МУ к лаб.прак. Обжиг сульфида и сульфата железа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДЗЕРЖИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
Кафедра "Технология неорганических веществ"
Обжиг сульфида и сульфата железа
Методические указания к лабораторному практикуму
по дисциплине "Химическая технология неорганических веществ"
для студентов специальности 250200
Нижний Новгород 2007
Составители: Г.А. Романова, Н.В. Ксандров
УДК 661.242
Обжиг сульфида и сульфата железа: метод. указания к лабораторному
практикуму по дисциплине "Химическая технология неорганических
веществ" для студентов специальности 250200 / НГТУ;
Сост.: Г.А. Романова, Н.В. Ксандров. Н. Новгород, 2007. – 17 с.
Рассмотрены теоретические основы процессов разложения сульфида и
сульфата железа, сформулированы задания и дан порядок оформления
лабораторных работ.
Редактор В.И. Бондарь
Подписано в печать . . 07. Формат 60 × 80 ⅟16. Бумага газетная.
Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ
Нижегородский государственный технический университет.
Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина,24.
.
© Нижегородский государственный
технический университет, 2007
СОДЕРЖАНИЕ
1. Лабораторная работа № 1.
Обжиг сульфида железа…………………………………………….…3
2. Лабораторная работа № 2.
Термическое разложение сульфата железа …………………………..10
3. Охрана труда …………………………………………………………....16
4. Указания к составлению отчета….………………………………….....16
5. Вопросы для самопроверки………………………………………….....17
6. Список рекомендуемой литературы…………………………………...17
Лабораторная работа № 1. Обжиг сульфида железа
1. Цель работы
Целью данной работы является углубленное изучение лекционного
материала по разделу курса ТНВ "Технология серной кислоты"
с
экспериментальной проверкой теоретических положений. В ходе работы
изучается зависимость
полноты обжига
колчедана от времени и
температуры опыта.
2. Краткие сведения из теории
2.1. Сведения о сырье
2.1.1. Сырьем для производства серной кислоты в РФ являются серный
колчедан, углистый колчедан, природная и газовая сера,
отходы
производства двуокиси титана, газы металлургических печей производства
цветных металлов и др.
Доля кислоты, получаемой из колчедана, составляет 26-28 %, из серы
56-58 %, из газов цветной металлургии 13-14 % и из сероводорода 3 %.
В настоящее время доля кислоты, получаемой из серы, возросла до
60 %, из колчедана уменьшилась до 23 %. Планируется пустить установку
получения кислоты из фосфогипса с мощностью 100 тыс. т/г. Хотя
себестоимость последней высока, но ее производство
дешевле, чем
стоимость кислоты из серы, покупаемой в Польше и Канаде.
Главной составной частью серного колчедана является сульфид железа
FeS2, который содержит 53,4 % S, 46,6 % Fe и встречается в природе в виде
минерала пирита и реже марказита (минералы пирит и марказит одинакового
состава, но разной формы кристаллов). Кроме сульфида железа, природный
серный колчедан содержит примеси соединений меди, цинка, свинца,
мышьяка, никеля, кобальта, селена, висмута, теллура, кадмия, карбоната и
сульфата кальция и магния, небольшое количество золота и серебра и др.
Медь находится в колчедане в виде CuFeS2 (медный колчедан или
халькопирит), CuS2 (медный блеск) и Cu (коввелин); цинк главным образом
в виде ZnS (цинковая обманка), мышьяк в виде FeAsS (мышьяковый
колчедан) и т. д. Руды, в состав которых наряду с пиритом входят
значительные количества соединений нескольких цветных металлов,
называют полиметаллическими.
Серный колчедан – минерал желтоватого или желтовато-серого цвета,
плотность от 2200 до 2400 кг/м3.
плотностью
5 г/см3. Насыпная
Добываемый в рудниках в виде кусков 50-400 мм колчедан называют
обыкновенным или рядовым колчеданом.
Для извлечения цветных металлов из колчедана его подвергают
флотации. Процесс флотации основан на различной смачиваемости водой
минералов, входящих в состав руды. При добавлении к воде различных
химических веществ (флотореагентов) смачиваемость меняется. Смоченные
водой частички измельченной руды в виде флотационного колчедана
оседают на дно, а не смоченные водой частицы руды, содержащие цветные
металлы, всплывают на поверхность и направляются в отстойник. Из 100 т
колчедана получают 80-85 т флотационного колчедана. Содержание серы в
флотационном колчедане колеблется от 32 до 40 %. После вторичной
флотации получают пиритный концентрат, содержащий 45-50 % серы. Его
обычно называют флотационным колчеданом.
В настоящее время практически весь добываемый колчедан
подвергают флотации. Существует в природе колчедан и более сложного
состава – это магнитный колчедан или пирротин – соединение, отвечающее
формуле FenSn+1 (от Fe6S7 до Fe11S12). Он содержит примеси меди, кобальта,
никеля. Флотационный колчедан, поставляемый на сернокислотные заводы, в
зависимости от сорта имеет следующий состав: серы 45-50 %, железа 35-39
%, меди 0,3-0,5 %, свинца 0,01-0,2 %, цинка 0,5-0,6 %, мышьяка 0,07-0,09 %,
кремния 14-18 %, воды 3,8%. Влажность флотационного колчедана,
отвечающая требованиям
ГОСТа, достигается высушиванием перед
отправкой потребителю. В период с 15 мая по 1 сентября допускается
влажность до 8 %. Основные залежи серного колчедана расположены на
Урале. Кроме того, каменные угли некоторых месторождений содержат
много серного колчедана, который отделяется от угля сортировкой и
грохочением. Этот колчедан
содержит до 18 % углерода, поэтому
называется углистым, содержание серы в нем от 33 до 42 %.
2.1.2. Элементарную серу получают из саморудных руд или из газов,
содержащих SO2 либо H2S. Сера, полученная из газов, называется газовой
серой.
При сжигании серы получается концентрированный газ с высоким
содержанием SO2, практически не содержащий мышьяк, так как в
самородной сере содержание мышьяка очень незначительно. Схема
переработки серы на серную кислоту значительно экономичнее
по
сравнению с производством кислоты на основе серного колчедана. Для
извлечения серы из руд используют метод флотации с последующей
выплавкой серы из концентрата в автоклавах. Степень извлечения серы 9598 %. Газовая сера является отходом процесса очистки газов цветной
металлургии, нефтепереработки, попутных нефтяных и природных газов. Это
дешевый вид сырья, однако, в такой сере содержится мышьяк и другие
вредные для катализатора примеси, поэтому схема переработки этой серы на
природную серу аналогична схеме переработки колчедана. Содержание в
природной сере основного вещества не менее 99,2 %, зольность не более 0,2
%, содержание органических веществ не более 0,5 %, мышьяка не более
0,003 %, влажность менее 1%. Для газовой серы содержание основного
вещества 99,0 %, мышьяка не более 0,05 %.
Чистая сера вырабатывается из сероводорода, получаемого из газов
нефтепереработки. В ней отсутствуют мышьяк и органические примеси,
поэтому схема переработки этой серы на серную кислоту наиболее
экономична.
2.1.3. Сероводород содержится в большинстве горючих газов - в коксовом,
генераторном, попутном, природном, газах нефтепереработки. Содержание
H2S в этих газах не должно превышать 20 мг/м3, поэтому их очищают
промывкой поглотительными растворами моноэтаноламина, соды и др. При
нагревании промывочного раствора выделяется сероводород с содержанием
H2S до 90 %. Он используется для получения газовой серы или серной
кислоты. Процесс получения серы сводится к сжиганию 1/3 общего
количества сероводорода в воздухе с образованием SO2. Затем к газу
добавляют сероводород и на катализаторе ведут
восстановление
сероводорода до серы, пары которой затем конденсируют.
2.2.
Обжиг колчедана
При обжиге колчедана протекает несколько реакций. Вначале
происходит реакция термического разложения FeS2 с образованием
сульфида железа FeS и выделения парообразной серы:
2FeS2 → 2FeS + S2 – 105,9 кДж.
Выделение серы начинается при температуре около 500°C и сильно
ускоряется с дальнейшим ее повышением. Далее пары серы сгорают с
образованием двуокиси серы:
S + O2 = SO2 + 362,4 кДж.
Сульфид железа также сгорает, однако точный механизм этого
процесса не установлен. Имеется несколько примерных схем реакций. По
одной из них первой стадией окисления односернистого железа является
образование сульфидов железа, далее разлагающихся до окислов. По другой
схеме FeS непосредственно окисляется до окислов железа. Суммарная
реакция горения односернистого железа может быть выражена уравнением
4FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2
или
3FeS + 5O2 = Fe3O4 + 3SO2.
Оксид серы (VI) появляется в газе, во-первых, в результате разложения
при низкой температуре имеющихся в колчедане сернокислых солей, вовторых, в результате контактного окисления сернистого газа в присутствии
окислов железа, действующих как катализатор. Суммарный процесс горения
колчедана протекает по реакциям
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + 3415,7 кДж,
3FeS2 + 8O2 = Fe3O4 + 6SO2 + 2438,2 кДж.
Благоприятным условием для образования Fe3O4 является высокая
температура, повышенное содержание сернистого ангидрида в газе и
относительно большое количество несгоревшего колчедана.
Сульфиды цветных металлов образуют оксиды или сульфаты в
зависимости от условий обжига. При обжиге
карбонатов металлов
выделяется диоксид углерода и образуется оксид соответствующих металлов.
При обжиге углистого колчедана одновременно с серой сгорает и
содержащийся в нем углерод:
C + O2 = CO2 + 409,8 кДж.
При окислении колчедана огарком (процесс при ≈ 800°C) можно
получить высококонцентрированный сернистый газ:
FeS2 + 16Fe2O3 = 11Fe3O4 + 2SO2 – 450,8 кДж.
Образующаяся закись-окись железа окисляется кислородом воздуха
при температуре около 900°C:
11Fe3O4 + 2,7O2 = 16,5Fe2O3 + 1279,2 кДж.
Температура воспламенения колчедана различных сортов колеблется
от 290 до 420°C. Теплота горения колчедана расходуется в основном на
нагревание образующихся газов и огарка.
Установлено, что скорость процесса диссоциации двусернистого
железа определяется скоростью химической реакции, а процесс горения
сернистого железа - скоростью диффузии кислорода через пленку окислов,
покрывающих частицу материала. Это подтверждается тем, что скорость
диссоциации серного колчедана не зависит от размера частиц, а для
сернистого железа существует обратно пропорциональная зависимость
скорости горения от размера частиц.
С увеличением температуры скорость горения колчедана возрастает,
при повышении температуры выше 800°C наблюдается спекание горящего
материала, что приводит к снижению скорости процесса.
3. Описание установки, оборудования, приборов и методов анализа
3.1. Описание установки
Схема установки для обжига колчедана приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки обжига сульфида железа:
1 – печь; 2 – термореле; 3 – милливольтметр; 4 – тумблер; 5 – вакуум-насос;
6 – расходомер; 7 – брызгоуловитель; 8 – влагоочиститель; 9 - поглотительная колонка;
10 – бюретка; 11 – воронка; 12 – зажим; 13,14 – двухходовые краны;
15 – трехходовой кран; 16 – буферная емкость; 17 – сборник; 18 – кран слива
В трубчатую печь 1 помещается лодочка с колчеданом. Нагрев печи
осуществляется с помощью электроспиралей, регулировка температуры в
печи осуществляется с помощью термометра 2 и регулирующего
милливольтметра 3. Включение печи в работу осуществляется тумблером 4.
Выделяющийся при обжиге колчедана сернистый газ подхватывается
потоком воздуха, просасываемого вакуум-насосом 5 через расходомер 6,
брызгоуловитель 7, влагоочиститель 8, засыпанный хлоридом кальция, и
подается в
поглотительную колонку 9.
Поглотительная колонка 9
оборудована пористой перегородкой (фильтр Шотта), бюреткой 10 и
воронкой 11. Через воронку 11, открыв зажим 12, в поглотительную колонку
9 заливают 1,5 %-ный раствор перекиси водорода в количестве около 30 мл,
подкрашенный 3-5 каплями индикатора метилового красного. После этого
зажим 12 закрывается. При достижении в трубчатой печи 1 заданной
температуры, в печь помещают
лодочку с навеской колчедана и
осуществляют пуск вакуум-насоса в следующей последовательности:
1. Закрывают краны 13,14 и зажим 12.
2. Трехходовой кран 15 устанавливают в положение "открыто" в
направлении от поглотительной колонки к вакуум-насосу 5 через
буферную емкость 16.
3. Включают вакуум-насос 5.
4. Плавно открывая кран 13, устанавливают по расходомеру 6
необходимый расход газовой смеси, содержащей диоксид серы,
проходящий через пористую перегородку поглотительной колонки 9,и
раствор перекиси водорода.
При этом оксид серы (IV) окисляется до оксида серы (VI) и
гидратируется с образованием серной кислоты. В среде кислоты метиловый
красный, а с ним и раствор приобретает красную окраску. Постепенно в
поглотительную колонку 9 сливают по каплям из бюретки 10 титрованный
0,15 н раствор едкого натра до перехода окраски
в желтый цвет.
Образование новых порций серной кислоты возобновляет окрашивание. В
момент прекращения выделения при добавлении капли щелочи раствор
меняет окраску на желтую. По
окончании определения прекращают
пропускание воздуха через поглотительную колонку 9 и выключают обогрев
печи тумблером 4.
Удаление оттитрованного раствора из поглотительной колонки 9
осуществляют в следующей последовательности:
1. Закрывают кран 13.
2. Открывают зажим 12.
3. Трехходовой кран 15 открывают в направлении сборника 16.
4. Открывают кран 14 и засифонивают жидкость в сборник 16.
Полную осушку колонки 1 производят, просасывая воздух в течение
3-5 мин., не меняя положения кранов, отключая вакуум-насос 9. При
заполнении сборника 14 жидкость сливают в стакан и удаляют
в
канализацию через кран 18.
3.2.
Методы анализа и обработка результатов
Определение серы в колчедане по экспрессному методу УНИХИМа
заключается в том, что колчедан обжигают в токе воздуха в трубчатой печи
(установка описана в разделе 3.1), а выделяющийся при этом сернистый газ
поглощают и окисляют раствором перекиси водорода с индикатором
метиловым красным. Титрование серной кислоты проводят раствором
щелочи одновременно с обжигом и поглощением продуктов горения до
прекращения выделения диоксида серы. Момент прекращения выделения
диоксида серы фиксируют по исчезновению красного
окрашивания
поглотительного раствора. Содержание серы (в процентах по массе) в
колчедане рассчитывают по формуле
S=
V ⋅ 0,0024 ⋅ 100
,
g
где V – объем 0,15 н раствора щелочи, пошедшей на титрование, мл;
0,0024 – количество серы, отвечающее 1 мл 0,15 н раствора щелочи, г;
g – навеска испытуемого колчедана, г (0,3÷0,5 г).
4. Задание к работе и порядок ее выполнения
4.1. Задание
1. Определить зависимость степени обжига колчедана от температуры.
Опыты выполнять при температурах 400, 500, 600 и 800°C и времени обжига
30 мин.
2. Определить зависимость степени обжига колчедана от времени (15, 30, 45,
60 мин) при температуре 600°C.
4.2. Порядок выполнения
Работу начинают с разогрева печи. Для этого ее необходимо включить в
электрическую сеть тумблером. Тонкой отверткой устанавливают регулятор
температуры (красный флажок) на заданной позиции. Работу печи
контролируют по сигнальным лампочкам. Правая горящая лампа говорит о
включении в сеть, левая горящая лампа - о работе нагревателя. При
достижении заданной температуры нагреватель автоматически отключается
и лампа гаснет.
Пустую лодочку, взвешивают на аналитических весах, затем наполняют
колчеданом (0,3-0,5 г) и вновь взвешивают с точностью до 4-го знака.
Раствор перекиси водорода 1,5 %-ный подкрашивают 2-3 каплями
метилового красного и через воронку заливают 50 мл в поглотительную
колонку. Далее вставляют щипцами лодочку и включают в работу вакуумнасос. Трехходовой кран должен быть открыт в направлении вакуум-насоса.
Выделившийся диоксид серы окисляется и превращается в серную кислоту.
Далее приступают к титрованию кислоты 0,15 н раствором едкого натра. Для
этого заполняют бюретку раствором и начинают сливать его по каплям в
колонку до перехода красной окраски в желтую. Исходные данные и
результаты исследования заносят в табл. 1.
Таблица 1. Результаты обжига колчедана
№ пробы
Масса
Температура
Время
Объем
Количество
навески, г
опыта, °C
разложения, щелочи на окисленной
мин
титрование,
серы, г
мл
Степень
обжига,
%
Лабораторная работа № 2. Термическое разложение сульфата железа
Введение
Наиболее существенными источниками загрязнения окружающей
среды являются отходы, образующиеся при проведении химикотехнологических процессов. Одним из направлений борьбы с отходами
является использование их в качестве сырья для производства других
продуктов. Иногда отходы можно использовать в качестве исходного сырья
для производства веществ, широко применяемых в химической
промышленности, например, из отходов сернокислотной промышленности
можно дополнительно получать до 1 млн т серной кислоты, а из отходов
производства хлора до 700 тыс. т соляной кислоты.
В производстве диоксида титана сернокислотным способом на 1 т
продукта получают до 3,5 т сульфата железа и 2 т гидролизной серной
кислоты (в пересчете на моногидрат). Другим крупным источником
железного купороса являются отработанные травильные растворы,
получающиеся в качестве отходов на металлургических заводах.
Сульфат железа используется для очистки сточных вод, в качестве
ядохимикатов для мелиорации солонцовых почв. Одним из важных
направлений использования сульфата железа является переработка его в
серную кислоту. Для этого его высушивают до моногидрата, а затем
добавляют к флотационному колчедану в количестве от 50% до 100%. На
некоторых установках серную кислоту получают из травильных растворов
без предварительного выделения сульфата железа.
При этом серную кислоту в травильном растворе нейтрализуют
избытком огарка и восстанавливают эту смесь углем в печи. Образующийся
оксид серы (IV) используется далее для производства серной кислоты.
Сульфат железа является комплексным сырьем и источником не только серы,
но и железа. Оксид железа, получаемый из сульфата железа, может
использоваться для изготовления активных катодных масс, ферритных
порошков, полирующих порошков, красок (сурика) и т.д.
Наиболее рациональным способом использования отходов сульфата
железа являются термические методы разложения до оксидов серы (IV) и
(VI) с последующей переработкой последних в товарную серную кислоту.
1. Цель работы
Целью данной работы является изучение влияния температуры на
степень обжига сульфата железа (II) FeSO4·7H2O.
2. Краткие сведения из теории
Вопросам сушки и разложения сульфатов посвящено очень большое
число работ как зарубежных, так и отечественных. Наиболее значительными
являются проведенные в НИУИФ исследования В.И. Якушева, доведенные
до внедрения на сернокислотной системе большой мощности.
Исследованиями процесса дегидратации FeSO4·7H2O в течение 26 часов
установлено непрерывное удаление воды. Установлено, что при
температурах 60, 80, 100, 120ºC образуется вещество FeOHSO4. Через 60 мин
при потерях 35 % массы может образоваться моногидрат сульфата железа,
который затем переходит в FeOHSO4. При температуре 200÷300ºC удаляется
6 моль воды за 15÷30 мин сушки. Количественные соотношения этих
продуктов зависят от времени сушки. Схема термохимических превращений
сульфата железа (II) в интервале температур 60÷400ºC описывается
реакциями
°→ FeSO4·H2O + 6H2O,
FeSO4·7H2O 60÷300
2FeSO4·H2O + 0,5O2 → 2FeOHSO4 + H2O,
÷400

°→ FeSO4 + H2O,
FeSO4·H2O 300
÷400

°→ Fe2O(SO4)2 + H2O.
2FeOHSO4 300
Энергии активации (E) процесса дегидратации для различных
температурных интервалов (∆t) равны:
∆t, ºC
E, кДж/моль
40÷100
95,5
100÷200
157,1
200÷340
166
Процесс выделения SO2 из сульфата железа можно вести в одну
стадию – без предварительного обезвоживания и в две стадии – с
предварительным обезвоживанием. Если сульфат извлекают из раствора в
виде FeSO4·H2O, то предварительное обезвоживание не требуется, так как в
этом случае содержание воды в исходном материале составляет 10÷11 %.
После сушки и дегидратации FeSO4·7H2O в нем часто остается примерно
такое же количество воды. В зависимости от температуры при сушке и
обжиге семиводного сульфата железа до 100ºC выделяется гигроскопическая
влага, в интервале 100÷300ºC теряется 6 молекул воды, в интервале
300÷320ºC теряется и последняя молекула воды.
Разложение обезвоженного сульфата железа интенсивно протекает при
температурах 575÷800ºC по реакциям
FeSO4 + 0,5O2 → 2Fe2O(SO4)2,
5Fe2O(SO4)5 460
÷575

°→ 2Fe4O(SO4)5 + Fe2O3,
÷800

°→ 2Fe2O3 + 5SO3,
Fe4O(SO4)5 575
SO3 750
÷800

° → SO2 +0,5O2.
Разложение сульфатов в среде водяного пара идет интенсивнее, чем в
инертной среде. Это объясняется тем, что вода обладает большой
склонностью к разложению окисных пленок, а также тем, что идут реакции
FeSO4 + H2O ↔ Fe(OH)2 + SO3,
FeSO4 + H2O ↔ FeO + H2SO4.
Разложение FeSO4 в токе водяного пара является эффективным
процессом получения серной кислоты и соответствующих окислов и идет
при более низкой температуре, чем обычное термическое разложение.
При математической обработке полученных экспериментальных данных
по разложению сульфата железа используют ряд уравнений, применяемых
для описания топохимических реакций обжига, протекающих в кинетической
области:
(1)
1 − (1−α)⅓ = k τ ;
-kτ
α = 1− e ,
(2)
где α - степень разложения вещества во времени; τ, n, k - константы.
В присутствии восстановителей, таких как уголь и пирит, процесс
разложения сульфата железа значительно ускоряется. Степень разложения
сульфата железа до SO2 в присутствии восстановителей значительно выше и
составляет 95 % против 50÷75 % при температуре 750÷800ºC.
Существующую роль на процесс разложения оказывает размер частиц
сульфата железа. Уменьшение размера частиц сульфата железа в 1,7 раза
приводит к увеличению скорости его разложения в инертной среде в 1,5 раза.
n
3. Описание установки, оборудования, приборов и методов анализа
3.1. Описание установки
Схема установки обжига железа приведена на рис.2 и на стенде. В
трубчатую печь 1 помещается лодочка с навеской сульфата железа (0,5÷1 г).
Нагрев печи осуществляется с помощью электроспирали. Регулировка
температуры в печи осуществляется с помощью термометра 2 и
регулирующего милливольтметра 3. Включение печи в работу
осуществляется тумблером 4. Выделяющийся при обжиге сульфата железа
сернистый газ и водяной пар подхватываются потоком воздуха и
просасываются вакуум-насосом через расходомер 5, брызгоуловительконденсатор 6, промежуточную емкость 7 в поглотительную колонку 8, в
которую предварительно залит 1,5%-ный раствор перекиси водорода. При
этом трехходовой кран 16 должен быть открыт на линии поглотительная
склянка – вакуум-насос и закрыт на линии, ведущей к емкости для слива
раствора. Перекись водорода нейтрализуют раствором щелочи 0,1 н в
присутствии индикатора метилового красного до нейтральной реакции
(желтый цвет индикатора) и через воронку 10 заливают в колонку 8. После
залива перекиси водорода закрывают кран 14. По расходомеру
устанавливают заданный объемный расход газовой смеси по заданию
преподавателя (0-4 л/мин).
При пропускании газовой смеси через раствор перекиси водорода оксид
серы (IV) окисляется в оксид серы (VI) и гидратируется с образованием
серной кислоты. При этом раствор перекиси водорода приобретает красную
окраску.
Постепенно в поглотительную колонку 8 из бюретки 9 сливают
осторожно по каплям раствор 0,1 н щелочи до перехода окраски раствора из
красной в желтую.
Образование новых порций серной кислоты возобновляет окрашивание.
Титрование проводят до тех пор, пока раствор перекиси водорода не
перестанет изменять свою окраску при пропускании новых порций газовой
смеси (или по заданию преподавателя). По окончании работы прекращают
подачу газа в поглотительную склянку. При этом закрывают кран 12.
Выключают обогрев печи тумблером 4 и приступают к удалению
оттитрованного раствора из поглотительной склянки. Для этого необходимо
открыть краны 14,15,а трехходовой кран 16 установить в направлении
вакуум-насос – емкость для слива раствора и закрыть на линии, ведущей к
поглотительной склянке. После чего отключают вакуум-насос.
При работе необходимо соблюдать следующую последовательность при
пуске установки и при окончании работы.
Пуск установки:
• включить печь;
• залить в поглотительную склянку раствор перекиси водорода;
• закрыть краны 14,15 и зажимы для слива растворов из склянок;
• открыть кран 16 в направлении поглотительной склянки;
• залить раствор для титрования в бюретку 9;
• открыть кран 13;
• включить вакуум-насос;
• установить расход воздуха по расходомеру, плавно открывая кран 12;
• поставить лодочку с навеской сульфата железа в печь и наблюдать по
расходомеру за изменением расхода газовой смеси;
• начинают титрование раствора перекиси водорода по мере окрашивания
раствора.
Отключение установки:
• закрывают краны 12,13;
• выключают печь 1;
• открывают краны 14,15;
• ставят трехходовой кран в направлении к емкости для слива раствора;
• сливают раствор в склянку 11;
• выключают вакуум-насос;
• открывают зажимы и сливают жидкость из склянок 6,7,11.
Рис. 2. Схема установки термического разложения сульфата железа:
1 – печь; 2 – шкала термометра; 3 – регулятор термометра; 4 – тумблер;
5 – расходомер; 6 – брызгоуловитель; 7 – промежуточный сборник;
8 – поглотительная колонна; 9 – бюретка для титрования; 10 - воронка для заливки
перекиси водорода; 11 – емкость для слива раствора; 12,13,14, 15 – двухходовые
краны; 16 – трехходовой кран
3.2. Методы анализа и обработка результатов
3.2.1. Определение серы в сульфате железа
Метод анализа основан на разложении сульфата железа до оксида серы
(IV) и окислении получающегося газа раствором перекиси водорода с
индикатором метиловым красным. Содержание серы (в процентах по массе)
в навеске сульфата железа рассчитываются по объему 0,1 н раствора щелочи,
пошедшего на титрование
U ⋅ 0,0016 ⋅ 100
СКОН =
g
где U – объем 0,1 н раствора NaOH, пошедший на титрование, мл;
0,0016 – количество серы, соответствующее 1 мл 0,1 н раствору щелочи, г;
g – навеска сульфата железа, г
3.2.2. Определение объемной концентрации оксида серы (IV) в газовой смеси
(в процентах по объему) проводят по формуле
CSO 2 =
U ⋅ 0.0032 ⋅ 22.4 ⋅100
,
32 ⋅ U ′
где U – объем 0,1 н NaOH, пошедший на титрование, мл; U'- объем газовой
смеси, подаваемой в поглотительную склянку, определяемый как
U' = U0·τ, л; τ - время опыта, мин; U 0 - объемный расход газовой смеси,
л/мин.
3.2.3. Определение степени обжига (в процентах по массе) производят по
формуле
Cкон 100
Cнач
,
где Снач – начальная концентрация серы в навеске сульфата железа,
полученная теоретически (в процентах по массе); Cкон – концентрация серы в
навеске сульфата железа, полученная экспериментально (в процентах по
массе).
α=
4. Задание к работе
1. Определить содержание серы в навеске сульфата железа при постоянной
температуре и объемном расходе газа и навеске сульфата железа ~ 0,5÷1,0 г.
2. Определить концентрацию оксида серы (IV) в зависимости от
температуры обжига T = 400….700ºC и объемного расхода газа U0 = 0,5-4
л/мин. Время обжига 30 мин.
3. Определить концентрацию оксида серы (IV), степень обжига в
зависимости от времени обжига (15,30,45,60 мин)
при постоянной
температуре и объемном расходе газа.
4. Определить влияние водяных паров на степень обжига. Для этого сульфат
железа предварительно обезвоживают при T=200÷300ºC в муфельной печи
15,20,30 мин. Количество удаляемой из навески влаги рассчитывают по
разности масс навески до и после просушивания.
Исходные данные и результаты исследования вносят в соответствующие
таблицы (табл. 1 - 3).
Таблица 1. Результаты исследования определения влияния объемного расхода газа
на степень разложения сульфата железа
Масса Температура Время
Объемный
Объем 0,1 н
Содержание Степень
навески,
опыта, ºС
разложе расход газа,
раствора
серы в
обжига,
ния,
NaOH на
%
г
л/мин
навеске, %
мин
титрование,
мл
Таблица 2. Результаты исследования влияния температуры разложения и времени
обжига сульфата железа на концентрацию полученного диоксида серы (IV)
Масса
навески, г
Температура,
ºС
Время
обжига, мин
Объемный
расход газа,
л/мин
Объем
щелочи на
титрование,
мл
Концентрация
SO2, (%, об.)
Таблица 3. Результаты исследования влияния водяных паров на степень обжига
сульфата железа
Масса
навески
после
сушки, г
Количество
удаляемой
при сушке
влаги, г
Время
разложения, мин.
Объемный
расход газа,
л/мин
Температура
опыта, ºС
Объем
0,1 н
раствора
NaOH на
титрование,
мл
Степень
обжига, %
По результатам эксперимента строят графические зависимости.
5. Охрана труда
К работе на установке допускаются студенты, прошедшие инструктаж по
технике безопасности в лабораториях кафедры ТНВ и изучившие
инструкцию к данной работе.
При работе на лабораторной установке следует выполнять следующие
меры безопасности:
1. Включать электрические нагревательные приборы, только убедившись в
исправности вилок, розеток, электропроводов.
2. По окончании работы приборы отключать поворотом тумблера в
положении "откл."
3. Следует остерегаться
касания печи незащищенными руками для
предупреждения ожога. Ставить в печь и вынимать из печи лодочку можно
только с помощью специальных щипцов. Лодочку в печь ставить со стороны,
противоположной термопаре.
6. Указания к составлению отчета
Отчет должен содержать введение, краткое описание лабораторной
установки, методов анализа и исследования, результаты прямого
определения, обработку экспериментальных данных и выводы.
Отчет должен готовиться дома и предоставляться на кафедру для
проверки преподавателю к следующему занятию после выполнения работы.
Планируемое время на подготовку к собеседованию 2 часа. Внеаудиторное
время на подготовку и оформление отчета 1 час.
7. Вопросы для самопроверки и собеседования
Для лабораторной работы № 1:
1. Типы сырья, применяемые для получения серной кислоты.
2. Перспективы использования различных видов сырья, применяемых для
производства серной кислоты.
3. Сопутствующие примеси в колчедане и других видах сырья и их
влияние на переработку.
4. Методы получения газовой серы.
5. Химизм обжига колчедана.
6. Химизм обжига других видов сырья.
7. Принципиальная схема получения сернистого газа из колчедана или
серы в печах кипящего слоя.
8. Устройство печи КС.
9. Очистка печного газа от пыли.
Для лабораторной работы № 2:
1. Виды обжига.
2. Механизм взаимодействия твердых фаз и их реакционная способность.
3. Средства и способы интенсификации обжига.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. Список рекомендуемой литературы.
Амелин, А.Г. Технология серной кислоты/ А.Г. Амелин. – М.: Химия,
1983. – 353 с.
Амелин, А.Г. Производство серной кислоты/ А.Г. Амелин, Е.В. Яшке. –
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1980. – 245 с.
Позин, М.Е. Руководство к практическим занятиям по технологии
неорганических веществ/ М.Е. Позин. – Л.: Химия, 1980. – 363 с.
Позин, М.Е. Физико-химические основы неорганической технологии/
М.Е. Позин, Р.Ю. Зинюк. – Л.: Химия, 1993. – 372 с.
Позин, М.Е. Технология минеральных удобрений/ М.Е. Позин. – Л.:
Химия, 1974. – 300 с.
Термохимические превращения сульфата железа (ІІ) при нагревании в
различных газовых средах/ Н.Н. Кий, А.К. Запольский, А.А. Мильнер,
Г.С. Шамеко// ЖПХ. 1988. № 4.
Васильев, Б.Т. Технология серной кислоты/ Б.Т. Васильев,
М.И. Отвагина. – М.: Химия, 1985. – 383 с.