模拟氨碱法制备纯碱试验条件优化综述

1、模拟氨碱法制备纯碱实验条件优化 封享华 丁世敏 张杨 长江师范学院化学化工学院，重庆涪陵 408100 文章编号： 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 摘要：通过实验定量研究了多种因素对模拟氨碱法制纯碱的影响，优化了实验条件。研究结果表明，吸收液浓度、吸收 液温度、吸收液液面高度、通入 CO2 速率、吸收方式、吸收时间等因素都对 NaCl 的转化率产生较大的影响；条件优化 后，能全面解决实验存在的问题，并使 NaCl 的转化率达 49.2%。 关键词：氨碱法；纯碱；实验条件；优化 氨碱法即索尔维制碱法 1，是将 NH3和CO2通入 NaCl溶液，通气过程中不断析晶制得 NaHCO 3

2、（溶 液中共存 NH4+、HCO3-、Na+、Cl-四种主要离子， 由四种离子构成的四种物质 NH 4HCO 3、 NaCl 、NH 4Cl 、 NaHCO 3中，以 NaHCO 3溶解度最小） ，再加热 NaHCO 3制备 Na2CO3 的方法。工业生产中母液循环利用， NaCl 转化率可达 7274% 。 NH3 +CO 2+H 2O = NH 4HCO3(1) (2) NH 4HCO 3+NaCl = NaHCO 3 +NH4Cl 2NaHCO 3 Na2CO3+H2O + CO2(3) 氨碱法制备过程中涉及称量、溶液配制、固-液反应、气体洗涤、气体吸收、过滤、加热等操作及 理论，含盖的

3、知识内容丰富， 在高校教育更加重视学生能力培养的背景下， “模拟氨碱法制纯碱 ”成为一 些高等院校化学及相关专业的综合设计性实验。 氨碱法的工业生产工艺成熟， 将其转化为设计性实验时， 通常根据实验原理和相关理论， 容易设计 出实验操作的基本轮廓： 按图 1 装配实验装置， 以氨水 （代替氨气） 并溶解 NaCl 配成吸收液； 用 CaCO3 与盐酸反应制备 CO2，并用蒸馏水洗涤 CO2，除去 HCl 气体；然后将 CO2 通入吸收液，制得 NaHCO 3 晶体，过滤，洗涤，加热制备Na2CO3。由于该实验的影响因素多，包括吸收液浓度、吸收液温度、吸 收液液面高度、 通入 CO2速率、CO2

4、吸收方式、 吸收时间等， 在进行实验设计时却难于确定其实验条件， 致使实际操作中往往存在诸多问题： 一是实验过程中气路堵塞， 甚至导致气体回冲至滴液漏斗； 二是实 验时间长，通常需要 3.5小时以上；三是 NaCl 转化率低。 该模拟实验的研究报道极少。 陈国钦老师 2认为，实验中 CO2 的吸收温度和吸收方式是影响实验的 关键因素，认为吸收温度在 38 -50均适宜，并提出了一种CO2的吸收方式： “喷散式 ”。 而吸收 液浓度、吸收液液面高度、通气速率、吸收时间等对实验的影响研究未见报道。本课题全面研究了多 种因素对实验的影响，优化了实验条件，以期解决实验中存在的问题。 1实验部分 1.1

5、 仪器与药品 NaCl 晶体，浓氨水， CaCO3 固体(大理石，块状，与盐酸反应每g 能产生 0.43gCO 2)，浓盐酸， 冰。 托盘天平， 250mL 锥形瓶，滴液漏斗， 100mL 集气瓶， 6mm 8mm 玻璃管，各规格试管， 200mL 烧杯，温度计( 100)，铁架台，酒精灯等。 1.2 实验方法 (1) 吸收液配制：将一定质量 NaCl ，一定体积浓氨水和一定体积蒸馏水置于一定规格的玻璃试管 中混合溶解。 (2) 称取足量块状 CaCO3 置于锥形瓶，将一定浓度盐酸倒入滴液漏斗，将100mL 蒸馏水置于集气 瓶。 (3) 按图 1 装配仪器，检查装置气密性，加热烧杯中蒸馏水至一

6、定温度。 (4) 打开滴液漏斗活塞，通过控制稀盐酸滴加速率，保持集气瓶中匀速产生气泡，以集气瓶中气泡 产生个数度量通气速率(个 /min )。 图1 实验装置图 Fig.1 Experimental apparatus (5) 一定时间后停止通气，将热水浴中热水换成冰- 水混合体系，冷却一定时间。 (6) 取出试管，过滤。将所得白色固体用冰水冷却的蒸馏水少量(每次 3mL )洗涤 2 次。 (7) 固体移至蒸发皿，用酒精灯加热并不断搅拌，直至全部变为白色粉末为止，冷却，称重，计算 NaCl 的转化率。 2实验结果与讨论 2.1 NaCl 用量等一些基础性实验参数的确定 在研究中，首先确定一些基

7、础性实验参数是必要的。依据计算及反复多次的实验表明， NaCl 用量 为 3.0g，既能节约药品， 又能满足产品称量时对称量误差的要求；CaCO3 采用块状及盐酸体积比浓度采 用 1:1 更容易控制气流速率；吸收液体积确定为15.0mL ，该体积适宜 NaCl 的用量及装置的要求；洗气 瓶导管及吸收导管均采用 6mm 8mm 常规玻璃管。 2.2 吸收液浓度对实验的影响 吸收液碱性越强，越有利于溶液对 CO2的吸收 3，且 NaCl浓度和氨浓度越高，越有利于 NaCl向 NaHCO 3的转化。因此，理论上 CO2的吸收液应配成被 NaCl 饱和的浓氨水溶液。但是该溶液的配制存在 一些问题。一是

8、较高氨水浓度下， NaCl 在其中的溶解度无数据可查（ NaCl在氨水中的溶解度随着氨浓 度的提高而下降 3 ）；二是溶解达到饱和的时间长，浪费时间。因此，应选择溶质浓度高，又能快速配 制的吸收液。 表 1 不同浓度吸收液对实验的影响 Table 1 Influence of absorption liquid concentration on experimental results 吸收液温度 421 ，喷散式，通气速率 =1305 个/ min，t （吸收）= 90 min, t （冷却）=15 min, 18mm 180mm试管 吸收液 V（浓氨水 ） V（水） NaCl 溶解 初始析

9、晶 NaCl 转 浓度 /mL /mL 所需时间 /min 时间 /min 化率 /% 10:5 10.0 5.0 5.0 39 30.6 12:3 12.0 3.0 6.0 31 35.3 13:2 13.0 2.0 6.5 28 36.8 14:1 14.0 1.0 少量不溶 - - 表 1 可见， 总体积为 15.0mL 的吸收液， 随着吸收液中氨浓度的增加，初始析晶时间越小， NaCl 转化率越高，但 NaCl 溶解所需时间越长，当吸收液氨水体积比浓度为14:1 时， NaCl 已不能全部 溶解。综合时间和效率两个因素， 选择氨水浓度为 13:2 的吸收液比较恰当。 后面实验都以 13

10、:2配制吸 收液。 2.3 吸收液温度对实验的影响 吸收液温度越高， CO2、氨在水中溶解度越小，且碳酸氢铵在36 以上开始分解为 CO2、氨 和水， 60可以分解完全。因此，高温不利于NaHCO 3 晶体的生成；但温度低，质点运动速率慢， 不利于 CO2在气 -液界面和液体内部的传质 4 ， CO2的吸收速率小，也不利于晶体的生成。 44 图 2 吸收液温度对实验结果的影响 Fig.2 Influence of absorption liquid temperature on experimental results 喷散式，通气速率 =1305 个/ min，t （吸收）= 90 min,

11、 t （冷却）=15 min, 18mm 180mm 试管 图 2 表明，温度低于或高于 421 ，开始析晶的时间变长， NaCl 转化率降低，故吸收液最佳反应 温度在 421为最佳。 2.4 吸收液冷却时间的确定 吸收液通气结束后，取出试管，将温度计插入吸收液，放入冰水中冷却。图 3 的结果表明，吸收液 温度的降低主要发生在前 3min ，其后，温度降速变小， 11min 时降为 0。建议吸收液的冷却时间为 11min 。 图 3 吸收液冷却过程中温度随时间的变化 Fig.3 Temperature of absorption liquid changes with time in the

12、cooling process 2.5 吸收液液面高度对实验的影响 吸收液液面越高，气泡与吸收液接触的时间越长，有利于提高CO2 利用率，提高单位时间内 NaCl 的转化率。 表 2 吸收液液面高度对实验的影响 Table2 Influence of absorption liquid level height on experimental results 吸收液温度 421，喷散式吸收，通气速率 =1305 个/ min ， t（吸收）= 90min, t（冷却）=11min 液面高 开始析晶 NaCl 转 试管规格 度/ cm 时间 /min 化率/% 18mm 180 mm10.028

13、36.7 25 mm200 mm4.03832.2 当吸收液体积一定时， 在众多类型的反应容器中， 显然只有试管才能保证有较高的液面高度。 在众 多试管型号中， 只有 18mm 180mm 、20mm 200mm 、25mm 200mm 三种型号能够满足盛放 15mL 吸收 液的要求。表 2 结果表明，液面高度从 4.0cm 增加到 10.0cm，开始析晶时间显著缩短，NaCl 转化率 明显提高，因此，反应容器应采用18mm 180mm 试管。 2.6 通入 CO2 速率对实验结果的影响 表3 通入 CO2速率对实验结果的影响 Table 3 Influence of rate of pass

14、ing into CO2 on experimental results 吸收液温度 421，喷散式吸收， t（吸收）= 90min, t （冷却）=11min ， 18mm 180mm 试管 通气速率（个 /min ） 1305 19010 24010 开始析晶时间 /min 28 21 16 NaCl 转化率 /% 36.8 43.8 49.2 表 3表明，通气速率越大，越有利于缩短开始析晶时间，有利于提高了NaCl的转化率。但通气速 率大于 24010个气泡 /min 时，气泡会将液体冲出试管。 所以，通气速率控制在 24010个气泡 /min为宜。 2.7 吸收方式对实验的影响 气-液

15、接触面积越大、接触时间越长，越有利于CO 2的吸收，有利于提高 CO2 的利用率，降低实验 成本和实验时间。 表 4 吸收方式对实验结果的影响 Table 4 Influence of absorbing ways on experimental results 吸收液温度 421，通气速率 =24010个气泡 / min ，t（吸收）= 90min, t （冷却）=11min ， 18mm 180mm试管 6mm 内 6mm 内 1.5mm 内 吸收方式 径普通式 径喷散式 径喷散式 同时产生气泡 /个 1 6-8 8-10 气泡直径估值 /mm 9 3 2 开始析晶时间 /min 25 1

16、6 13 NaCl 转化率 /% 40.6 49.2 50.3 实验室通常用 6mm 8mm 玻璃管作为通气导管，通气导管插入液相内部，气泡在液体内的上升过程中实现液体对气体的吸收，这种方式称为普通式。 由于普通式产生的气泡体积大， 比表面小， 理论上对 气体的吸收效率低。 喷散法 2 则是将通气管末端 （或烧制成尖嘴， 要求平滑） 与试管底部接触， 通气时， 较大的气体压力冲击试管底部， 气体分散成许多小气泡， 大大增加了气泡的比表面， 理论上可以提高气 体吸收效率，提高反应速率。 实验采用三种吸收方式做比较。普通式，6mm 8mm 25cm 玻璃管，内径 6mm，导管口距试管底 部 0.5

17、cm ；6mm 内径喷散式， 6mm 8mm 25cm 玻璃管，内径 6mm；1.5mm 内径喷散式， 6mm 8mm 25cm 玻璃管末端烧制成尖嘴，内径 1.5mm 。 表 4 表明， 喷散与普通式相比，同时产生的气泡数显著增加，气泡直径显著减小，开始析晶时 间显著缩短， NaCl 转化率明显提高。对于不同内径的喷散式，内径越小，开始析晶时间有所缩短， NaCl 转化率有所提高，但提高幅度不大。对于 1.5mm 内径喷散式，尖嘴内部容易析晶，导致堵塞，需 要多次清理，去除堵物方能使实验有效进行，因此，采用 6mm 内径喷散式是合理的。前述实验也都是 该条件下进行。 研究中还发现了一个有趣的

18、现象， 1.5mm 内径喷散式中气泡在液体中的上升速率高于 6mm 内径喷 散式，这可能与 1.5mm 内径喷散式中导管内气体压力大，气体冲击试管底部导致气泡反弹速率较大有 关。这一现象可能是 “内径越小， NaCl 转化率提高幅度不大 ”的原因，气泡内径越小，上升速率越大， 气液接触时间缩短， CO2 利用率受到影响。 2.8 冷却过程是否通入 CO2 对实验结果的影响 表 5 表明，冷却过程是否通气对 NaCl 的转化率无明显影响。 其原因是，降温过程主要发生在前 3min ， 吸收液处在相对较高温度的时间短， 温度越低， CO2 的吸收速率小， 对 NaCl 的转化率的贡献小。因此， 建

19、议冷却时不通气，以减少药品的消耗。 表 5 冷却过程是否通入 CO2 对实验结果的影响 Table 5 Influence of passing into CO 2 during cooling process on experimental results 吸收液温度 421，喷散式，通气速率 =24010个/ min ，t（吸收）= 90min ， t（冷却）=11min ， 18mm 180mm试管 是否通气 通气 不通气 NaCl 转化率 /% 49.4 49.2 2.9 通入 CO2 时间对实验的影响 表 6 通入 CO2时间对实验的影响 Table 6 Influence of v

20、entilation time on experimental results 吸收液温度 421 ，喷散式，通气速率 =24010个/ min ，t（冷却）=11min，18mm 180mm试管 通气时间 /min 30 60 90 120 开始析晶时间 /min 15 15 15 15 Na2CO3 产量 /g 0.74 1.31 1.48 1.51 NaCl 转化率 /% 24.8 43.7 49.2 50.4 表 6 表明， 通气时间越长， NaCl 的转化率越高， 但 90min 后的通气对 NaCl 转化率的贡献不大， 从 节约时间考虑，通气时间设置为 90min 最适合。 2.1

21、0 实验各环节耗时 表 7 各环节耗时 Table 7 Time-consuming during each link 实验盐酸配制与配制装置通冷洗涤蒸发、冷却合 环节CaCO3 称量吸收液装配气却过滤加热称重计 耗时 /min 48490117910143 3.结论 （1）模拟氨碱法制纯碱实验中，吸收液浓度、吸收液温度、吸收液液面高度、通气速率、吸收方 式、吸收时间等因素都对 NaCl 的转化率产生较大的影响，而吸收液的冷却过程中是否通入CO2 对实验 结果影响不大。 （ 2）实验最宜条件为：用3.0g NaCl 与 13.0mL 浓氨水、 2.0mL 蒸馏水配成吸收液，所需 1:1 盐 酸

22、约 180mL ，块状 CaCO3 约 45g ，采用 18mm 180mm 试管为吸收液容器， 6mm 8mm 250mm 玻璃管 作为吸收导管，采用喷散式吸收CO2，通气速率保持在 24010 个气泡 /min ，吸收液温度控制在 421，通气时间控制在 90min ，通气后吸收液的冷却时间控制在11min，且冷却过程不用通入 CO2。 在此条件下，实验总共耗时约为 143min ，通气 15min 后可见晶体析出，实验能使 NaCl 的转化率 达到 49.2%，可制备 Na2CO31.48g。 （ 3）条件优化后，实验装置能平稳运行，实验时间显著缩短，NaCl 的转化率明显提高。 参考文献： 1 张晓鸥 ,张特逊 .氨碱法和联碱法 J. 中学化学教学参考 ,2001,（1,2）:74 2 陈国钦 .做好氨碱法实验的关键是什么 J. 化学通报 ,1957（8）:57-59 3 陈扬录 .氨水溶液中氯化钠溶解度的计算 J. 纯碱工业 ,1988（3）:57-58 4 武汉大学编 .化学工程基础（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 process Feng Xiangh