模拟氨碱法制备纯碱实验条件优化

1、模拟氨碱法制备纯碱实验条件优化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11 / 1111 / 11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

2、制得NaHCO3（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NH4HCO3、 NaCl、NH4Cl、NaHCO3中，以NaHCO3溶解度最小），再加热NaHCO3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 +CO2+H2O = NH4HCO3(1)NH4HCO3+NaCl = NaHCO3+NH4Cl (2)2NaHCO3Na2CO3+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，“

3、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NaHCO3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

4、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0.43gCO2），浓盐酸，冰。托盘天平，250mL锥形瓶，滴液漏斗，100mL集气瓶

5、，6mm8mm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

6、，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

7、收导管均采用6mm8mm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NaHCO3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 e

8、xperimental 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, 18mm180mm试管吸收液浓度V(浓氨水)/mLV(水)/mLNaCl溶解所需时间/min初始析晶时间/minNaCl转化率/%10:510.05.05.03930.612:312.03.06.03135.313:213.02.06.52836.814:114.01.0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

9、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13:2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NaHCO3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。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

10、，通气速率=1305 个/ min，t (吸收)= 90 min, t (冷却)=15 min, 18mm180mm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 i

11、n the cooling process2.5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试管规格液面高度/ cm开始析晶时间/minNaCl转化率/%18mm180 mm10.02836.725 mm200 mm4.038

12、32.2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18mm180mm、20mm200mm、25mm200mm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18mm180mm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 passing into CO2 on experimental results吸收液温度421，喷散式吸收，t(

13、吸收)= 90min, t(冷却)=11min，18mm180mm试管通气速率（个/min）13051901024010开始析晶时间/min282116NaCl转化率/%36.843.849.2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-液接触面积越大、接触时间越长，越有利于CO2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 abso

14、rbing 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，18mm180mm试管吸收方式6mm内径普通式6mm内径喷散式1.5mm内径喷散式同时产生气泡/个16-88-10气泡直径估值/mm932开始析晶时间/min251613NaCl转化率/%40.649.250.3实验室通常用6mm8mm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

15、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，6mm8mm25cm玻璃管，内径6mm，导管口距试管底部0.5cm；6mm内径喷散式，6mm8mm 25cm玻璃管，内径6mm；1.5mm内径喷散式，6mm8mm25cm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

16、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

17、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 CO2 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，18mm180mm试管是否通气通气不通气NaCl转化率/%49.449.22.9通入CO2时间对实验

18、的影响表6 通入CO2时间对实验的影响Table 6 Influence of ventilation time on experimental results吸收液温度421，喷散式，通气速率=24010个/ min，t(冷却)=11min，18mm180mm试管通气时间/min306090120开始析晶时间/min15151515Na2CO3产量/g0.741.311.481.51NaCl转化率/%24.843.749.250.4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。2.10实验各环节耗

19、时表7 各环节耗时Table 7 Time-consuming during each link实验环节盐酸配制与CaCO3称量配制吸收液装置装配通气冷却洗涤过滤蒸发、加热冷却称重合计耗时/min484901179101433.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盐酸约180mL，块状CaCO3约45g，采用18mm180mm试管为吸

20、收液容器，6mm8mm250mm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):742 陈国钦.做好氨碱法实验的关键是什么J.化学通报,1

21、957(8):57-593 陈扬录.氨水溶液中氯化钠溶解度的计算J.纯碱工业,1988(3):57-584 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 processFeng Xianghua*, Ding Shimin, Zhang Yang (School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Chongq

22、ing 408100)Abstract: The effects factors on soda ash preparation by ammonia soda process was quantitatively investigated, and the experimental conditions was optimized. The research results show that a few factors such as the concentration, temperature and height of absorbing liquid, the rate of pas

23、sing into carbon dioxide, the ways and time of absorption, ect, have greater impact on the conversion of NaCl. After optimization of experimental conditions, the problems existing in the experiment can be solved, and the conversion rate of NaCl can reach up to 49.2%. 1 Keyword: Ammon2 ia soda proces

24、s；Sodium carbonate；Experimental conditions；Optimization 模拟工业制备纯碱的实验设计摘要：为弥补中学化学教材中无相关实验的缺陷，设计了三个模拟工业制备纯碱和一个模拟联合制碱法母液处理的实验方案，旨在为工业制备纯碱的实验教学提供可选择的参考素材和方法。关键词：模拟实验；工业制备纯碱；实验方案；侯氏制碱法文章编号：10056629（2014）1005203 中图分类号：G633.8 文献标识码：B纯碱具有广泛的用途，是重要的化工原料之一。上海高三拓展型教材第106108页是氨碱法（索尔维制碱法）和联合制碱法（侯德榜制碱法）的内容，在上海市中学化

25、学课程标准（试行稿）1中，对“制碱原理”规定的学习水平是“理解”，对“侯氏与索氏法的比较”的规定是“掌握”，属学习水平中的最高要求。这一内容也是历年高考的热点，从学生的答题情况看，也是学生掌握的难点。然而教材中却没有安排相应的实验，为提高学生的学习兴趣，加深对工业制碱原理的理解，笔者期望能在课堂上模拟工业制碱。为此，笔者按资料2上的方法进行实验，发现一些方法因耗时过长、步骤太繁等并不适合课堂演示或学生实验。笔者又进行了多次的探索和改进，最终达到了比较好的效果。现介绍如下。1 实验方案一1.1 实验原理NH3+CO2+H2O+NaClNaHCO3+NH4Cl向饱和食盐水中通入足量氨气至饱和，然后

26、通入二氧化碳，得到溶解度较小的碳酸氢钠3。1.2 实验仪器和试剂（1）仪器：天平、量筒、圆底烧瓶3个、分液漏斗2个、铁架台3个、烧杯、漏斗、玻璃管、试管、酒精灯、玻璃棒、药匙、导管和橡皮塞若干。（2）试剂：27%浓氨水（=0.9 g/cm3）、氢氧化钠固体、冰水、5 mol/L稀硫酸、碳酸钙粉末、熟石灰粉末、蒸馏水、饱和粗食盐水、澄清石灰水、红色石蕊试纸、滤纸等。1.3 实验装置和实验效果图实验装置和实验效果图分别见图1和图2。1.4 实验步骤（1）准备：搭好装置，检验气密性。量取20 mL的饱和食盐水于中间的烧瓶中；称取40 g氢氧化钠固体于制氨气的烧瓶中，量取50 mL浓氨水于制氨气的分液

27、漏斗中；再称取70 g碳酸钙粉末于制二氧化碳的烧瓶中，量取150 mL稀硫酸（分几次加入）于制二氧化碳的分液漏斗中。将装有饱和粗食盐水的烧瓶浸入冰水中。如图1所示。（2）制备：将装有浓氨水的分液漏斗打开，产生氨气通入饱和粗食盐水中，20分钟左右时，观察到饱和食盐水上方有大量的白雾产生。再打开装有稀硫酸的分液漏斗，产生的二氧化碳通入饱和的氨化粗食盐水中。约5分钟即有浑浊出现，约15分钟能看到大量的白色固体析出。1.5 母液处理1.6 实验注意事项（1）食盐水用粗盐（杂质可做为晶核，若无粗食盐，可在饱和食盐水中加几粒食盐晶体）配制，效果明显，析出碳酸氢钠更快；（2）制备实验中先通入氨气达饱和后再通

28、二氧化碳，插入食盐水中的导管用尖嘴且导管口靠近烧瓶底部，这样产生气泡多而小有利于碳酸氢钠的生成，效果好。1.7 实验的优缺点本实验现象明显，产生的碳酸氢钠固体较多；母液的处理能很好地说明侯氏法的优点。实验的缺点是装置庞大、耗时长，仅制备实验就需近35分钟，母液的处理需要约20分钟，因此不宜作为课堂实验。本实验涉及到的知识及操作较多，如：气体的制备，气体的性质，尾气的处理、过滤等，若作为课外学生实验，是提高学生综合能力的良好载体。2 实验方案二2.1 实验原理实验原理同实验一。2.2 实验仪器和试剂（1）仪器：天平、试管、药匙、圆底烧瓶、分液漏斗、铁架台、烧杯。（2）试剂：粗盐颗粒、饱和氨水、冰水、5 mol/L稀硫酸、碳酸钙粉末。2.3 实验装置和实验效果图实验装置和实验效果图分别见图5和图6。2.4 实验步骤（1）准备：称取8 g粗盐，加入到30 mL的饱和氨水中，配制饱和氨化粗盐水于大试管中。如图5搭好装置并检验气密性。称取50 g碳酸钙粉末于圆底烧瓶中，再量取100 mL稀硫酸于分液漏斗中。（2）制备：将装有配制好的饱和氨化粗盐水的试管浸入冰水中，向其中通入二氧化碳气体约5分钟看到沉淀，约十分钟时，产生大量白色沉淀（见图6）。2.5 母液处理母液处理方法同方案一。2.6 实验的优缺点此实验