5. Визначення залишкової твердості

Аналіз здійснюють аналогічно визначенню загальної (пп. 3.2.1). При титруванні проби після катіонування використовують розчин трилону Б з концентрацією 0,01 моль/дм³(додавати у пробупо краплям) для підвищення точності визначення та можливого використання об’єму проби пом’якшеної води до 25 см³(для забезпечення хоча б двох паралельних дослідів загальної та карбонатної твердості).

Величину залишкової твердості обчислюють за формулами (3.15), (3.16) та (3.17). Отримані значення заносять у таблицю.

Таблиця 3.1 – Результати аналізу проб води

Проба	Об’єм проби, см3	Твердість води	Об’єм реагенту на титрування, см3			Середнє значення, см3	Твердість, ммоль/дм3
			паралельні досліди
			1	2	3
вихідна		загальна
		карбонатна
після катіонування		загальна
після вапнування		загальна

3. Обробка і представлення результатів

За рівнянням (3.17) розрахувати некарбонатну твердість обробленої води.

Ступінь пом’якшення води для кожного з двох виконаних методів обробки води обчислюють за формулою, %:

(3.20)

де Тв_заг загальна твердість досліджуваної проби води, ммоль/дм³;Тв_загзалзалишкова твердість води після пом’якшення, ммоль/дм³.

Зробити висновок щодо ефективності пом’якшення води іонообмінним і реагентним способами за отриманими значеннями Х.

4. Техніка безпеки

1. При виконанні роботи необхідно дотримуватися загальних положень та правил безпечної роботи з хімічними реагентами, скляним посудом та газовими горілками.

2. Виконувати роботу треба згідно вказаної у даному тексті послідовності, за наявності сумнівів щодо виконання будь-якої процедури звертатись до викладача.

1. Контрольні запитання

• Допуск до роботи:

1. Мета роботи. Техніка безпеки.

2. Що таке твердість води? Назвати види твердості. Методика хімічного аналізу води на твердість.

3. Необхідність пом’якшення води.

• Захист роботи:

1. Навести рівняння іонообмінного та реагентного способів обробки води.

2. Дати порівняльну характеристику методів пом’якшення води.

3. Назвати стадії та процеси промислової підготовки води.

4. Отримання гідрокарбонату натрію

Мета роботи:отримати гідрокарбонат натрію, виконати аналізи сировини і продукту, розрахувати технологічні показники.

1. Стислі теоретичні відомості

Виробництво кальцинованої соди Na₂CO₃за аміачним способом є гетерогенним некаталітичним багатостадійним процесом у системі Р-Г-Т (рідина – газ – тверде) і передбачає ряд стадій. Головною є стадія отримання гідрокарбонату натріюNaHCO₃, що має назву "карбонізація" - гетерогенний хемосорбційний екзотермічний процес, який відбувається в дифузійній області. Вихідна сировина цього процесу:

• сіль NaCl;

• вапняк або крейда (CаС0₃- для отриманняСО₂);

• аміак NH₃.

Карбонізація амонізованого розчину солі - це процес, у якому послідовно відбувається дифузія СО₂ у газовій фазі, абсорбціяСО₂ аміачною водою, хімічна реакція, дифузія у розчині, кристалізація продукту.

Сумарна реакція процесу карбонізації:

. (4.1)

Вище зазначено, що реакція (4.1) має кілька стадій, котрі спрощено можна подати такими реакціями. Спочатку більша частина оксиду вуглецю (IV) зв’язується у карбонат амонію:

, (4.2)

який у подальшому перетворюється на гідрокарбонат амонію:

_.(4.3)

Гідрокарбонат натрію утворюється в результаті обмінної реакції між хлоридом натрію і гідрокарбонатом амонію:

.(4.4)

Амонізація розсолу необхідна для введення до нього оксиду вуглецю (IV), нерозчинного у насиченому розчині NaCl.

Ступінь перетворення NaCl(X_Na⁺) визначається співвідношенням кількостіNaCl, що перетворився наNaHCO₃-, до вихідної кількостіNaCl, що надійшла на карбонізацію -:

(4.5)

Ступінь перетворення аміаку визначається співвідношеннямNH₃, що зв’язався уNH₄Cl, до вихідної кількості аміаку, що надійшла з розсолом на карбонізацію -:

(4.6)

У промисловості процес карбонізації відбувається в осаджувальній карбонізаційній колоні. У зв’язку зі складністю процесів в осаджувальній колоні немає єдиного узагальненого кінетичного рівняння для їх опису, яке дозволило б розрахувати час перебування реагентів у апараті та геометричні розміри колони. Тому швидкість процесу карбонізації умовно розглядають як складову швидкостей двох стадій: абсорбції СО₂і кристалізації гідрокарбонату натрію.

Рівняння швидкості абсорбції CO₂(W_а, кмоль/год) має вигляд:

(4.7)

де К_аконстанта швидкості абсорбції, кмоль/(Пa·м²·год);Ррушійна сила процесу карбонізації, Па, яка дорівнює різниці парціального тискуCO₂ у газовій фазі і пружності париСО₂над розчином, Па; F поверхня контакту фаз Г - Р, м².

Швидкість абсорбції СО₂залежить від швидкості дифузіїNH₃до поверхні розподілу фаз Г-Р , тому з підвищенням температуриК_а, а отже, іW_aзбільшуються. Однак із підвищенням температури збільшується рівноважний тиск (пружність)СО₂над рідкою фазою, що веде до зменшенняРі, відтак, до зниження швидкості абсорбції. Таким чином, позитивний вплив підвищення температури наК_а обмежується переважним зростанням рівноважного тискуСО₂над рідкою фазою. Отже, для підвищення швидкості карбонізації бажано знижувати температуру процесу абсорбції.

На повноту і швидкість карбонізації впливає секційне введення СО₂: до середньої частини колони вводять «розбавлений»СО₂, а до нижньої частини колониконцентрований. Оскількиу ході реакції збільшується із зростанням концентраціїNaHCO₃і температури, то вказаний прийом введенняСО₂підвищує, а отже, і рушійну силу процесу в нижній частині колони.

Зростанню швидкості абсорбції сприяє розвиток поверхні контакту фаз Г - Р , що досягається завдяки будові карбонізаційної колони наявністю барботажних тарілок у верхній частині колони.

Процес кристалізації NaHCO₃ складається з двох послідовних стадій: утворення зародків кристалів та ріст кристалів. Утворення зародків відбувається у пересичених розчинах, коли пересичення сягає певної величини.

Швидкість процесу кристалізації, кмоль/год:

(4.8)

де K_k- константа швидкості кристалізації, м/год;С- рушійна сила процесу, що дорівнює різниці концентраційNaHCO₃ у пересиченому розчині і рівноважної концентрації, кмоль/м³:; F- поверхня кристалів, м².

На швидкість процесу кристалізації впливає велика кількість чинників, з яких головними є: пересичення, температура, інтенсивність перемішування.

З підвищенням температури збільшуються як швидкість утворення зародків, так і швидкість зростання кристалів, тобто зростає величина K_k, але із зниженням температури збільшується пересичення розчину заNaHCO₃, через те, що зменшується розчинністьNaHCO₃, тобто збільшується рушійна сила процесуС.

Тому у колоні підтримують такий температурний режим: у зоні утворення зародків – 333÷338 К (60÷65 °C), у нижній частині колони, де відбувається масова кристалізація 308 ÷ 313 К (35÷40 °C).

Збільшення Fу рівнянні (4.8) можливе за рахунок зменшення розміру кристалів при збільшенні температури, але для збільшення швидкості фільтрування необхідні досить великі кристалиNaHCO_3.

На стадії росту кристалів перемішування впливає на швидкість процесу у тому разі, якщо лімітуючою стадією є підведення речовин до поверхні кристалу, тобто якщо процес відбувається у дифузійній області. Тоді із зростанням інтенсивності перемішування зростає швидкість конвективної дифузії, що призводить до збільшення швидкості росту кристалів.