Cel ćwiczenia:

Przedstawienie przemysłowej metody ciągłej karbonizacji solanki amoniakalnej i otrzymywania wodorowęglanu sodowego (bikarbonatu). W ramach ćwiczenia ograniczymy się do dwóch pierwszych etapów metody Solvaya. 

1.Opis aparatury.

Schemat aparatury został przedstawiony na rys.1. Jej główne elementy stanowią kolumna z wypełnieniem i płaszczem chłodzącym (9) służąca do pochłaniania amoniaku oraz karbonizator (12) zaopatrzony w płaszcz grzewczy oraz mieszadło z szeregiem łopatek. Do górnej części kolumny absorpcyjnej (9) doprowadzana jest pompą (8) solanka z cylindra miarowego (7). Amoniak z butli (2) podawany jest na dół kolumny poprzez zbiornik wyrównawczy. Pomiar przepływu amoniaku odczytywany jest na rotametrze (4). Solanka amoniakalna odprowadzana jest dołem kolumny i przelewem wprowadzana do karbonizatora (19). Karbonizator posiada płaszcz grzewczy połączony z termostatem (14). Zamiast półek typowych dla przemysłowej kolumny karbonizacyjnej (tzw. paset) w karbonizatorze zainstalowano długie mieszadło z szeregiem łopatek zapewniające dobre rozprowadzenie CO₂ a zarazem pozwalające uniknąć zatykania przewodów przez wytrącający się bikarbonat. Ditlenek węgla wprowadzany jest do karbonizatora od dołu z butli (1) poprzez rotametr (3) i manostat (5). Odprowadzenie zawiesiny bikarbonatu odbywa przez elektrozawór (17) połączony ze sterownikiem (15). Sterownik rozwiera szczęki odbieralnika w chwili, gdy poziom zawiesiny w karbonizatorze zrówna się z wysokością na jakiej został umieszczony elektryczny czujnik (18). Natomiast zamknięcie szczęk następuje natychmiast po obniżeniu się wysokości słupa zawiesiny poniżej poziomu czujnika. Tym samym ciągłe pompowanie solanki oraz odprowadzanie zawiesiny bikarbonatu zapewnia ciągłość procesu technologicznego.

1- butla z CO₂, 2 – butla z NH₃, 3, 4 – rotametry, 5, 6 – manostaty, 7 – cylinder miarowy z solanką, 8 – pompa perystaltyczna, 9 – kolumna z wypełnieniem do absorpcji amoniaku. 10, 11 – zawory, 12 – kolumna z mieszadłem do karbonizacji solanki amoniakalnej, 13 – silnik mieszadła, 14 – termostat, 15 – sterowanie elektrozaworem, 16 – odbieralnik produktu, 17 – elektrozawór, 18 – elektrody, 19, 20 – zawory. 

2.Cząść analityczna.

2.1. Analiza solanki 

- oznaczanie NaCl w roztworze początkowym.

Odpipetować 10 ml roztworu do kolby miarowej o pojemności 250  ml i rozcieńczyć wodą redestylowaną 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:
 
 

[g/l]

[1]

v - liczba mililitrów 0,1M AgNO3 zużytych do miareczkowania.
p - poprawka na wskaźnik = 0.2ml.
0,2 - liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10ml roztworu wyjściowego).
0,0058 - zawartość (g) chlorku sodu odpowiadająca 1 ml 0,1M HNO₃.
 

2.2. Analiza roztworu znad bikarbonatu

Przesączyć około 20 ml roztworu znad bikarbonatu przez karbowany sączek do suchej erlenmajerki. Odpipetować 10ml przesączu do kolby miarowej o pojemności 250 ml i rozcieńczyć wodą redestylowaną do kreski - tak otrzymany roztwór jest podstawowym roztworem do wykonania wszystkich poniżej opisanych analiz.
 

- Oznaczania chloru oraz wolnego i słabo związanego amoniaku.

Z otrzymanego roztworu podstawowego pobrać 5ml, przenieść do erlenmajerki i rozcieńczyć niewielką ilością wody. Zmiareczkować 0,1M HNO₃ wobec oranżu metylowego ( zmiana barwy z żółtej w środowisku zasadowym na czerwoną w środowisku kwaśnym pH 3-4) w celu określenia ilości amoniaku wolnego i słabo związanego. Następnie dodać kilka kropli nasyconego roztworu K₂CrO₄ i zmiareczkować 0,1M AgNO₃ do pojawienia się brunatnego zabarwienia. Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego oraz Cl^- obliczyć ze wzorów [2]i [3] .
 

Zawartość amoniaku wolnego i słabo związanego, G_NH3 w:
 

[g/l]

[2]

v - liczba mililitrów 0,1M HNO₃ zużytych na miareczkowanie
0,0017- ilość g NH₃ odpowiadająca 1ml 0,1M roztworu HNO₃.
0,2 - liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10ml roztworu wyjściowego).

Zawartość chloru w roztworze G_Cl- :
 

[g/l]

[3]

v - liczba mililitrów 0,1n AgNO₃ zużytych do miareczkowania.
p - poprawka na wskaźnik = 0.2ml.
0,2 - liczba mililitrów wyjściowego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10ml roztworu wyjściowego).
0,0035 - zawartość (g) chloru odpowiadająca 1 ml 0,1M HNO₃.

- Oznaczanie amoniaku całkowitego.

Odpipetować 5 ml roztworu podstawowego do erlenmajerki. Zobojętnić 0,1M HNO₃ wobec oranżu metylowego. Następnie dodać 4ml 40%-owego roztworu aldehydu mrówkowego uprzednio zobojętnionego wobec fenoloftaleiny i pozostawić na okres 1 minuty do przereagowania. Wydzielony kwas miareczkować 0,5M NaOH wobec fenoloftaleiny do różowego zabarwienia. 

Całkowitą zawartość amoniaku G_NH3og oblicza się w/g wzoru 4.
 
 

[g/l]

[4]

v - liczba ml 0,1M NaOH zużytego na miareczkowanie.
0,0017- ilość g NH₃ odpowiadająca 1ml 0,1M roztworu NaOH.
0,2 - liczba ml pierwotnego roztworu użytego do analizy ( 1/50 z 10 ml roztworu pierwotnego)

3. Wykonanie ćwiczenia.

UWAGA ! W czasie wykonywania ćwiczenia obowiązuje noszenie okularów ochronnych. Operacje z butlami zawierającymi NH₃ i CO₂ wykonywać wyłącznie w obecności asystenta.

1. Napełnić cylinder (7) ( 1L) solanką.

2. Określić gęstość solanki przez zważenie 1 litra roztworu NaCl.

3. Umieścić wąż doprowadzający solankę do pompy (8) w cylindrze (7).

4. Sprawdzić czy są zamknięte zawory (10 ) i (11). Włączyć pompę (8) i na maksymalnych obrotach napełnić solanką z cylindra kolumnę absorpcyjną (9) do poziomu odpowiadającego wysokości przelewu do karbonizatora.

5. Włączyć przepływ wody chłodzącej kolumnę absorbcyjną.

6. Otworzyć zawór (20) a następnie uruchomić przepływ amoniaku z butli (2) i regulując zaworem na butli ustawić żądany przepływ na rotametrze (4). Wartość przepływu podaje opiekun. W trakcie nasycania solanki amoniakiem należy bardzo pilnować aby nie spadł przepływ amoniaku kontrolując jego wartość na rotametrze.

7. Prowadzić nasączanie solanki amoniakiem do momentu osiągnięcia żądanego stężenia NH₃ w roztworze. – podniesie się poziom roztworu w kolumnie do zadanej wysokości. 

8. W międzyczasie oznaczyć chlorek sodu w solance wg. pkt. 2.1.

9. Po osiągnięciu żądanego stężenia NH₃ nałeży obniżyć przepływ amoniaku i włączyć termostat (14).

10. Sprawdzić czy jest zamknięty zawór (17). Otworzyć zawór (11) łączący kolumnę (9) z karbonizatorem (12). Uruchomić ponownie pompę (8), co umożliwi napełnienie solanką amoniakalną karbonizator (12). Poziom solanki w karbonizatorze powinien znajdować się ok. 10cm poniżej poziomu czujników. W tym momencie należy wyłączyć pompę (8).

11. Włączyć mieszadło karbonizatora i odczekać aż temperatura solanki amoniakalnej osiągnie w karbonizatorze 50^oC.

12. Otworzyć zawór (19) i uruchomić przepływ CO₂, którego wartość również określa asystent. Przepływ ditlenku węgla kontrolujemy na rotametrze(5).

13. Po około 1 godz. karbonizacji, gdy w karbonizatorze powstanie biały, drobny osad bikarbonatu należy podstawić zważony odbieralnik pod zawór (17) włączyć sterownik (15) oraz pompę (8). Natężenie przepływu solanki (szybkość pompowania)  ustala asystent. Rozpoczyna się odbieranie zawiesiny bikarbonatu do odbieralnika. 

14. Po upływie 0,5 godz. należy zmienić odbieralnik i zważyć go wraz z zawartością. Ze zważonej  mieszaniny poreakcyjnej w odbieralniku należy pobrać ok. 20ml roztworu w celu oznaczenia zawartości chloru, amoniaku wolnego i słabo związanego, amoniaku ogólnego w/g pkt.2.2. Następnie należy odsączyć osad na sączku pod zmniejszonym ciśnieniem, przemyć nasyconymi roztworami wodnym i alkoholowym bikarbonatu i zważyć w stanie wilgotnym.

15. Ćwiczenie można uznać za zakończone jeżeli przy stałych przepływach NH₃, CO₂ oraz solanki uzyskamy zbliżone masy poszczególnych próbek bikarbonatu oraz zbliżone wyniki analiz.

16. Po zakończeniu ćwiczenia należy wysuszyć próbki bikarbonatu do stałej masy.

4. Opracowanie wyników.

Na podstawie otrzymanych wyników należy obliczyć następujące wielkości:

4.1. Stopień wykorzystania sodu 

Stopień wykorzystania sodu U_Na obliczamy dwiema metodami:

- jako stosunek ilości moli NH₄Cl w roztworze końcowym ( roztwór nad bikarbonatem) do początkowej ilości moli NaCl ( wprowadzonej z roztworem solanki).
 
 

[%]

[5]

G_Cl- zawartość chloru w roztworze znad bikarbonatu.
35,46 oraz 17 - masy molowe chloru i amoniaku.

G_NH3zw - amoniak związany w roztworze znad bikarbonatu obliczony w/g wzoru:
 

[g/l]

[6]

 

- Stopień wykorzystania sodu obliczony z wydajności wagowej bikarbonatu W:
 

[%]

[7]

G_NaCO3 - waga suchego osadu bikarbonatu w g/h.
W-wydajność teoretyczna bikarbonatu w/g wzoru [8]
 
 

[g/h]

[8]

s - ilość NaCl wprowadzona do karbonizacji z roztworem solanki (g/h).
84 oraz 58,5 - masy molowe bikarbonatu i chlorku sodu.
 

4.2. Stopień wykorzystania amoniaku U_NH3
 

[%]

[9]

G_NH3zw - amoniak związany w roztworze nad bikarbonatem.
G_NH3og - amoniak ogólny w roztworze nad bikarbonatem.
 

4.3. Wyliczyć wszystkie strumienie i wykonać bilans materiałowy procesu. Obliczyć straty.

4.4. Wykonać wykres Sankey’a na papierze milimetrowym opierając się na załączonym schemacie zachowując proporcje strumieni. Należy określić podstawę bilansu 
1cm = x g.
 

Stronę sformatował A.M.