水盐体系相平衡测定及硫酸钾和氯化钾的制备

化工专业实验实验报告实验名称：水盐体系相平衡测定及硫酸钾和氯化钠的制备实验人员：张松实验小组：工艺（2）班-（4）小组小组成员：张松,李才奎,李银,木汗买提实验时间：2010年10月29日水盐体系相平衡测定及硫酸钾和氯化钾的制备实验目的研究无机盐类与水的相图及其变化规律，用水盐体系相图基本原理和方法的指导生产多种无机盐及其它化工产品。水盐体系相图为盐化工、肥料化工、海洋化工、三废处理利盐矿地质等领域中的一门重要的专业理论知识。通过25oCK+、Na+//C1-、SO4=-H2O体系的相平衡数据的测定、相图的绘制和分析、工艺路线的分析、工艺路线的“模拟试验”、实验验证、最终得化工产品K2SO4和NaCl，使实验者了解化工产品开发过程和方法，掌握化工产品生产工艺过程的基本技能。相图数据的获取1.对于水盐体系，由于电解质溶液理论不够成熟，目前只能对简单的二元、三元和特定多元进行溶解度的预测外[1]，其余都由实验测定。2.溶解度实验测定常用等温法、多温法。等温法：在某一恒定的温度下，使一定组成的系统在实验装置内达到相平衡，然后直接测定液相的组成并鉴定与液相呈平衡的固相情况，从而获得相平衡数据。多温法通过测定不同组成的体系在变温过程中发生相变时的温度，得到组成与相变温度关系的曲线，进而根据作图可确定体系的相平衡数据。变温过程可以是冷却，也可以是加热。对于水盐体系常用冷却方法，测定发生相变温度有目测和时间——温度曲线拐点两种。前者结果准确，但麻烦、费时；后者过程简单，但不够准确易于漏掉小的饱和面。依据准确的溶解度数据可以绘制各种组成表示的相图。实验原理根据实际测定25oC和100oC相平衡数据容易绘制出K+、Na+//C1-、SO4=-H2O系统相图如图（1）。25oC时一共存在6个结晶区间，它们分别是AEGFNa2SO4·10H2O结晶区、FHRGNa2SO4结晶区、HRJKBNaCl结晶区、EGRJPMNa2SO4·3K2SO4结晶区、KJPNCKCl结晶区、MPNDK2SO4的结晶区。100oC时一共存在5个结晶区：Na2SO4、Na2SO4·3K2SO4、KCl、K2SO4。依据相图分析可以提出三或多种工艺路线。直接法生产K2SO4：把配料组成点配制为a点，其反应为Na2SO4+2KCl+WK2SO4+P，其中W为水，P为含有Na+、SO4=、K+、C1-、H2O的盐溶液。理论计算钾的收率为26～29％之间。间接法生产K2SO4：把配料组成点配制为点“1”处，其反应为Na2SO4+2KCl+W1Na2SO4·3K2SO4+R，其中W1为水，R为含Na+、SO4=、K+、C1-、H2O盐溶液，Na2SO4·3K2SO4为钾芒硝，用g表示；g与KCl、H2O配制成物系点b，反应式为g+2KCl+W2K2SO4+P，其中W2为水，P为盐液，性质同前；P盐溶液与Na2SO4配制成物系点“3’”反应式为P(溶液)+Na2SO4±W3Na2SO4·3K2SO4+R，其中±W3为增加水量或减少水量，R性质同前：以此反复，此工艺过程的钾收率可达80％左右。闭路法生产K2S04和回收NaCl工艺：此工艺在间接法的基础上回收R盐溶中的NaCl和钾芒硝g。由R点组成经人为调节到“4”点，加热溶液“4”点至100oC点处，蒸发掉部分水份，由于溶液“4”处于100oC时NaCl结晶区内，故析出NaCl，过滤得NaCl和C100oC盐溶液。C100oC盐溶处于25oC的钾芒硝结晶区内，故当冷却至25oC时，得到钾芒销和盐溶液“3”，把钾芒硝和盐溶液“3”反复应用，并结合25oC和100oC条件的相图的应用，理论上钾的收率达到100％。A1、A2、A3—Na2SO4；C1、C2、C3—K2Cl2；G1、G2、G3—Na2SO4·3K2SO4；W1、W2、W3、W4—H2O；B—Na2Cl2；D—K2SO4；R1、R2、R3、R、P—盐溶液。模拟计算过程：输入工艺操作条件：T(2)：25oC，100oC输入物质量和符号：A(3)，C(3)，G(3)，W(4)，P(3)，D(3)，B(3)，R(3)，R输入各离子的J值：P(3)(3)K2J(3)aN2J(3)Cl2J(3)SO4JO(3)H2J68.931.0594.465.541800R(3)14.2085.8079.502.501500g(3)75250.001000.00C100oC(3)29.0270.9885.4314.571246实验步骤相平衡数据测定：(1)加热水浴于25±0.05℃；(2)按相图R、P点用台秤称量，干盐总量不超过20g；(3)先加入少量水于平衡管中，再依次加入KCl、NaCl、Na2SO4、K2SO4，开搅拌器，最后把所有水量全部倒入平衡管中，记时间、温度、平衡搅动2—3小时；(4)停止搅动，静止澄清1—2小时，分别取清液分析和湿渣固体分析或固体鉴定。制备K2SO4的方法：(1)加热水浴25℃，按相图用杠杆原理或用R、P、g的溶解度数据计算物系点“1”、“a”、“3”、“b”所需各自原料量，干盐总量不超过50g；(2)按物系点计算出所需的Na2SO4、KCl、W(H2O)、g(复盐)、p(盐溶液)、R(盐溶液)的量，用台秤称量；(3)开搅拌器，先加少量水于反应器中，然后依据不同反应依次加入KCl、g(复盐)、Na2SO4，最后把所余的水全部加入，记温度、时间，反应3—4小时；(4)反应结束后，盐浆用真空系统过滤，收集固体和液体，并用台秤称量，关闭反应体系和真空体系；(5)用分析天平称固、液样品，用重量法测定固、液体中K+含量，用容量法测固、液中的Cl-、SO4=含量；(6)根据分析结果计算K2SO4中K+、Cl-、SO4=的含量，钾芒硝中K+、Cl-、SO4=的含量，K+的收率。制备NaCl的方法：①按相图，用杠杆原理或用100℃和“4”点溶解度数据计算蒸发的水量；②用电炉蒸发水量，用台秤称量；③在100±5℃条件下过滤，并称量固体质量：④用分析天平称取样品，用容量法测定Cl-的含量；⑤计算NaCl的含量。实验装置图示测定相平衡数据实验装置图盐类的生产实验装置数据记录和处理1.相平衡测定数据处理P点（盐的加入量20g）NaClKClNa2SO4K2SO4H2OTMol34.5070.440.003.04100025℃计算加入量时使用加入系数xx的计算70.44Mkcl+34.5Mnacl+3.08Mk2so4=20X解得：X=390.45.理论加入量：KCl=(70.44*74.6)/390.45=13.46gNaCl=(34.5*58.5)/390.45=5.17gK2SO4=3.08*174/390.45=1.37gH2O=(1000*18)/390.45-=46.10g理论各种离子加入量占总质量的百分比：Na+=（5.17/58.5*23）/(13.46+5.17+1.37+46.10)*100%=3.48%K+=(13.46/74.5*39+1.37/174*78)/66.1*100%=11.59%Cl-=(13.46/74.5*35.5+5.17/58.5*35.5)/66.1*100%=14.45%硫酸根离子=（1.37/174*96）/66.1*100%=1.14%离子NaKCl24SO理论值%3.4811.5914.451.14实际加入量为理论加入量的1.15倍，所以，实际加入的KCl为15.5g，加入的NaCl为5.9g，加入的K2SO4为1.6g。测量反应两个小时后液态物质中离子含量：Cl：使用0.05N3AgNO溶液V=7.8mlCl%=V*N*0.03546*100/(G*10/250)=14.07%24SO：使用BaCl标准溶液V=1.0ml24SO%=V*N*0.07103*96/(G*142*10/500)=1.09%离子NaKCl24SO理论值%3.411.5914.451.14测定值%14.071.09反应完成后，产品抽滤烘干，得到的坩埚质量：M液=25.3764g。M固=18.6393g。空的坩埚的质量分别为：M固=18.4641g，M液=25.2742g。2.制备盐的反应反应1（制备24KSO的反应）（盐的加入量50g）1点的配料：2422224243NaSOKClHONaSOKSOR计算加入量时使用加入系数xx的计算：57.5*M硫酸钠+42.5*M氯化钾=50X解得：X=289.95理论加入量：W硫酸钠=57.5*142/X=28.2gW（氯化钾）2=42.5*149/X=21.8gW水=801.9*18/X=49.8g理论各种离子加入量的质量百分比：钠离子=（28.2/142*46）/99.8*100%=9.15%氯离子=（21.8/74.5*35.5）/99.8*100%=10.41%钾离子=（21.8/74.5*39）/99.8*100%=5.72%硫酸根离子=（28.2/142*96）/99.8*100%=19.10%离子NaKCl24SO理论值%9.155.7210.4119.101点组成：测量反应一定时间后，1点组成的液态物质中离子含量：氯离子：使用0.05NAgNO3溶液V=5.5mlCl%=V*N*0.03546*100/(G*10/250)*100%=11.15%硫酸根离子标定的时候，使用氯化钡溶液：16.3ml所以硫酸根的百分含量=V*N*0.07103*96/（G*142*10/500）*100%=19.22%离子NaKCl24SO理论值%9.155.7210.4119.10实际值%11.1519.22B点配料称取钾芒硝Wg（分子量为166）建立比例式W（钾芒硝）/166/46.54=W（氯化钾）/149/35.4所以应称量的氯化钾的质量为：W氯化钾=0.683W（钾芒硝），所以W氯化钾=16.5286g同理，应取水W水=1.571W（钾芒硝）=38.0182gB点组成：反应一段时间后，B点的液态物质中离子含量：氯离子：使用0.05N硝酸银溶液V=2.6ml所以氯离子百分比含量=10.38%硫酸根离子：使用氯化钡溶液V=3.8ml所以，硫酸根离子百分比含量=35.95%反应完成后，抽滤烘干得到固体质量分别干燥后得：M固=25.5283g。M液=23.2454g。坩埚的质量分别为：M固=25.2664g，M液=23.1963g。思考题1、如何判定该体系液固达平衡条件？答：液体中不再有固体生成即可判定为平衡条件。2、复分解反应制备K2SO4其最大自由度和最小自由度是多少？答：①制备K2SO4时最大自由度F=4-P=4-1=3g+2KCl+H2O==K2SO4+P最小自由度在b处F=4-P=4-2=23、实验结果与模拟计算结果的差距，主要原因有：答：①，实验操作误差不可避免。②，配溶液的时候容易附带杂质进入，导致个别离子浓度变化大。