Получение соляной кислоты

Лабораторная работа №1.

Цель работы: Ознакомление с основными стадиями получения соляной кислоты, составление материального баланса процесса, определение выходов продуктов и расходных коэффициентов по сырью.

Общие сведения:

Соляная кислота – это водный раствор хлористого водорода. Соляная кислота – жидкость бесцветная или желтоватого цвета из-за наличия примесей, главным образом солей железа.

В промышленности используют соляную кислоту, содержащую от 27,5 до 37%.

Соляная кислота применяется для получения хлоридов цинка, бария, магния и т.д., для травления металлов, для очистки паровых котлов от накипи, в производстве сахара, желатина, клея, а также при дублении и окраске кожи и т.д.

Производство соляной кислоты состоит из двух основных стадий: получение хлористого водорода и абсорбция хлористого водорода водой. В зависимости от метода получения хлористого водорода различают следующие способы производства соляной кислоты: 1) сульфатный., 2) синтез из хлора и водорода., 3)из отходящих газов, в которых содержится хлористый водород, получаемый как побочный продукт.

Сульфатный способ заключается в воздействии 92 – 98% - ной серной кислоты на поваренную соль при 500 – 550⁰С.

2NaCl + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HCl – 68,25 кДж (1);

Реакция необратима, эндотермическая.

Процесс проводят в муфельных печах, обогреваемых топочными газами, имеющими температуру 950 – 1100⁰С.

Кислота получается с концентрацией не выше 27 – 31 %.

Синтез хлористого водорода из хлора и водорода в настоящее время является основным:

H₂ + Cl₂ ↔ 2HCl + 184,23 кДж (2);

Сжигание водорода в хлоре проводят в печах при температуре 2400⁰С при избытке водорода 5 – 10%.

Во многих производствах хлористый водород образуется как побочный продукт. Особенно в больших количествах он получается при хлорировании органических соединений, например, в производстве хлорбензола:

C₆H₆ + Cl₂ = C₆H₅Cl + HCl (3);

Вторая стадия получения соляной кислоты – абсорбция хлористого водорода водой – сопровождается образованием гидратов и идет с выделением тепла. Абсорбцию осуществляют двумя способами – с отводом тепла и без отвода тепла (адиабатическая абсорбция).

Помимо ознакомления с основными стадиями производства соляной кислоты в данной работе ставится задача составления материального баланса процесса, определение выхода продукта и расходных коэффициентов по сырью.

Материальный баланс составляется на основе закона сохранения массы вещества, согласно которому масса всех веществ, вводимых в производство, должна равняться массе веществ, выводимых из него.

Материальный баланс может быть составлен: а) на единицу исходного сырья., б) на единицу получаемого продукта., в) на одну загрузку при периодическом процессе., г) на определенную производительность и т.д.

Материальный баланс выражают в виде таблицы, диаграммы или уравнения.

Перед составлением материального баланса вычерчивают схему процесса, процесс описывают химическими уравнениями и производят материальные расчеты, т.е. определяют расходы сырья и отдельных компонентов, весовые количества получаемых продуктов, полупродуктов и отходов производства.

Выход продукта η есть отношение количества полученного продукта G к максимально возможному G_м:

η = G/G_м (4);

Выход выражают в массовых долях или процентах. Максимально возможное количество продукта G_м определяется по сырью и основной химической реакции. Если в реакции участвует несколько реагентов, то как правило, выход вычисляется по тому из реагентов, который берется в недостатке. Для рассматриваемой реакции (1) выход следует вычислять по NaCl, так как серная кислота берется в избытке.

Выход от максимального учитывает производственные механические потери, потери со сточными водами и газовыми выбросами, потери на побочные реакции. Он характеризует совершенство всего технологического процесса.

Понятие «выход от максимально возможного» можно применять для всего технологического процесса или для отдельных его стадий.

При рассмотрении обратимых реакций дополнительно вводятся понятия равновесный выход η_р и выход от равновесного η¹. Равновесный выход есть отношение количества получаемого продукта в равновесных условиях G_р к максимально возможному G_м по реакции, считая ее необратимой.

Выход из равновесного η¹ – это отношение количества полученного продукта G к равновесному G_р (6):

η_р = G_p / G_м (5);

η¹= G / G_p (6);

Равновесный выход показывает, какое количество продукта можно получить при данных условиях (температуре, давлении и концентрации), а выход от равновесного характеризует совершенство стадий технологического процесса при данных условиях. Понятие «равновесный выход» и «выход от равновесного» можно применять только для собственно химической реакции. Численно равновесный выход выше выхода от максимального возможного, но ниже от равновесного, т.е.

η< η_p < η¹ (7);

В электроно-химических реакциях пользуются понятием выхода по току, представляющим собой отношение количества полученного продукта к тому количеству, которое должно было бы получиться по закону Фарадея при той же затрате электричества.

При разделении многокомпонентных смесей, например, при обогащении, абсорбции и т. д., вместо понятия выхода пользуются понятием степени извлечения. Степень извлечения представляет собой отношение количества извлеченного в процессе компонента к его количеству в начале процесса. Если процесс обратимый, то дополнительно, как и для выхода, вводятся равновесная степень извлечения и степень извлечения от равновесной.

Если максимально возможное количество продукта определить нельзя, то выход продукта определяется в процентах или в виде кг/т, кг/кг, и т.д. Так выражают выход продуктов, например, при коксовании каменного угля, при переработке нефти и т.д.

Расходные коэффициенты есть расходы сырья, вспомогательных материалов и энергии, отнесенные к единице получаемой продукции. Расходные коэффициенты выражают в единицах: т/т, м³/т, квт.ч/т и т.д.

По сырью различают практически расходные коэффициенты и теоретически. Практические расходные коэффициенты по сырью определяют по формуле:

β= G_c / G_n (8);

где: G_c – расход сырья при фактической или 100% концентрации;

G_n – количество получаемого продукта.

Теоретические расходные коэффициенты определяются по уравнению реакции. Так, для реакции аА + вВ = сС расходный коэффициент по веществу А равен:

β_Т = аМ_А / сМ_с (9);

где М_А и М_с – молекулярные массы компонентов А и С.

Описание схемы установки:

Схема установки для получения соляной кислоты показана на рис. 1. В колбе при взаимодействии поваренной соли с серной кислотой образуется хлористый водород по реакции (1). Колба 1 подогревается электроплиткой 5.

Образующийся в колбе хлористый водород проходит поглотительную склянку с серной кислотой 10, где он охлаждается и освобождается от паров воды и других примесей. Далее хлористый водород поступает в поглотительные склянки 11 и 12, где он абсорбируется водой.

Установка работает под небольшим вакуумом (5 – 10 мм.рт.ст.), который создается с помощью вакуум-насоса 16 и измеряется манометром 7. Бутыль с водой 13 (точнее уровень воды в бутыли) служит для ограничения максимального вакуума в системе, создаваемого водоструйным насосом.