Методичка ОХТ. Практикум для студентов специальностей 148 01 01 Химическая технология производства и переработки неорганических материалов
 Скачать 0.72 Mb.
|
Определение общей жесткости водыМетод определения общей жесткости воды основан на том, что ионы кальция и магния связываются трилоном Б в комплексные соединения. О конце реакции судят по изменению цвета индикатора хромогена черного от розово-малинового до синевато-серого. Появление синевато-серого окрашивания свидетельствует об отсутствии ионов Са2+ и Mg2+ в растворе, т. е. о полном связывании их с трилоном Б. В коническую колбу вместимостью 250 мл отмеривают 100 мл исследуемой воды, добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора, индикатор хромоген (сухую смесь) и медленно титруют 0,1 н раствором трилона Б до перехода окраски в серовато-синюю. Общую жесткость воды Жо, ммоль экв/л, вычисляют по формуле Жо = V1 К N1 1000 / V2, (8) где V1 – объем 0,1 н раствора трилона Б, израсходованный на титрование пробы, мл; К – коэффициент нормальности раствора трилона Б (К = Nфакт / 0,1); N1 – нормальность раствора трилона Б; V2 – объем исследуемой пробы воды, мл. Жо = V1 К при V2 = 100 см3.Определение карбонатной жесткости воды Оттитровывают 100 мл воды 0,1 н раствором HCl в присутствии метилового оранжевого до перехода окраски от желтой к розовой. Карбонатную жесткость Жк, ммоль экв/л, вычисляют по формуле Жк = (V3 N2 1000) / V2, (9) где V3 – объем HCl, который пошел на титрование, мл; N2 – нормальность HCl, моль/л; V2 – объем воды, который взят для анализа, мл. Некарбонатная жесткость определяется как разница между общей и карбонатной жесткостью Жн = Жо – Жк. (10) Определение количества диоксида углерода В колбу поместите 200 мл исследуемой воды, добавьте 2 капли раствора фенолфталеина и взболтайте. Если вода окрасилась в интенсивный розовый цвет, это значит, что в ней нет растворенного диоксида углерода. Отсутствие окраски или очень слабая окраска свидетельствуют о присутствии растворенного диоксида углерода. В этом случае пробу титруют 0,1 н раствором NaOH до появления интенсивной окраски. Концентрацию диоксида углерода определяют по формуле  = 44 N V4 1000 / 200, (11)где N – нормальность NаОН, моль/л; V4 – его объем, мл. Определение концентрации кальция и магния К 100 мл воды добавляют 3 мл 10%-ного КОН до рН = 10–12, вносят примерно 0,2 г сухого индикатора мурексида, смешанного с сульфатом калия, и титруют трилоном Б до перехода окраски из розовой в фиолетовую. Концентрацию кальция СК, ммоль экв/л, рассчитывают по формуле Ск = V5 K, (12) где V5 – объем трилона Б, пошедший на титрование, мл. Концентрацию магния См, ммоль экв/л, рассчитывают по формуле См = Жо – Ск . (13) Качественное определение в воде анионовПосле проведения полного обессоливания воды необходимо убедится в отсутствии в ней как катионов (Mg2+, Ca2+), так и анионов (SO42–, NO3–, Cl–). Анализ на содержание указанных анионов в воде до ее обессоливания и после проводится качественно. Качественный анализ анионовSO42– – раствор хлорида бария дает белый осадок сульфата бария; Cl– – при добавлении раствора нитрата серебра образуется белый осадок хлорида серебра; NO3– – при добавлении раствора дифениламина в серной кислоте появляется характерное для ионов NO3– синее окрашивание. Определение содержания взвешенных частиц (мутность воды) Мутность воды определяется фотоколориметрическим методом при длине волны 440 нм. Оптическую плотность измеряют в кюветах с толщиной поглощающего слоя 3 мм. Количество взвешенных частиц в воде находят по калибровочной кривой. Регистрирующим прибором в фотоколориметре служит микроамперметр типа М907, оцифрованный в микроамперах и имеющий шкалу 0–100 делений, соответствующих шкале коэффициентов пропускания – и оптической плотности – D. При измерении со светофильтром 440 нм, отмеченным на лицевой панели колориметра черным цветом, ручку «Чувствительность» устанавливают в одно из положений 1, 2 или 3. Рабочие поверхности кювет перед каждым измерением необходимо тщательно протирать спирто-эфирной смесью, жидкость в кюветы наливать до метки на боковой поверхности кюветы. При установке кювет в кюветодержатель нельзя касаться пальцами участков поверхности кювет ниже уровня жидкости в них. Колориметр включают в сеть за 15 мин до начала измерений. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто (при этом шторка перед фотоприемником перекрывает световой пучок). В световой пучок помещают кювету со стандартным раствором, по отношению к которому производят измерения, и крышку кюветного отделения закрывают. Ручками «Чувствительность» и «Установка 100» устанавливают отсчет 100 по шкале колориметра. Затем поворотом ручки кювету со стандартным раствором заменяют кюветой с исследуемым раствором. После этого производят отсчет по шкале колориметра, соответствующий коэффициенту пропускания исследуемого раствора в процентах, или по шкале D в единицах оптической плотности. Измерения проводят 3–5 раз и окончательное значение измеряемой величины определяют как среднее арифметическое полученных значений. Построение калибровочной кривойВ мерные колбы вместимостью 250 мл вводят 125, 25, 5, 2,5, 2, 1,5 мл исследуемой воды, предварительно проанализированной на жесткость. Объем в каждой колбе доводят до метки, перемешивают и измеряют оптическую плотность относительно раствора сравнения (дистиллированная вода). Затем растворы отфильтровывают на двух фильтрах «синяя лента», предварительно высушенных при температуре 100С и взвешенных с точностью до 0,001. Фильтры с осадком высушивают до постоянной массы при температуре 100С, после чего взвешивают и по разнице масс фильтров с осадком и без него рассчитывают содержание взвешенных частиц в исследуемых аликвотах. На основании полученных данных строят калибровочную кривую в координатах «оптическая плотность – мутность, мг/л взвешенных частиц». Определение содержания в воде остаточного алюминия после коагуляции С помощью пипетки поместите 10 мл осветленной жидкости в коническую колбу на 250 мл, добавьте 10 мл 0,05 М раствора трилона Б, нагрейте до кипения и кипятите 2–3 мин. Затем снимите колбу с плитки, добавьте к анализируемому раствору 5–7 капель индикатора метилового оранжевого. Если раствор при этом окрасится в розовый цвет, нейтрализуйте его аммиаком (1:1) до желтой окраски. После этого добавьте ацетатный буфер и нагрейте раствор до кипения, потом охладите, добавьте индикатор ксиленоловый оранжевый и оттитруйте избыток трилона Б 0,05 М раствором ZnCl2 до перехода окраски из желтой в розово-фиолетовую. Содержание остаточного алюминия  , %, в осветленной воде рассчитывают по формуле= (V – V1 K) T 100 / (a 1000), (14)где V – объем раствора трилона Б, прилитого в начале анализа, мл; V1 – объем раствора ZnCl2, который пошел на титрование, мл; K – поправочный коэффициент для концентрации раствора; а – аликвота воды для анализа, мл; T – титр трилона Б по Al2O3 (Т = 2,55 мг/мл). Определение содержания в воде остаточного содержания железа после коагуляции С помощью пипетки поместите 10–30 мл осветленной воды в мерную колбу на 100 мл. Затем добавьте 10 мл 10%-ного раствора сульфосалициловой кислоты и нейтрализуйте раствором аммиака до перехода окраски раствора в чисто-желтый цвет, прибавьте еще 5–10 капель аммиачного раствора и доведите объем жидкости в колбе до метки. Раствор старательно перемешайте и через 10 мин измерьте его оптическую плотность при = 420–430 мкм (синий светофильтр). Остаточное содержание железа рассчитывают по формуле  = C V / a, (15)где C – концентрация Fe2O3, определенная по калибровочному графику, мг/мл; V – объем осветленного раствора, мл; a – аликвота осветленного раствора для анализа, мл. 2.5. Задание к лабораторной работе
3. ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ГАЗ – ТВЕРДОЕ, ТВЕРДОЕ – ТВЕРДОЕ 3.1. Восстановление диоксида углерода Цель работы – исследовать влияние различных технологических параметров (температуры, скорости газового потока) на технологические показатели процесса восстановления (степень превращения, выход, скорость взаимодействия). 3.1.1. Основные положения Реакция восстановления диоксида углерода является одной из стадий газификации твердого топлива и заключается во взаимодействии угля с кислородом или водяным паром. Это обратимая эндотермическая реакция, которая протекает с заметной скоростью при высоких температурах: С (т) + СО2 (г) 2СО (г); Н298 = 172,58 кДж. Согласно принципу Ле-Шателье, равновесие реакции смещается в сторону образования оксида углерода при повышении температуры и при снижении давления. Константа равновесия реакции определяется уравнением КР =  , (16)где  – парциальное давление СО, атм;  – парциальное давление СО2, атм.Зависимость равновесной степени превращения (Х*) от КР выводится следующим образом. Пусть исходная смесь состоит из 100 молей СО2 и в момент равновесия достигнута степень превращения, равная Х*, %. Тогда состав смеси в момент равновесия следующий: 100 – Х* молей СО2; 2Х молей СО; всего = 100 + Х молей. Парциальные давления компонентов:  = 2Х Ро / (100 + Х); (17) = (100 – Х) Ро / (100 + Х), (18)где Ро – общее давление, атм. Подставив уравнения (17) и (18) в уравнение (16), получим КР = [2Х / (100 + Х)]2 Ро2 / [(100 – Х) Ро / (100 + Х)] = = 4Х2 Ро2 / (1002 – Х2), (19) отсюда ___________________ ____________________ Х = 10 000 КР / ( 4 Ро КР) = 10 000 / [( 4 Ро / КР)+ 1]. (20) В свою очередь, зависимость КР от температуры выражается следующим образом: lg КР = – 8948 / Т + 2,467 lg Т + 2,772. (21) Как вытекает из анализа уравнений (20) и (21), степень превращения будет повышаться при повышении температуры и понижении давления. Зависимость состава смеси от температуры в случае восстановления чистого СО2 при Ро = 1 атм приведена в табл. 2. Табл. 2. Зависимость равновесного состава смеси от температуры
3.1.2. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы Схема установки по исследованию процесса восстановления СО2 приведена на рис. 3. Процесс протекает в реакторе, который представляет собой кварцевую трубку, наполненную необходимым количеством угля. Реактор находится в вертикальной печи (9). Контроль и регулирование температуры в печи (9) осуществляется термопарой и регулирующим потенциометром (4). Наличие газа-носителя в линиях детектора контролируется манометрами. Концентрация СО2 в газовой смеси определяется с помощью хроматографа (10) и фиксируется самописцем потенциометра КСП-4. Расход газов (азот и диоксид углерода) регулируется вентилями, находящимися на соответствующих баллонах (1, 2). Расход СО2 контролируется ротаметром РС-3 (5) согласно калибровочным данным (6), находящимся на стенде. ВНИМАНИЕ!! Не допускается попадание продуктов реакции в атмосферу лаборатории, т. к. оксид углерода (угарный газ) весьма опасен для здоровья.  Рис. 3. Схема лабораторной установки: 1 – баллон с азотом; 2 – баллон с диоксидом углерода; 3 – блок управления хроматографом; 4 – регулирующий потенциометр; 5 – реометр; 6 – калибровочный график; 7 – потенциометр; 8 – блок управления печью; 9 – печь с реактором; 10 – хроматограф; 11 – дозатор; 12 – блок управления хроматографом; 13 – склянка Дрекселя Герметичность реактора контролируется с помощью поглотительной склянки Дрекселя (13). Загрузка реактора углям должна проводиться при безопасно низких температурах (< 200С). Порядок выполнения работы 1) Вначале следует подать газ-носитель (азот) на детектор хроматографа. Для этого открывают вентиль на баллоне с азотом (1) и включают хроматограф (10). 2) После 30 мин прогревания хроматографа устанавливают на шкале потенциометра (4) заданную температуру и включают печь (9). По достижении заданной температуры открывают вентиль на баллоне с СО2 (2). Расход СО2 контролируется ротаметром (5). Включают самописец потенциометра. 3) После достижения заданной температуры ручками «грубо» и «точно», находящимися на передней панели хроматографа, устанавливают «ноль» на шкале потенциометра КСП-4, после чего берут контрольную пробу газа. Для этого ручку дозатора (11) нажимают до упора, удерживают ее в этом положении 5–7 с и возвращают в исходное состояние. 4) Опыт повторяют при другой температуре и расходе СО2. 5) После окончания работы необходимо выключить нагрев реактора (рукоятка блока нагрева переводится в положение «выключено»), затем следует выключить самописец потенциометра и хроматограф. Перекрыть подачу газа-носителя на хроматограф (закрыть вентиль на баллоне (1)). После охлаждения печи до 473–573 К выключить регулирующий блок потенциометра и прекратить подачу СО2. Обесточить установку. 3.1.3. Расчет показателей процесса восстановления диоксида углерода по экспериментальным данным Определение содержания диоксида углерода Необходимо вычислить площадь контрольного (Sк.п) и экспериментального (Sэ.п) пиков хроматограммы. Площадь пиков, мм2, рассчитывают по формуле S = H L, (22) где Н – высота пика, мм; L – ширина пика на высоте Н / 2, мм. Содержание СО2, об. доля, %, составит  = Sэ.п 100 / Sк.п. (23)Определение степени превращения СО2 В реакторе протекает процесс восстановления СО2 по реакции (1) с изменением объема, и степень превращения СО2 можно рассчитать по уравнению  =  , (24)где  – начальная концентрация, об. доля, %;  – текущая или конечная концентрация, об. доля, %; V – относительная разность объемов смеси при степенях превращения Х = 1,0 и Х = 0.V = (V(X=1) – V(X=0)) / V(X=0) = (2 – 1) / 1 = 1. (25) Определение выхода СО Выход продукта (В) показывает, как близко реальный процесс приблизился к теоретически возможному, в данном случае – равновесному, определяемому из термодинамического расчета. Выход СО В, %, определяют из уравнения В = Х / Х* 100, (26) где Х – экспериментально достигнутая степень превращения СО2, %; Х* – равновесная степень превращения СО2, %, которую следует рассчитать, используя программу, приведенную в прил. 1. Определение скорости превращения СО2 Скорость процесса восстановления в данном случае определяется количеством диоксида углерода, которое реагирует в единицу времени во всем объеме реакционной зоны. Расчет производится по уравнению  , (27)где V0 – объемный расход смеси, дм3/с;  – степень превращения, дол. ед.; VR – объем рабочей зоны реактора (объем угля), дм3.Исходные данные и результаты экспериментального исследования заносят в табл. 3. Табл. 3. Экспериментальные и расчетные данные
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,об. доля, %
, об. доля, %
, %
, дм3/с