无机工艺实训无机化工131班

无机工艺实训教师：梁斌2015.11.12实训项目——离子交换制纯碱一概述

离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。离子交换是应用离子交换剂进行混合物分离和其他过程的技术。离子交换过程是带有可交换离子(阳离子或阴离子)的不溶性固体与溶液中带有同种电荷的离子之间置换离子的过程。这种含有可交换离子的不溶性固体称为离子交换剂，其中带有可交换阳离子的交换剂称为阳离子交换剂，带有可交换阴离子的交换剂称为阴离子交换剂。二、实验原理1、原料：用阳离子交换剂，本实验选用的交换剂为732＃苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂；以NaCl和NH4HCO3为原料生产NaHCO3的交换过程，交换过程和再生过程。3、再生过程RNH4+NaCl←→RNa+NH4Cl交换反应通式可简写为：NH4++Na+←→NH4++Na+2、交换过程RNa+NH4HCO3←→RNH4+NaHCO3

交换过程中交换区和耗竭区的位置逐渐往下移动，当交换区移到器下端时，交换达到透过点，流出液中出NH4+，随着NH4+的浓度不断增加，直至与被处理溶液中NH4+浓度相同，交换区消失，交换剂完全失效。在交换过程中，整个交换剂层就是这样自上而下分层达到过渡饱和而失效的，这就是一般所说的分层失效原理。本实验采用的离子交换方式是把交换剂放在交换器中，以交换过程为例，NH4HCO3溶液不断地自上而下流过交换器，溶液中可交换离子NH4+与交换剂中反离子Na+不断地进行交换，器中交换剂逐渐形成了三个区域，最下部保持不变；中间部分Na+被NH4+交换（交换区）；最上层被NH4+完全饱和（耗竭区）。达到透过点后，NH4+被带出交换器，这种现象称为泄漏，将造成原料损失。交换层的厚度取决于被处理溶液中NH4+的浓度和溶液透过交换剂层的速度。一般流速快、浓度高、交换区厚，透过点到来的早，离子泄漏量大，交换器利用率低，产品成本提高。1、温度20~30℃2、交换过程中，NH4HCO3溶液的上液速度3.5~5.5cm/min之间。

NH4HCO3浓度选择为操作温度下的饱和溶液，一般NH4HCO3含量为2.5mol/l左右3、再生过程中，NaCl溶液上液速度在1.5~3.5cm/min（线速度）之间。控制NaCl溶液中Na+浓度为3.5mol/l左右中。4、要正确地选择工作交换容量（离子交换树脂在工作条件下对离子的交换吸附能力），以达到Na+收率最高，原料耗量最少。一般为总交换容量（单位质量或体积离子交换树脂中能进行离子交换反应的化学基团总数）的60~100%。离子交换操作条件三、主要设备技术指标真空蒸发器操作压力：-0.09Mpa真空蒸发器操作温度：80℃离子交换器：φ90mm×1m有机玻璃交换器（共4个）真空蒸发器：φ108mm×4mm×1m不锈钢塔体真空泵：2XZ-4,电压220V干燥塔：φ76×3.5×800mm不锈钢材质储罐：6个，10L，塑料储罐：1个，4L，不锈钢，冷凝液储罐1个，2L不锈钢高位槽：4台，2L，有机玻璃气液分离器：1台，3L，不锈钢干燥器：2台，不锈钢，φ76×3.5×800mm，配干燥剂进液泵：4台，耐酸碱，0~4L\h预热器：不锈钢，加热功率1.5Kw压力变送器：2台，-0.1~0.1Mpa，4~20mA四、工艺流程1、流程及装置简述：实验包括溶液配制、离子交换、交换稀碱液蒸发浓缩、喷雾干燥等工序，主要装置有交换塔、蒸发器、真空泵等设备。交换器中交换树脂层高度一般应大于60cm，在顶部有20cm左右的水层，上部有溢流管，顶部设进液管，底部设进液排液共用管，工业生产上树脂层与交换器直径之比一般在2~3之间，实验室可根据实际情况相应取大些。蒸发器高度700～800mm，加热蒸发段，内装ф15mm蒸发管，直径60～70mm，蒸发需要的热量由直径50mm高600mm左右水夹套中的热水提供，用接点热电偶测量并控制夹套中热水温度，温度计装在连通器的高位槽中。蒸发器顶部和底部分别设有真空接管和排液接管。五操作试漏：试漏分为两部分进行，首先是离子交换部分，储罐中加入足量清水，打开进料泵，向设备中进水，检查各个管路接口是否漏水，如有漏水，将连接管路拆下从新连接，离子交换部分试漏结束后进行蒸发器部分试漏，关闭所有放气阀门，通入氮气，升压至0.1Mpa，用试漏液仔细涂抹各部分接口，观察是否漏气，试漏结束后，放出试漏气体，连接真空泵，关闭放弃阀门，检查真空系统是否漏气检查电路：连接电源，打开各部分仪表，观察各个仪表是否显示正常试水：连接冷凝水，通入冷凝水，观察冷凝水管路是否漏水1、实验前准备

2、实验步骤①NaCl溶液配制配制Na+浓度为3.5mol/l左右的NaCl溶液，溶液体积视交换剂装填量和循环次数而定，根据原料中NaCl含量，由式计算出NaCl用量，放入溶解槽中，加入定量脱盐水（其量为配制溶液体积的1/2左右），加热使全部原料溶解，静置沉淀过滤。稀释至所需体积分析Na+含量，移入高位槽备用。②NH4HCO3溶液配制相应配制NH4HCO3浓度为2.5mol/l左右的溶液若干，由式计算出投料量，溶解槽中加入一定量温度为35℃左右的脱盐水（其量为配制溶液体积的2/3左右），搅拌。徐徐投料至全部溶解，沉淀3小时左右，过滤并稀释至预定体积，分析NH4HCO3含量，合格后导入高位槽备用。⑴溶液配制⑵离子交换工序①树脂的处理与装填：将树脂置于耐腐蚀容器中，用脱盐水清洗以除去杂物，到排水清晰为止，用脱盐水浸泡12~24小时。洗净交换器，在底部垫涤纶布或聚氯乙烯布，器内放入脱盐水，其量为交换器容积的1/3，再装入树脂，正洗，水清晰后再洗，洗去悬浮物和气泡，调整树脂层上部存水高度，使其达到超过树脂200mm高度，用NH4HCO3处理树脂，开启2号NH4HCO3

储罐泵，使NH4HCO3导入高位槽。②离子交换过程交换过程：调整树脂层上部存水高度，使其达到给定值，上NH4HCO3溶液，根据排水时间，确定取液始点，将NaHCO3溶液(后称稀液)收集在贮槽中，由NH4HCO3上液量确定上液时间，上液结束，转入二次正洗过程。具体步骤如下：按顺序打开阀门1、4、8、并打开进料泵1控制塔1进料流量为30m/min，开始向塔1进料。待塔1液面升至树脂上20厘米时，再依次打开阀门13、16、11、18向塔2内进料控制塔2进料为30ml\min，进料一定时间后，分别打开阀门14、19取样进行分析，（分析方法详见后面分析部分）通过分析结果，确定穿透后打开阀门20、32、33、进行排料、控制塔1、2排料流量为30ml\min排料过程中进行测底，通过测定结果确定树脂失效，即不能进行交换时停止排料。进入二次正洗过程。一次正洗过程：打开阀门8、9、10,目的是用水清除剩余的交换剂及交换产物，正洗速度同NH4HCO3上液速度，根据式（5、6、7）算出排液时间，排液结束，取液停止，转入下一个循环过程。（收集到的液体可作为下次实验的原料液，再与树脂交换生成NaHCO3）分析稀液中Na+浓度，测量稀液体积并计算Na+收率。再生过程：再生的目的是使失效的离子交换树脂恢复交换能力。为了降低原料消耗，提高再生度，进而增加工作交换容量，采用逆流再生。所谓逆流再生，指交换过程中溶液在器中的流动方向是自上而下，再生过程中再生剂的流动方向则是自下而上，这样，床层下部的树脂最先与新鲜而较浓的再生剂接触，使含NH4+较少的溶液流过饱和度较小的树脂层，而含NH4+较多的溶液，流过饱和度较大的树脂层，因而获得较高的再生效果，即使用较少的再生剂，也能得到较高的再生程度。逆流再生成败的关键在于是否能够保证交换剂不乱层，保持原来的填充状态，所以在逆流再生和反洗时，应严格控制流速。一般控制流速小于40ml/min，同时，交换剂层上部必须有20cm以上的水层。反洗过程：让水自下而上通过交换剂层。反洗使交换剂翻松，为交换创造良好的条件，并带出树脂层中的残余再生剂，再生物及其他杂质。反洗的最初阶段，器内继续进行再生过程，控制反洗水进料速度为30ml\min，并将废液排出，通过测定确定排液结束，停止取液，控制反洗水流速，小于40ml/min反洗时间约20~30分钟，流出液排入地沟。然后进入正洗过程正洗过程：打开阀门8、9、10让水自上而下通过树脂层，正洗的目的是进一步洗清树脂层中的残余再生剂及其再生物，正洗水流速小于60ml/min，正洗终点到流出液中Cl－<5毫克当量/升，正洗过程流出液可收集作为反洗用水或排入地沟。正洗过程结束后进行二次正洗过程。在再生、正洗、反洗、二次正洗过程中，可使用交换塔3、4进行离子交换，阀门开关与交换塔1、2相对应，交换塔1、2与交换塔3、4交替使用。⑶蒸发工序

蒸发过程在蒸发器中进行，首先将冷却水以及真空泵连接到指定位置，打开泵4将产品罐中产品导入高位槽，接通电源，打开热水泵，控制加热温度约为60°C左右，将预热器升温至40°C，并启动真空泵，真空泵控制0.09MPa左右，进料，进料一定时间后通过取样口取样分析，测定浓度。浓度符合要求后，将浓缩液收集至浓缩液罐。降膜蒸发器动画⑷干燥工序取一定量浓缩液通过蠕动泵进料，进入到喷雾干燥反应装置中，控制温度为240度，进行喷雾干燥，即可收集到Na2CO3干燥粉末（收集到的干燥粉末含NaHCO3

很少甚至没有，喷雾干燥操作流程另见喷雾干燥说明书），为确保NaHCO3100%转化为Na2CO3，可将喷雾干燥后所得粉末放置烤箱内270°C烘烤一段时间使其完全转化。（5）实验结束停车操作实验结束后将预热器与蒸发器降温，并向蒸发器中通入清水，清洗管路，管路清洗完毕后，关闭真空系统，将系统压力升至常压，等系统温度降至室温后，关闭各部分仪表，切断电源。六、分析方法ａ、粗食盐中氯化钠含量的测定：由于原料中钠离子的检测比较困难，而粗食盐在用作原料前要进行提纯处理，所以采用检测氯离子的方法来测定原盐的浓度0.01mol/lAgNO3溶液作为标准溶液，以5%K2CrO4溶液作为指示剂来滴定处理稀释后的原盐溶液，然后根据滴定所消耗的AgNO3溶液的体积计算稀释液的浓度，平行测定三次。再反算原盐的浓度。ｂ、碳酸氢铵含量的测定：测定铵盐浓度的方法有两种，一种是通过测定溶液中的HCO3－

浓度，然后反算碳酸氢铵的浓度。另一种是直接溶液中的H4N+浓度来确定碳酸氢铵的浓度。第一种方法：以0.1mol/lHCL溶液作为标准溶液,以0.1%的甲基橙作为指示剂来滴定稀释后的碳酸氢铵溶液（约为0.1mol/l），然后根据滴定所消耗的HCL溶液的体积计算稀释液的浓度，平行测定三次。再反算碳酸氢铵的浓度。①原料分析方法：第二种方法（甲醛法）：准确吸取稀释后的铵盐溶液（约为0.1mol/l）20ml放入250ml锥形瓶中，再向锥形瓶中加入1:1的中性甲醛溶液（向甲醛中滴加4-5滴酚酞，用NaOH溶液滴至浅粉红色）5ml和1-2滴酚酞指示剂，用0.1mol/lNaOH标准溶液滴至浅粉红色半分钟不退色，根据滴定所消耗的NaOH标准溶液的体积计算稀释液的浓度，平行测定三次。再反算碳酸氢铵的浓度。该测定方法还可以用来确定交换过程何时达到透过点。②产品分析采用容量分析中双指示剂法分析纯碱的含量。在分析天平上准确称取m(m=1.5-1.7)g产品，溶解后稀释在200ml容量瓶中，摇匀，用20ml移液管准确吸取20ml所配溶液于250ml锥形瓶中，加入3-5滴0.1%的酚酞指示剂，用0.1mol/l的HCL标准溶液滴定至浅粉红色，记录所消耗HCL标准溶液的体积；再在上述锥形瓶中加入2-3滴0.1%的甲基橙指示剂，继续用0.1mol/l的HCL标准溶液滴定至橙色，记录所消耗HCL标准