Ciągły proces otrzymywania bikarbonatu metodą Solvay’a

Instrukcja do ćwiczenia nr 10

Asystent prowadzący: Dr Tomasz S. Pawłowski

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:

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,

17. Zawór,

18. Naczynie z solanką amoniakalną.

1. 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).

2. Podczas napełniania kolumn solanką amoniakalną przygotować biurety do wszystkich miareczkowań (biurety na roztwory mianowane: NaOH, HNO₃ 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 (G_NaCl) liczymy według wzoru:

$$G_{\text{NaCl}} = \frac{(v - p) \bullet 0.005846 \bullet 1000}{0.2}\ \lbrack g/l\rbrack$$

Gdzie: v – liczba mililitrów 0.1 M AgNO₃ zużytych do miareczko-wania, p – 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 AgNO₃.

3. Po napełnieniu obu kolumn reakcyjnych solanką amoniakalną wyłączyć pompę perystaltyczną i silnik mieszadła (nr 15) karbonizatora.

4. Otworzyć zawór nr 10. Otworzyć zawory (główny i reduktora) butli z CO₂ (nr 1), powodując przepływ CO₂, którego wartość określa asystent. Przepływ CO₂ kontrolować na rotametrze nr 3 i utrzymywać na stałym poziomie. Zapisać godzinę rozpoczęcia karbonizacji.

5. Przygotować, ponumerować i zważyć trzy erlenmajerki (odbieralniki) oraz trzy szalki Petriego. Zmontować zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem.

6. Po około 1 godzinie karbonizacji, gdy w karbonizatorze powstanie mleczno-biała zawiesina bikarbonatu, podstawić zlewkę pod dolny kran odpływowy karbonizatora i odkręcając zawór nr 17 upuścić roztwór do określonego (zaznaczonego kreską) poziomu.

7. 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 NH₃ 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).

8. W odstępach 15-minutowych, przez zawór nr 17, pobrać, upuszczając zawiesinę do zaznaczonej kreski na karbonizatorze, trzy 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.

9. Zmierzyć objętość przesączu oraz masę wilgotnego bikarbonatu. Wyniki wszystkich pomiarów zapisywać w tabelce otrzymanej od asystenta.

10. Z przesączu, otrzymanego z ostatniej próbki zawiesiny, sporządzić według przepisu roztwór podstawowy 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.

11. Wykonać trzy typy 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 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 K₂CrO₄ i zmiareczkować 0.1 M roztworem AgNO₃ do pojawienia się brunatnego zabarwienia. Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego oraz chlorków^- obliczyć z poniższych wzorów.

Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego (G_NH3, w):

$$G_{NH3,w} = \frac{v \bullet 0.0017 \bullet 1000}{0.2}\ \lbrack g/l\rbrack$$

Gdzie: v – liczba mililitrów 0.1 M HNO₃ zużytych na miareczkowanie, 0.0017– ilość w g NH₃ odpowiadająca 1 ml 0.1 M roztworu HNO₃, 0.2 – liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu wyjściowego).

Zawartość chloru w roztworze (G_Cl−):

$$G_{Cl -} = \frac{\left( v - p \right) \bullet 0.003546 \bullet 1000}{0.2}\ \lbrack g/l\rbrack$$

Gdzie: v – liczba mililitrów 0.1 M AgNO₃ 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 HNO₃ wobec oranżu metylowego. Następnie dodać 4 ml 40%-owego 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 (G_NH3, og):

$$G_{NH3,og} = \frac{v \bullet 0.0017 \bullet 1000}{0.2}\ \lbrack g/l\rbrack$$

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).

12. 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.

13. Umyć używany sprzęt laboratoryjny i przygotować stanowisko do kolejnych zajęć.

14. Oddać tabelkę z wynikami asystentowi do podpisania i na jej podstawie wykonać w domu sprawozdanie według załączonego wzoru.

Raport z ćwiczenia powinien zawierać

1. Cel ćwiczenia,

2. Opis eksperymentu:

a) schemat aparatury,

b) opis wykonywanych czynności oraz warunki i parametry prowadzenia procesu,

c) wyniki pomiarów (arkusz wyników).

3. Opracowanie wyników:

a) równania reakcji,

b) rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników:

• Stopień wykorzystania sodu dwiema metodami:

1. jako stosunek ilości moli NH₄Cl w roztworze końcowym (przesączu) do początkowej ilości moli NaCl (wprowadzonej z roztworem solanki):

$$U_{\text{Na}}\left( I \right) = \frac{G_{NH3,\ zw} \bullet 35.46}{17 \bullet G_{Cl -}} \bullet 100\lbrack\%\rbrack$$

gdzie: G_Cl−– zawartość chloru w przesączu, 35.46 i 17 – masy molowe chloru i amoniaku, G_NH3,  zw – amoniak związany w roztworze znad bikarbonatu obliczony w/g wzoru:

G_NH3, zw = G_NH3, og − G_NH3, w [g/l]

1. obliczony z wydajności wagowej bikarbonatu (W):

$$U_{\text{Na}}\left( \text{II} \right) = \frac{G_{NaHCO3}}{W} \bullet 100\lbrack\%\rbrack$$

gdzie: G_NaHCO3– waga suchego osadu bikarbonatu w [g/h], W – wydajność teoretyczna bikarbonatu policzona według wzoru:

$$W = \frac{S \bullet 84}{58.5}\lbrack g/h\rbrack$$

gdzie: S – ilość NaCl wprowadzona do karbonizacji z roztworem solanki w [g/h], 84 oraz 58.5 – masy molowe bikarbonatu i chlorku sodu.

• Stopień wykorzystania amoniaku (U_NH3):

$$U_{NH3} = \frac{G_{NH3,zw}}{G_{NH3,og}} \bullet 100\lbrack\%\rbrack$$

4. Dyskusję otrzymanych wyników,

5. Wnioski.

Wymagania do kolokwium

1. Podstawy teoretyczne procesu otrzymywania sody metodą Solvaya.

2. Schemat technologiczny metody Solvaya – operacje jednostkowe.

3. Surowce stosowane w procesie – metody uzyskiwania i oczyszczania.

4. Obieg amoniaku i dwutlenku węgla.

5. Karbonizacja – budowa i działanie kolumny karbonizacyjnej. Kalcynacja wodorowęglanu sodu.

6. Podstawy fizykochemiczne procesu karbonizacji.

7. Produkty przemysłu sodowego – otrzymywanie, własności i zastosowanie.

8. Przebieg ćwiczenia, określenie wydajności bikarbonatu.

Zalecana literatura

Praca zbiorowa pod red. T. Kasprzyckiej-Gutman. “Podręcznik do ćwiczeń z technologii chemicznej”, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 1996r