硫酸钠溶液降温过程探析.pdfVIP

化学工程师 C h e mi ca l E n g in e e r 2 0 I 1 年第 7期 芏 程 师 圄 地 文章编号 1 0 0 2 1 1 2 4 2 0 1 1 0 7 0 0 5 6 0 3 硫酸钠溶液降温过程探析 范晓明 侯杨 刘 宝 邹惠玲 杜伯会 1 山东省产品质量监督检验研究院 食品化工中心 山东 济南 2 5 0 1 0 0 2 东北师范大学 化学学院 吉林 长春 1 3 0 0 0 0 摘要 通过模拟N a 2 S O 溶液的降温过程 确定了 1 0 0 g L 和 5 0 g L N a 2 S O 溶液的冰点为 一 1 0 在 N a g S O 溶液的降温过程中 N a s 0 的析出率随温度的降低而不断升高 当温度为 1 O 时 1 0 0 g L N a 2 S O 溶 液回收率可达 8 4 3 N a C I K C 1 的加入使 N a 2 S O 溶液的冰点降低 通过综合分析 在 N a 2 S O 工业的提纯精制 过程中 N a S O 溶液降温温度控制比较合理的范围是 一 1 0 O 0 关键词 硫酸钠 冰点 回收率 中图分类号 T QI 1 4 2 6 文献标识码 A Ana l ys ing o f t he co ol in g pr o ce s s o f s od ium s u l f a t e s ol ut ion FAN Xia o ming HOU Ya ng LI U Ba o ZOU Hui l in g DU Ba i hu i 1 S h a n d o n g S u p e is i o n a n d I n s p e ct i o n I n a t i t u t e f o r P r o d u ct Q u a l i t y J i n a n 2 5 5 1 0 0 C h i n a 2 F a cu l t y o f C h e mi s t r y N o r t h e a s t N o r m a l U n i v e r s i t y C h a n g ch u n 1 3 0 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct in t h is p a p e r t h e co o l in g p r o ce s s o f s o d iu m s u l f a t e s o l u t io n wa s s imu l a t e d B y t h is s t u d y it is C O Il fi r me d t h a t t h e f r e e z in g p o in t o f 1 0 0 g L a n d 5 0 g L s o d iu m s u l f a t e s o l u t io n a r e b o t h 一 1 0 P r e cip it a t io n r a t e o f N 2 S 0 4 i s r i s i n g Wi t h t h e t e mp e r a t u r e d e cr e a s e o f s o d iu m s u l f a t e s o l u t io n i t i s u p t o 8 4 3 a t 1 O f o r l O O g 1 Na 2 S O4 s o l u t io n I t wil l l o we r t h e f r e e z in g p o in t o f s o d iu m s u l f a t e s o l u t io n wh e n Na C 1 KC 1 a r e a d d e d T h r o u g h e o m p r e h e n s iv e a n a l y s is t h e p r o p e r s o l u t io n t e mp e r a t u r e r a n g e is 1 0 0 0 d u r in g t h e p u r if ica t io n a n d r e fi n in g p r o t e s s o f t h e s o d iu m s u l f a t e Ke y wo r ds s o dium s ul f a t e f r e e z ing p o in t r e co v e r y r a t e 工业上 通常是采用母液排 出法将芒硝或含有 芒硝 的矿物 由淡水溶液经化学处理 重力沉降 过 滤等步骤后蒸发或者卤水经过多效蒸发分离得到 N a 2 S O 4 t 1 但所得到的 N a 2 S O 纯度有时并不能满足 产品质量要求 采用溶解 一降温析出的方法来可对 N a 2 S O 进行进一步提纯精制 在降温析出的过程中 冷冻温 度过低 时 N a 2 S O 溶液可 能会 出现结 冰现 象 由此冷凝器可能发生堵塞 和冰冻事故 导致生 产过程出现 中断 甚至对 生产设 备造成破坏 影响 生产 的可持续进行 另一方面 冷却温度不够低时 又使 N a 2 S O 的结晶析出率不够高 影响到生产效 率 因此 N a 2 S O 溶液冰点的确定以及合适的降温 温度就显得 比较重要了 本文利用外部冷却降温法模拟了 N a 2 S O 溶液 降温过程中的发生的变化 并最终确定了N a 2 S O 溶 液的冰点以及合适的冷却温度 为企业 的工业化生 产的正常控制和安全操作提供了理论指导 收稿 日期 2 0 1 I 一 0 4 2 2 作者简介 范 晓明 1 9 8 4 一 男 山西平遥人 助理工程 师 硕士 2 0 0 9 年毕业于中国海洋大学分析化学专业 从事石油化工产 品检测研究 1 实验部分 1 1 仪器及试剂 D S Y 一 0 1 9 A低温运动粘度测定仪 大连离合仪 器有 限公司 秒表 A E 2 0 0电子分析天平 坩埚 烘 箱 N a S O N a C 1 N a N O 以上药 品均为分析纯 由 国药集团化学试剂有限公司提供 1 2 实验方 法 量取 7 O raL配制 的 N a 2 S O 溶液置于 双层 玻璃 管中 将玻璃管置于设定好冷却温度的低温运动粘 度测定仪 中 同时打开机械搅拌装置以保证溶液温 度的均匀性并计时 观察 N a 2 S O 溶液温度和状态随 时间的变化 2 结果和讨论 2 1 不同冷却温度下 N a z S O 4 溶液温度的变 化 分别在 一 1 0 和 一 3 5 C 的冷却温度下对 N a s O 2 0 1 1 年第 O 7 期 范晓明等 硫酸钠溶液降温过程探析 进行降温处理 其温度随时间的变化见图 1 2 2 O 1 5 l O 赠5 0 5 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 l 2 0 1 4 0 时间 mi n 图 l 1 0 o c t l O O g L N a 2 S O 溶液温 度变化 F ig 1 T e mp e r a t u r e ch a n g e s o f 1 0 L N a 2 S O 4 s o l u t io n u n d e r一1 0 o C 2 0 1 5 o 餐s O 5 o l J 2 J 3 U 4 0 5 U 时间 m in 图 2 3 5 C F 1 0 0 g L N a S O 溶液温度变化 F ig 2 T e mp e r a t u r e ch a n g e s o f 1 0 L N a 2 S O 4 s o l u t i o n u n d e r 3 5 o C 由图 1 可 以看 出 溶液温度随时间不断下降 当冷却至 2 3 m i n时 溶液温度降低至 9 O c C 溶液开 始出现浑浊现象 开始有少量的晶体析出 与此同 时 溶液温度随着晶体析出迅速回升至 9 7 在此 过程中 随着温度的降低 N a 2S O 在水中的溶解度 不断减小 并逐渐达到过饱和状态 溶液 中 Na 与 S O 4 2 浓度积超过了该温度下 N a 2 S O 的溶度积而开 始析出 N a 2 S O 开始逐渐形成小的晶粒 从水溶液 中析出 但由于外在搅拌的存在 晶体未能长大 呈 无数小晶粒态出现于溶液中 随着溶液温度进一 步降低 有越来越 多的 N a 2 S O 晶体析出 并逐渐沉积至试管底部 当温度 降低至 一 2 3 时 试管中开始出现了大量的冰晶 同时溶液温度迅速上升至 一 1 O C 在随后的 1 5 m i n 内 溶液温度始终保持在 一 1 0 不变 根据 S H T 0 0 9 0 1 9 9 1 t 规定 该 N a 2 S O 溶液的冰点为 一 1 O C 从 图 2可 以看出 当冷却温度为 一 3 5 时 N a 2S O 溶液温度下降速度明显加快 温度由2 1 下 降到 8 8 仅用了 1 l m i n 此时 该 N a 2 S O 溶液开始 出现浑浊现象 同时溶液温度开始上升 直至 9 4 后溶液温度重新开始下降 同时有更多的 N a ES O 溶 液晶体析出 不断沉降至玻璃套管底部 当溶液温 度下降至 一 2 2 时 N a 2 S O 溶液中出现冰花 溶液 温度迅速 回升至 一 1 0 并在随后 的 1 5 mi n内始终 保持不变 因此 1 0 0 m g N a 2S O 溶液在 一 3 5 C 冷 凝条件下测得的冰点也为 一 1 0 C 由图 l 2比较发现 不同降温条件下 溶液降 温过程会出现不同 溶液中晶体析出的温度出现不 同 但并不会影响最终溶液冰点温度的确定 可 以用玻 恩 一哈伯 循环来讨 论 水溶液 中 N a 2 S O 的离解和水化 其循环过程见图 3 N 2S o 4 气 体 2 N a 气 体 s 0 42 气 体 升华热l 晶 格 l离 子 水 合 焓 I f N 2s o 4 体 2 N a 水 液 S O 4 水溶液 图3 N a 2 S O 在水中的玻恩一 哈伯循环 F ig 3 B o r n Ha b e r cy cl e o f Na 2 S O 4 in wa t e r 由图 3可 见 升 华热 离解 热 晶格 能均 由 N a 2 S O 本身性质决定 而离子水合焓则取决于溶质 与溶剂之间的相互作用 将直接影响 N a z S O 在水中 的溶解度 N a 2S O 与水相互作用越大 生成的水和 离子越稳定 离子水合焓越大 其溶解度越大 而 N a 2 S O 在水中的溶解度是随着溶液温度的降低而 逐渐减小的 2 2 不同浓度的 N a z S O 溶液降温模拟 在 一 1 0 冷 却 温度 下 对浓 度 为 5 0 m g L N a 2S O 溶液进行降温处理 其降温过程见图 4 2 0 l 5 交 0 赠 5 0 0 2 0 4 0 6 o 8 0 1 0 o 1 2 0 1 4 0 时间 mi n 图 4 1 0 cc下 5 0 g L 1 N a 2 S 0 4 溶液降温过程 F ig 4 T e mp e r a t u r e ch a n g e s o f 5 0 g L Na 2 S O4 s o l u t io n u n d e r一1 0 由图 4可以看出 5 0 m g L 的 N a 2 S O 溶液温度 随时间不断降低 但当温度降低至 1 7 时 开始有 有小晶体开始析出 溶液温度也回升至 2 0 随后 溶液又开始逐渐下降 当溶液温度降至 一 3 9 C 时 溶液开始出现大量冰晶 并伴随着温度回升至一 1 0 并 在随后 1 5 ra i n 内保持不变 由此 可以得出5 0 m g I J N a z S O 溶液的冰点为 一 1 0 范晓明等 硫酸钠溶液降温过程探析 2 0 1 1 年第0 7 期 通 过 1 0 0 m g L 与 5 0 mg L N a 2 S O 4 溶 液 在 一 1 0 下的降温过程可以推测 在 一 1 0 时为过饱 和的 N a 2 S O 溶液在降温过程 中 均是在一定的温度 下达到过饱和后开始析出晶体 当温度降低至 一 1 0 C 后溶液结冰 不同浓度的 N a 2 S O 溶液的冰点相同 仅是开始析出晶体的温度不同 2 3 Na C I KC I 添加对 Na S O 溶液冰点的 影 响 将含 I N a C I I K C I 和 1 0 N a 2 S O 4 的混合溶 液在 一 1 0 下降温 其溶液温度变化见图 5 2 O 1 5 1 0 赠5 0 5 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 1 2 0 1 40 时间 mi n 图 5 在 1 0 C 下 含 1 0 m g L N a C 1 1 0 m g L K C 1 1 0 0 mg L N a 2 S O 溶液降温过程 F ig 5 T e mp e r a t u r e ch a n g e s o f s o l u t io n 1 0 mg L N a C 1 1 0 m g L KC 1 1 0 0 g L Na 2 S O4 u n d e r I O C 在该混合溶液的降温过程中 当温度下降至7 0 时 溶液 开始有小 的晶体开始析 出 随着温度的进 一 步下降 有更多的晶体不断析出 当温度下降至 一 4 3 时 有大量的冰晶析 出 温度迅速 回升至 一 2 0 o C 并在随后 的十多分钟 内始终保持不变 因此 该混合溶液的冰点为 一 2 0 由于同离子效应 的存 在 使该溶液比同条件下 只含 1 0 0 g l N a 2 S O 溶液 的开始析晶温度要高 但是却使溶液的冰点降低 因此 饱 和 N a 2 S O 溶液在 降温过程 中 当含有其它 杂质离子时 其冰点总是不高于 一 1 0 q C 2 4 不同温度下 N a 2 S O 溶液的晶体析出率 取 1 0 0 rag L N a 2 S O 溶液 7 0 mL于玻 璃 套 管 中 做降温处理 当溶液温度下降至 8 0 后 每隔 1 分别快速取出玻璃管 并将试管中溶液于析出 的晶体抽滤 将抽滤所得的晶体于 1 2 0 C 烘箱内烘 干后测定析出的N a 2 S O 晶体的质量 计算其回收 随着温度降低 N a 2 S O 晶体回收率见图6 由图6 所示 从 8 0 开始 随着溶液温度的降 低 N a S O 的回收率不断升高 溶液温度为 8 0 c IC 时 N a 2 S O 的回收率 为 2 8 2 当温度 降低 至 0 时 其回收达到 8 4 3 从 图中 6可以发现 当温度 降低至 1 0 时 N a 2 S O 的回收率增长开始变缓 温 度降低 1 后 其回收率增加了2 6 因此 可以推 断 在 1 以后 相对而言 降低温度时 其效率也 已 经比较低 考虑到工业化生产时 回收率越高 效益 越好 因此 在工业化生产时 应尽量降低溶液温度 以使更多的 N a 2 S O 晶体析出 但由于 N a 2 S O 溶液 冰点为 一 1 O C 故综合考虑 将 N a 2 S O 溶液的冷却 温度控制在 O q C 一 1 0 C 1 00 8 0 6 O 4 0 回2 0 O 8 6 4 2 0 溶液温度 图 6 不同温度下 N a 2 S 0 4 的回收率 F ig