
исходная вода
известково-содовый
фосфатный
ионообменный