模擬氨堿法制備純堿實驗條件優(yōu)化

1、模擬氨堿法制備純堿實驗條件優(yōu)化封享華 丁世敏 張楊 長江師范學院化學化工學院，重慶涪陵 408100文章編號： 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B摘要：通過實驗定量研究了多種因素對模擬氨堿法制純堿的影響，優(yōu)化了實驗條件。研究結(jié)果表明，吸收液濃度、吸收液溫度、吸收液液面高度、通入CO2速率、吸收方式、吸收時間等因素都對NaCl的轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生較大的影響；條件優(yōu)化后，能全面解決實驗存在的問題，并使NaCl的轉(zhuǎn)化率達49.2%。關(guān)鍵詞：氨堿法；純堿；實驗條件；優(yōu)化氨堿法即索爾維制堿法1，是將NH3和CO2通入NaCl溶液，通氣過程中不斷析晶制得NaHCO3（溶液中共存NH4+、HCO3-、Na+、

2、Cl-四種主要離子，由四種離子構(gòu)成的四種物質(zhì)NH4HCO3、 NaCl、NH4Cl、NaHCO3中，以NaHCO3溶解度最?。?，再加熱NaHCO3制備Na2CO3的方法。工業(yè)生產(chǎn)中母液循環(huán)利用，NaCl轉(zhuǎn)化率可達7274%。NH3 +CO2+H2O = NH4HCO3(1)NH4HCO3+NaCl = NaHCO3+NH4Cl (2)2NaHCO3Na2CO3+H2O + CO2(3)氨堿法制備過程中涉及稱量、溶液配制、固-液反應、氣體洗滌、氣體吸收、過濾、加熱等操作及理論，含蓋的知識內(nèi)容豐富，在高校教育更加重視學生能力培養(yǎng)的背景下，“模擬氨堿法制純堿”成為一些高等院校化學及相關(guān)專業(yè)的綜合設計

3、性實驗。氨堿法的工業(yè)生產(chǎn)工藝成熟，將其轉(zhuǎn)化為設計性實驗時，通常根據(jù)實驗原理和相關(guān)理論，容易設計出實驗操作的基本輪廓：按圖1裝配實驗裝置，以氨水（代替氨氣）并溶解NaCl配成吸收液；用CaCO3與鹽酸反應制備CO2，并用蒸餾水洗滌CO2，除去HCl氣體；然后將CO2通入吸收液，制得NaHCO3晶體，過濾，洗滌，加熱制備Na2CO3。由于該實驗的影響因素多，包括吸收液濃度、吸收液溫度、吸收液液面高度、通入CO2速率、CO2吸收方式、吸收時間等，在進行實驗設計時卻難于確定其實驗條件，致使實際操作中往往存在諸多問題：一是實驗過程中氣路堵塞，甚至導致氣體回沖至滴液漏斗；二是實驗時間長，通常需要3.5小時

4、以上；三是NaCl轉(zhuǎn)化率低。該模擬實驗的研究報道極少。陳國欽老師2認為，實驗中CO2的吸收溫度和吸收方式是影響實驗的關(guān)鍵因素，認為吸收溫度在38-50均適宜，并提出了一種CO2的吸收方式：“噴散式”。 而吸收液濃度、吸收液液面高度、通氣速率、吸收時間等對實驗的影響研究未見報道。本課題全面研究了多種因素對實驗的影響，優(yōu)化了實驗條件，以期解決實驗中存在的問題。1實驗部分1.1儀器與藥品NaCl晶體，濃氨水，CaCO3固體（大理石，塊狀，與鹽酸反應每g能產(chǎn)生0.43gCO2），濃鹽酸，冰。托盤天平，250mL錐形瓶，滴液漏斗，100mL集氣瓶，6mm×8mm玻璃管，各規(guī)格試管，200mL燒

5、杯，溫度計（100），鐵架臺，酒精燈等。1.2實驗方法(1) 吸收液配制：將一定質(zhì)量 NaCl，一定體積濃氨水和一定體積蒸餾水置于一定規(guī)格的玻璃試管中混合溶解。 (2) 稱取足量塊狀CaCO3置于錐形瓶，將一定濃度鹽酸倒入滴液漏斗，將100mL蒸餾水置于集氣瓶。(3) 按圖1裝配儀器，檢查裝置氣密性，加熱燒杯中蒸餾水至一定溫度。(4) 打開滴液漏斗活塞，通過控制稀鹽酸滴加速率，保持集氣瓶中勻速產(chǎn)生氣泡，以集氣瓶中氣泡產(chǎn)生個數(shù)度量通氣速率（個/min）。圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental apparatus(5) 一定時間后停止通氣，將熱水浴中熱水換成冰-水混合體系，冷卻一定時

6、間。(6) 取出試管，過濾。將所得白色固體用冰水冷卻的蒸餾水少量（每次3mL）洗滌2次。(7) 固體移至蒸發(fā)皿，用酒精燈加熱并不斷攪拌，直至全部變?yōu)榘咨勰橹?，冷卻，稱重，計算NaCl的轉(zhuǎn)化率。2實驗結(jié)果與討論2.1 NaCl用量等一些基礎(chǔ)性實驗參數(shù)的確定在研究中，首先確定一些基礎(chǔ)性實驗參數(shù)是必要的。依據(jù)計算及反復多次的實驗表明，NaCl用量為3.0g，既能節(jié)約藥品，又能滿足產(chǎn)品稱量時對稱量誤差的要求；CaCO3采用塊狀及鹽酸體積比濃度采用1:1更容易控制氣流速率；吸收液體積確定為15.0mL，該體積適宜NaCl的用量及裝置的要求；洗氣瓶導管及吸收導管均采用6mm×8mm常規(guī)玻璃管

7、。2.2吸收液濃度對實驗的影響吸收液堿性越強，越有利于溶液對CO2的吸收3，且NaCl濃度和氨濃度越高，越有利于NaCl向NaHCO3的轉(zhuǎn)化。因此，理論上CO2的吸收液應配成被NaCl飽和的濃氨水溶液。但是該溶液的配制存在一些問題。一是較高氨水濃度下，NaCl在其中的溶解度無數(shù)據(jù)可查（NaCl在氨水中的溶解度隨著氨濃度的提高而下降3）；二是溶解達到飽和的時間長，浪費時間。因此，應選擇溶質(zhì)濃度高，又能快速配制的吸收液。表1 不同濃度吸收液對實驗的影響Table 1 Influence of absorption liquid concentration on experimental resul

8、ts吸收液溫度42±1 ，噴散式，通氣速率=130±5 個/ min，t (吸收)= 90 min, t (冷卻)=15 min, 18mm×180mm試管吸收液濃度V(濃氨水)/mLV(水)/mLNaCl溶解所需時間/min初始析晶時間/minNaCl轉(zhuǎn)化率/%10:510.05.05.03930.612:312.03.06.03135.313:213.02.06.52836.814:114.01.0少量不溶-表1可見，總體積為15.0mL的吸收液，隨著吸收液中氨濃度的增加，初始析晶時間越小，NaCl轉(zhuǎn)化率越高，但NaCl溶解所需時間越長，當吸收液氨水體積比濃度

9、為14:1時，NaCl已不能全部溶解。綜合時間和效率兩個因素，選擇氨水濃度為13:2的吸收液比較恰當。后面實驗都以13:2配制吸收液。2.3吸收液溫度對實驗的影響吸收液溫度越高，CO2、氨在水中溶解度越小，且碳酸氫銨在36以上開始分解為CO2、氨和水，60可以分解完全。因此，高溫不利于NaHCO3晶體的生成；但溫度低，質(zhì)點運動速率慢，不利于CO2在氣-液界面和液體內(nèi)部的傳質(zhì)4，CO2的吸收速率小，也不利于晶體的生成。圖2 吸收液溫度對實驗結(jié)果的影響Fig.2 Influence of absorption liquid temperature on experimental results噴散

10、式，通氣速率=130±5 個/ min，t (吸收)= 90 min, t (冷卻)=15 min, 18mm×180mm試管圖2表明，溫度低于或高于42±1，開始析晶的時間變長，NaCl轉(zhuǎn)化率降低，故吸收液最佳反應溫度在42±1為最佳。2.4吸收液冷卻時間的確定吸收液通氣結(jié)束后，取出試管，將溫度計插入吸收液，放入冰水中冷卻。圖3的結(jié)果表明，吸收液溫度的降低主要發(fā)生在前3min，其后，溫度降速變小，11min時降為0。建議吸收液的冷卻時間為11min。圖3 吸收液冷卻過程中溫度隨時間的變化Fig.3 Temperature of absorption l

11、iquid changes with time in the cooling process2.5吸收液液面高度對實驗的影響吸收液液面越高，氣泡與吸收液接觸的時間越長，有利于提高CO2利用率，提高單位時間內(nèi)NaCl的轉(zhuǎn)化率。表2 吸收液液面高度對實驗的影響Table2 Influence of absorption liquid level height on experimental results吸收液溫度42±1，噴散式吸收，通氣速率=130±5個/ min，t(吸收)= 90min, t(冷卻)=11min試管規(guī)格液面高度/ cm開始析晶時間/minNaCl轉(zhuǎn)化率/

12、%18mm×180 mm10.02836.725 mm×200 mm4.03832.2當吸收液體積一定時，在眾多類型的反應容器中，顯然只有試管才能保證有較高的液面高度。在眾多試管型號中，只有18mm×180mm、20mm×200mm、25mm×200mm三種型號能夠滿足盛放15mL吸收液的要求。表2結(jié)果表明，液面高度從4.0cm增加到10.0cm，開始析晶時間顯著縮短，NaCl轉(zhuǎn)化率明顯提高，因此，反應容器應采用18mm×180mm試管。2.6通入CO2速率對實驗結(jié)果的影響表3 通入CO2速率對實驗結(jié)果的影響Table 3 Influ

13、ence of rate of passing into CO2 on experimental results吸收液溫度42±1，噴散式吸收，t(吸收)= 90min, t(冷卻)=11min，18mm×180mm試管通氣速率（個/min）130±5190±10240±10開始析晶時間/min282116NaCl轉(zhuǎn)化率/%36.843.849.2表3表明，通氣速率越大，越有利于縮短開始析晶時間，有利于提高了NaCl的轉(zhuǎn)化率。但通氣速率大于240±10個氣泡/min時，氣泡會將液體沖出試管。所以，通氣速率控制在240±10個

14、氣泡/min為宜。2.7吸收方式對實驗的影響氣-液接觸面積越大、接觸時間越長，越有利于CO2的吸收，有利于提高CO2的利用率，降低實驗成本和實驗時間。表4 吸收方式對實驗結(jié)果的影響Table 4 Influence of absorbing ways on experimental results吸收液溫度42±1，通氣速率=240±10個氣泡/ min，t(吸收)= 90min, t(冷卻)=11min，18mm×180mm試管吸收方式6mm內(nèi)徑普通式6mm內(nèi)徑噴散式1.5mm內(nèi)徑噴散式同時產(chǎn)生氣泡/個16-88-10氣泡直徑估值/mm932開始析晶時間/min

15、251613NaCl轉(zhuǎn)化率/%40.649.250.3實驗室通常用6mm×8mm玻璃管作為通氣導管，通氣導管插入液相內(nèi)部，氣泡在液體內(nèi)的上升過程中實現(xiàn)液體對氣體的吸收，這種方式稱為普通式。由于普通式產(chǎn)生的氣泡體積大，比表面小，理論上對氣體的吸收效率低。噴散法2則是將通氣管末端（或燒制成尖嘴，要求平滑）與試管底部接觸，通氣時，較大的氣體壓力沖擊試管底部，氣體分散成許多小氣泡，大大增加了氣泡的比表面，理論上可以提高氣體吸收效率，提高反應速率。實驗采用三種吸收方式做比較。普通式，6mm×8mm×25cm玻璃管，內(nèi)徑6mm，導管口距試管底部0.5cm；6mm內(nèi)徑噴散式，6

16、mm×8mm ×25cm玻璃管，內(nèi)徑6mm；1.5mm內(nèi)徑噴散式，6mm×8mm×25cm玻璃管末端燒制成尖嘴，內(nèi)徑1.5mm。表4表明，噴散與普通式相比，同時產(chǎn)生的氣泡數(shù)顯著增加，氣泡直徑顯著減小，開始析晶時間顯著縮短，NaCl轉(zhuǎn)化率明顯提高。對于不同內(nèi)徑的噴散式，內(nèi)徑越小，開始析晶時間有所縮短，NaCl轉(zhuǎn)化率有所提高，但提高幅度不大。對于1.5mm內(nèi)徑噴散式，尖嘴內(nèi)部容易析晶，導致堵塞，需要多次清理，去除堵物方能使實驗有效進行，因此，采用6mm內(nèi)徑噴散式是合理的。前述實驗也都是該條件下進行。研究中還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，1.5mm內(nèi)徑噴散式中氣泡在液

17、體中的上升速率高于6mm內(nèi)徑噴散式，這可能與1.5mm內(nèi)徑噴散式中導管內(nèi)氣體壓力大，氣體沖擊試管底部導致氣泡反彈速率較大有關(guān)。這一現(xiàn)象可能是“內(nèi)徑越小，NaCl轉(zhuǎn)化率提高幅度不大”的原因，氣泡內(nèi)徑越小，上升速率越大，氣液接觸時間縮短，CO2利用率受到影響。2.8冷卻過程是否通入CO2對實驗結(jié)果的影響表5表明，冷卻過程是否通氣對NaCl的轉(zhuǎn)化率無明顯影響。其原因是，降溫過程主要發(fā)生在前3min，吸收液處在相對較高溫度的時間短，溫度越低，CO2的吸收速率小，對NaCl的轉(zhuǎn)化率的貢獻小。因此，建議冷卻時不通氣，以減少藥品的消耗。表5 冷卻過程是否通入CO2對實驗結(jié)果的影響Table 5 Influe

18、nce of passing into CO2 during cooling process on experimental results吸收液溫度42±1，噴散式，通氣速率=240±10個/ min，t(吸收)= 90min，t(冷卻)=11min，18mm×180mm試管是否通氣通氣不通氣NaCl轉(zhuǎn)化率/%49.449.22.9通入CO2時間對實驗的影響表6 通入CO2時間對實驗的影響Table 6 Influence of ventilation time on experimental results吸收液溫度42±1，噴散式，通氣速率=240

19、±10個/ min，t(冷卻)=11min，18mm×180mm試管通氣時間/min306090120開始析晶時間/min15151515Na2CO3產(chǎn)量/g0.741.311.481.51NaCl轉(zhuǎn)化率/%24.843.749.250.4表6表明，通氣時間越長，NaCl的轉(zhuǎn)化率越高，但90min后的通氣對NaCl轉(zhuǎn)化率的貢獻不大，從節(jié)約時間考慮，通氣時間設置為90min最適合。2.10實驗各環(huán)節(jié)耗時表7 各環(huán)節(jié)耗時Table 7 Time-consuming during each link實驗環(huán)節(jié)鹽酸配制與CaCO3稱量配制吸收液裝置裝配通氣冷卻洗滌過濾蒸發(fā)、加熱冷卻稱

20、重合計耗時/min484901179101433.結(jié)論（1）模擬氨堿法制純堿實驗中，吸收液濃度、吸收液溫度、吸收液液面高度、通氣速率、吸收方式、吸收時間等因素都對NaCl的轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生較大的影響，而吸收液的冷卻過程中是否通入CO2對實驗結(jié)果影響不大。（2）實驗最宜條件為：用3.0g NaCl與13.0mL濃氨水、2.0mL蒸餾水配成吸收液，所需1:1鹽酸約180mL，塊狀CaCO3約45g，采用18mm×180mm試管為吸收液容器，6mm×8mm×250mm玻璃管作為吸收導管，采用噴散式吸收CO2，通氣速率保持在240±10個氣泡/min，吸收液溫度控制在

21、42±1，通氣時間控制在90min，通氣后吸收液的冷卻時間控制在11min，且冷卻過程不用通入CO2。在此條件下，實驗總共耗時約為143min，通氣15min后可見晶體析出，實驗能使NaCl的轉(zhuǎn)化率達到49.2%，可制備Na2CO31.48g。（3）條件優(yōu)化后，實驗裝置能平穩(wěn)運行，實驗時間顯著縮短，NaCl的轉(zhuǎn)化率明顯提高。參考文獻：1 張曉鷗,張?zhí)剡d.氨堿法和聯(lián)堿法J.中學化學教學參考,2001,(1,2):742 陳國欽.做好氨堿法實驗的關(guān)鍵是什么J.化學通報,1957(8):57-593 陳揚錄.氨水溶液中氯化鈉溶解度的計算J.純堿工業(yè),1988(3):57-584 武漢大學編

22、.化學工程基礎(chǔ)（第二版）M.高等教育出版社,2009,8:135-136.Experimental conditions optimization of soda ash preparation by ammonia soda processFeng Xianghua*, Ding Shimin, Zhang Yang (School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100)Abstract: The effects factors on soda ash prepar

23、ation by ammonia soda process was quantitatively investigated, and the experimental conditions was optimized. The research results show that a few factors such as the concentration, temperature and height of absorbing liquid, the rate of passing into carbon dioxide, the ways and time of absorption,

24、ect, have greater impact on the conversion of NaCl. After optimization of experimental conditions, the problems existing in the experiment can be solved, and the conversion rate of NaCl can reach up to 49.2%. 1 Keyword: Ammon2 ia soda process；Sodium carbonate；Experimental conditions；Optimization 模擬工

25、業(yè)制備純堿的實驗設計摘要：為彌補中學化學教材中無相關(guān)實驗的缺陷，設計了三個模擬工業(yè)制備純堿和一個模擬聯(lián)合制堿法母液處理的實驗方案，旨在為工業(yè)制備純堿的實驗教學提供可選擇的參考素材和方法。 關(guān)鍵詞：模擬實驗；工業(yè)制備純堿；實驗方案；侯氏制堿法 文章編號：10056629（2014）1005203 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B 純堿具有廣泛的用途，是重要的化工原料之一。上海高三拓展型教材第106108頁是氨堿法（索爾維制堿法）和聯(lián)合制堿法（侯德榜制堿法）的內(nèi)容，在上海市中學化學課程標準（試行稿）1中，對“制堿原理”規(guī)定的學習水平是“理解”，對“侯氏與索氏法

26、的比較”的規(guī)定是“掌握”，屬學習水平中的最高要求。這一內(nèi)容也是歷年高考的熱點，從學生的答題情況看，也是學生掌握的難點。然而教材中卻沒有安排相應的實驗，為提高學生的學習興趣，加深對工業(yè)制堿原理的理解，筆者期望能在課堂上模擬工業(yè)制堿。為此，筆者按資料2上的方法進行實驗，發(fā)現(xiàn)一些方法因耗時過長、步驟太繁等并不適合課堂演示或?qū)W生實驗。筆者又進行了多次的探索和改進，最終達到了比較好的效果?，F(xiàn)介紹如下。 1 實驗方案一 1.1 實驗原理 NH3+CO2+H2O+NaClNaHCO3+NH4Cl 向飽和食鹽水中通入足量氨氣至飽和，然后通入二氧化碳，得到溶解度較小的碳酸

27、氫鈉3。 1.2 實驗儀器和試劑 （1）儀器：天平、量筒、圓底燒瓶3個、分液漏斗2個、鐵架臺3個、燒杯、漏斗、玻璃管、試管、酒精燈、玻璃棒、藥匙、導管和橡皮塞若干。 （2）試劑：27%濃氨水（=0.9 g/cm3）、氫氧化鈉固體、冰水、5 mol/L稀硫酸、碳酸鈣粉末、熟石灰粉末、蒸餾水、飽和粗食鹽水、澄清石灰水、紅色石蕊試紙、濾紙等。 1.3 實驗裝置和實驗效果圖 實驗裝置和實驗效果圖分別見圖1和圖2。 1.4 實驗步驟 （1）準備：搭好裝置，檢驗氣密性。量取20 mL的飽和食鹽水于中間的燒瓶中；稱取40 g氫氧化鈉固體于

28、制氨氣的燒瓶中，量取50 mL濃氨水于制氨氣的分液漏斗中；再稱取70 g碳酸鈣粉末于制二氧化碳的燒瓶中，量取150 mL稀硫酸（分幾次加入）于制二氧化碳的分液漏斗中。將裝有飽和粗食鹽水的燒瓶浸入冰水中。如圖1所示。 （2）制備：將裝有濃氨水的分液漏斗打開，產(chǎn)生氨氣通入飽和粗食鹽水中，20分鐘左右時，觀察到飽和食鹽水上方有大量的白霧產(chǎn)生。再打開裝有稀硫酸的分液漏斗，產(chǎn)生的二氧化碳通入飽和的氨化粗食鹽水中。約5分鐘即有渾濁出現(xiàn)，約15分鐘能看到大量的白色固體析出。 1.5 母液處理 1.6 實驗注意事項 （1）食鹽水用粗鹽（雜質(zhì)可做為晶核，若無粗食鹽，可在飽

29、和食鹽水中加幾粒食鹽晶體）配制，效果明顯，析出碳酸氫鈉更快； （2）制備實驗中先通入氨氣達飽和后再通二氧化碳，插入食鹽水中的導管用尖嘴且導管口靠近燒瓶底部，這樣產(chǎn)生氣泡多而小有利于碳酸氫鈉的生成，效果好。 1.7 實驗的優(yōu)缺點 本實驗現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的碳酸氫鈉固體較多；母液的處理能很好地說明侯氏法的優(yōu)點。實驗的缺點是裝置龐大、耗時長，僅制備實驗就需近35分鐘，母液的處理需要約20分鐘，因此不宜作為課堂實驗。本實驗涉及到的知識及操作較多，如：氣體的制備，氣體的性質(zhì)，尾氣的處理、過濾等，若作為課外學生實驗，是提高學生綜合能力的良好載體。 2 實驗方案二

30、0;2.1 實驗原理 實驗原理同實驗一。 2.2 實驗儀器和試劑 （1）儀器：天平、試管、藥匙、圓底燒瓶、分液漏斗、鐵架臺、燒杯。 （2）試劑：粗鹽顆粒、飽和氨水、冰水、5 mol/L稀硫酸、碳酸鈣粉末。 2.3 實驗裝置和實驗效果圖 實驗裝置和實驗效果圖分別見圖5和圖6。 2.4 實驗步驟 （1）準備：稱取8 g粗鹽，加入到30 mL的飽和氨水中，配制飽和氨化粗鹽水于大試管中。如圖5搭好裝置并檢驗氣密性。稱取50 g碳酸鈣粉末于圓底燒瓶中，再量取100 mL稀硫酸于分液漏斗中。 （2）制備：將裝有配制好的飽和氨化粗鹽水的試管浸入冰水中，向其中通入二氧化碳氣體約5分鐘看到沉淀，約十分鐘時，產(chǎn)生大量白色沉淀（見圖6）。 2.5 母液處理 母液處理方法同方案一。 2.6 實驗的優(yōu)缺點 此實驗的優(yōu)點是現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的碳酸氫鈉固體量多，耗時短，約十分鐘，適合做演示實驗。課前需準備好飽和氨化粗鹽水，也適合作為課堂學生實驗。