Ciągły proces otrzymywania bikarbonatu metodą Solvay a Instrukcja do ćwiczenia nr 10 Asystent prowadzący: Dr Tomasz S. Pawłowski 1
Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przemysłowym procesem ciągłej produkcji bikarbonatu metodą Solvay a. Opis ćwiczenia Laboratoryjna instalacja chemiczna do produkcji bikarbonatu, będąca modelem instalacji przemysłowej składa się z dwóch głównych modułów (reaktorów): kolumny do nasycania solanki (wodnego, nasyconego roztworu chlorku sodu) amoniakiem oraz karbonizatora do nasycania solanki amoniakalnej ditlenkiem węgla. Procesy te zachodzą sekwencyjnie. Oba reaktory są ze sobą połączone. Podczas produkcji bikarbonatu reaktory zasilane są w sposób ciągły substratami: ditlenkiem węgla, amoniakiem, i solanką. W tym samym czasie odbierany jest bikarbonat. Aby zapewnić ciągły proces otrzymywania bikarbonatu należy utrzymywać na stałym poziomie: szybkości dozowania substratów oraz temperaturę karbonizatora. W trakcie ćwiczenia wykonywana jest analiza miareczkowa przesączu otrzymywanego z mlecznej zawiesiny bikarbonatu odbieranej z karbonizatora. Stała zawartość chlorków oraz amoniaku w zawiesinie jest wyznacznikiem właściwego utrzymywania parametrów procesu produkcji bikarbonatu. Wykonanie ćwiczenia Przed przystąpieniem do ćwiczenia założyć fartuchy i okulary laboratoryjne (chyba, że student nosi okulary korekcyjne) oraz zapoznać się z kartami charakterystyk substancji używanych w trakcie zajęć. Sprawdzić stan techniczny instalacji, włączyć wyciągi i listwy elektryczne. Założyć lateksowe rękawice ochronne i przystąpić do właściwej części ćwiczenia. Numeracja aparatów instalacji chemicznej występująca w instrukcji oparta jest na schemacie zaprezentowanym poniżej: 2
Legenda: 1. Butla ze sprężonym ditlenkiem węgla, 2. Butla ze sprężonym amoniakiem, 3. Rotametr do ditlenku węgla, 4. Rotametr do amoniaku, 5. Manostat do ditlenku węgla, 6. Manostat do amoniaku, 7. Pompa perystaltyczna, 8. Cylinder miarowy z solanką, 9. Zawór, 10. Zawór, 11. Kolumna do nasycania solanki amoniakiem, 12. Zawór, 13. Zawór, 14. Karbonizator, 15. Silnik mieszadła, 16. Termostat, 3
17. Zawór, 18. Naczynie z solanką amoniakalną. 1. Wyznaczyć gęstość solanki. W tym celu zważyć cylinder miarowy o pojemności 1 dm 3 (nr 8). Następnie napełnić go solanką do określonej objętości i ponownie zważyć. Iloraz masy i objętości roztworu da nam jego gęstość. 2. Napełnić solanką amoniakalną z naczynia nr 18 kolumnę nr 11 oraz karbonizator (nr 14) do określonej przez asystenta wysokości. Do tego celu użyć pompy perystaltycznej (nr 8) oraz zamontowanego w niej węża gumowego. W czasie napełniania kolumn włączyć termostat (nr 16). 3. Podczas napełniania kolumn solanką amoniakalną przygotować biurety do wszystkich miareczkowań (biurety na roztwory mianowane: NaOH, HNO 3 i AgNO3), potrzebne wskaźniki (dwuchromian, oranż metylowy, fenoloftaleina) i aldehyd mrówkowy. Oznaczyć zawartość chlorku sodu w solance według następującego przepisu: Odpipetować 10 ml roztworu solanki do kolby miarowej o pojemności 250 ml i dopełnić wodą destylowaną do kreski. Z otrzymanego roztworu odpipetować 5 ml do erlenmajerki, rozcieńczyć niewielką ilością wody, dodać kilka kropli nasyconego roztworu K2CrO4 i miareczkować 0.1 molowym roztworem AgNO3 do pojawienia się brunatnego zabarwienia. Zawartość NaCl ( ) liczymy według wzoru: Gdzie: liczba mililitrów 0.1 M AgNO 3 zużytych do miareczko-wania, poprawka na wskaźnik = 0.2 ml, 0.2 liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu wyjściowego), 0.005846 zawartość w g NaCl odpowiadająca 1 ml 0.1 [M] HNO3. 4. Po napełnieniu obu kolumn reakcyjnych solanką amoniakalną wyłączyć pompę perystaltyczną i silnik mieszadła (nr 15) karbonizatora. 5. Otworzyć zawór nr 10. Otworzyć zawory (główny i reduktora) butli z CO 2 (nr 1), powodując przepływ CO 2, którego wartość określa asystent. Przepływ CO 2 kontrolować na rotametrze nr 3 i utrzymywać na stałym poziomie. Zapisać godzinę rozpoczęcia karbonizacji. 6. Przygotować, ponumerować i zważyć cztery erlenmajerki (odbieralniki) oraz cztery szalki Petriego. Zmontować zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem. 8. Po około 1 godzinie karbonizacji, gdy w karbonizatorze powstanie mlecznobiała zawiesina bikarbonatu, podstawić zlewkę pod dolny kran odpływowy 4
karbonizatora i odkręcając zawór nr 17 upuścić roztwór do określonego (zaznaczonego kreską) poziomu. 9. Otworzyć zawory (główny i reduktora) butli z NH3 (nr 2), powodując przepływ NH3, którego wartość określa asystent. Włączyć pompę perystaltyczną i rozpocząć dozowanie (z określoną przez asystenta prędkością) solanki do kolumny absorpcyjnej. Przepływ NH 3 kontrolować na rotametrze nr 4 i utrzymywać na stałym poziomie. Do załączonej tabelki (patrz, wzór tabelki poniżej) wpisywać: godzinę rozpoczęcia procesu oraz objętość solanki w cylindrze miarowym (nr 8). 10. W odstępach 15-minutowych, przez zawór nr 17, pobierać, upuszczając zawiesinę do zaznaczonej kreski na karbonizatorze, porcje roztworu bikarbonatu do ponumerowanych erlenmajerek. Każdą porcję najpierw schłodzić w zimnej wodzie, zważyć a następnie używając zestawu do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem oddzielić osad bikarbonatu od przesączu. 11. Zmierzyć objętość przesączu oraz masę wilgotnego bikarbonatu. Mokry bikarbonat przenieść do szalek i odłożyć do wysuszenia w temperaturze pokojowej. Suchy bikarbonat należy zważyć po kilkudziesięciu godzinach. Wyniki wszystkich pomiarów zapisujemy w tabelce otrzymanej od asystenta. 12. Z przesączu, według przepisu, sporządzić roztwory podstawowe do miareczkowania na zawartość chlorków oraz wolnego, słabo związanego i całkowitego amoniaku: Odpipetować 10 [ml] przesączu do kolby miarowej o pojemności 250 [ml] i dopełnić wodą destylowaną do kreski - tak otrzymany roztwór jest podstawowym roztworem do wykonania wszystkich poniżej opisanych analiz. 13. Wykonać serie miareczkowań: Oznaczania chloru oraz wolnego i słabo związanego amoniaku: Z otrzymanego roztworu podstawowego pobrać 5 ml, przenieść do erlenmajerki i rozcieńczyć niewielką ilością wody. Roztwór zmiareczkować 0.1 M roztworem HNO3 wobec oranżu metylowego (zmiana barwy z żółtej w środowisku 5
zasadowym na czerwoną w środowisku kwaśnym o ph = 3-4) w celu określenia ilości amoniaku wolnego i słabo związanego. Następnie do tej samej mieszaniny dodać kilka kropli nasyconego roztworu K 2CrO 4 i zmiareczkować 0.1 M roztworem AgNO 3 do pojawienia się brunatnego zabarwienia. Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego oraz chlorków - obliczyć z poniższych wzorów. Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego ( ): Gdzie: v liczba mililitrów 0.1 M HNO 3 zużytych na miareczkowanie, 0.0017 ilość w g NH 3 odpowiadająca 1 ml 0.1 M roztworu HNO 3, 0.2 liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu wyjściowego). Zawartość chloru w roztworze ( ): Gdzie: v liczba mililitrów 0.1 M AgNO 3 zużytych do miareczkowania, p poprawka na wskaźnik = 0.2 ml, 0.2 liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu wyjściowego), 0.003546 zawartość w g chloru odpowiadająca 1 ml 0.1 M HNO3. Oznaczanie amoniaku całkowitego: Odpipetować 5 ml roztworu podstawowego do erlenmajerki. Zobojętnić 0.1 M HNO 3 wobec oranżu metylowego. Następnie dodać 4 ml 40 % roztworu aldehydu mrówkowego uprzednio zobojętnionego wobec fenoloftaleiny i pozostawić na okres 1 minuty do przereagowania. Wydzielony kwas miareczkować 0.1 M NaOH wobec fenoloftaleiny do różowego zabarwienia. Całkowita zawartość amoniaku ( ): Gdzie: v liczba ml 0.1 M NaOH zużytego na miareczkowanie, 0.0017 ilość w g NH3 odpowiadająca 1 ml 0.1 M roztworu NaOH, 0.2 liczba ml pierwotnego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu pierwotnego). 14. Proces prowadzimy do momentu uzyskania powtarzalnych wyników z dwóch kolejnych próbek z karbonizatora. 6
15. Po odebraniu ostatniej porcji zawiesiny bikarbonatu z karbonizatora wyłączyć przepływy gazów (zakręcając zawory reduktorów w odpowiedniej kolejności), opróżnić karbonizator a następnie przepłukać go wodą wykorzystując do tego system węży gumowych. 16. Umyć używany sprzęt laboratoryjny i przygotować stanowisko do kolejnych zajęć. 17. Oddać tabelkę z wynikami asystentowi do podpisania i na jej podstawie wykonać w domu sprawozdanie według załączonego wzoru. Opracowanie wyników Z uzyskanych danych eksperymentalnych należy policzyć wartości średnie, na podstawie których obliczamy: 1. Wszystkie strumienie (solanki, amoniaku, ditlenku węgla, produktu itd.) w jednostkach [g/h]. 2. Straty w procesie. 3. Stopień wykorzystania sodu dwiema metodami: 7
a) jako stosunek ilości moli NH4Cl w roztworze końcowym (przesączu) do początkowej ilości moli NaCl (wprowadzonej z roztworem solanki): gdzie: zawartość chloru w przesączu, 35.46 i 17 masy molowe chloru i amoniaku, amoniak związany w roztworze znad bikarbonatu obliczony w/g wzoru: b) obliczony z wydajności wagowej bikarbonatu (W): gdzie: waga suchego osadu bikarbonatu w [g/h], wydajność teoretyczna bikarbonatu policzona według wzoru: gdzie: ilość NaCl wprowadzona do karbonizacji z roztworem solanki w [g/h], 84 oraz 58.5 masy molowe bikarbonatu i chlorku sodu. 4. Stopień wykorzystania amoniaku ( ): 5. Wykonać wykres Sankey a na papierze milimetrowym opierając się na załączonym schemacie (patrz rysunek poniżej) zachowując proporcje strumieni. Należy określić podstawę bilansu: 1 [cm] = x [g/h]. 8
9