Физико-химические свойства мирабилита

Введение

Кристаллогидрат сульфата натрия был описан Р. Глаубером в 1658 г. как остаток, получаемый в результате взаимодействия поваренной соли с серной кислотой, и был назван им мирабилитом. В 1767 г. мирабилит, который стали также называть глауберовой солью, был выделен из природных рассолов, найденных в Германии в местечке Фридрихсхалле.

В дальнейшем сульфат натрия был обнаружен во многих природных рассолах на разных континентах земного шара, а также в виде твердых соляных отложений, содержащих, в зависимости от места нахождения, мирабилит (декагидрат) или тенардит (безводная соль).

Сульфат натрия занимает одно из важнейших мест среди продуктов химической промышленности большинства развитых стран. Общее производство сульфата натрия в мире росло до 1975 г., в последующие годы производство уменьшилось, одновременно увеличился спрос на продукт высокого качества. Согласно данным зарубежных экономистов к 1980 г. в США производство должно возрасти в 1, 5 раза, хотя предсказания роста в 1975—1976 гг. не оправдались.

Сульфат натрия используют во многих производствах, главным образом в целлюлозно-бумажной и стекольной промышленности, а также в производстве синтетических моющих средств (СМС). Введение сульфата натрия в процессе переработки древесины при- водит к получению так называемой «крафт»-целлюлозы. Последняя обладает жесткостью; применяют ее для производства технических сортов бумаги повышенной прочности, используемой в ка-
честве упаковочного материала. В стекольной промышленности сульфат натрия может заменить в случае необходимости соду, но годен также и в качестве самостоятельного компонента шихты.

Порошкообразные СМС содержат значительное количество сульфата натрия, доходящее в отдельных случаях до 70% от общего количества.

Потребность в сульфате в СССР и странах-членах СЭВ постоянно растет, при этом спрос на продукцию высшего сорта увеличивается большими темпами.

Сульфат натрия получают из природного сырья, т. е. природных рассолов, преимущественно морского и сульфат-карбонатиого типа, солевых отложений, содержащих мирабилит, астраханит, тенардит и различные гидратированные формы сульфата магния. Две из наиболее крупных стран-производителей — СССР и США — получают около половины продукта переработкой при-
родного сырья. Остальная часть сульфата натрия в этих странах — попутный продукт производств синтетических жирных кислот, волокна (главным образом, вискозы), хромсодержащих соединений. В ряде стран (Япония, Франция) используют отходы серной кислоты и сульфата железа; кроме того, сульфат натрия получают в качестве попутного продукта в производстве соляной кислоты конверсионным методом из хлорида натрия.

В некоторых отраслях промышленности, например нефтепере-
рабатывающей, образуются большие количества низкосортного сульфата натрия, который может быть использован только после соответствующей переработки. Использование таких отходов определяется общими ресурсами и потребностями страны, экспортными возможностями и общим техническим уровнем производства минеральных солей.

Основные природные источники сульфата натрия расположены в аридной зоне земного шара, главным образом в северном полушарии. К таким источникам относятся: зал. Кара-Богаз-Гол и оз. Кучук (СССР); Большое Соленое Оз., оз. Сёрлз; отложения мирабилита и смеси мирабилита и тенардита в штатах Невада, Нью-Мехико, Техас и Калифорния (США); рапа и отложения тенардита и мирабилита в провинциях Саскачеван и Альберта (Ка-
нада); озерная вода и подземные рассолы в Индии и другие.

Многокомпонентный характер сырья, отчасти находящегося в виде концентрированных растворов или получаемого в виде таковых в результате подземного выщелачивания, определяет сложный характер переработки его, основанный на использовании различий в физико-химических свойствах солевых систем в зависимости от температуры проведения процесса, а также па различии в кинетике кристаллизации отдельных твердых фаз. Во мно-
гих случаях природные рассолы и солевые отложения перерабатывают комплексно с получением нескольких продуктов, что является более сложной задачей, чем выделение одного продукта.

Изучение физико-химических равновесий в данных системах было начато Я. Г. Вант-Гоффом в 1877 г. и продолжено исследователями многих стран. Отечественная наука обогатила мир исследованиями Н. С. Курнакова, В. П. Ильинского, В. И. Николаева, А. В. Николаева, Г. С. Сидельникова, И. Н. Лепешкова, А. Б. Здаповского, О. Д. Кашкарова, С. 3. Макарова, И. Г. Дру-
жинина, О. К. Ипатьевой. Природные рассолы и их модели — предмет изучения на протяжении столетия, однако все еще остаются вопросы, требующие дальнейшего рассмотрения.

Изучению различных аспектов физической химии и технологии производства сульфата натрия посвящен ряд книг и разделов общетеоретических монографий.

 

Тепловой расчет

Тепловой расчет процесса выполняем на 1 т мирабилита.

Приход тепла:

Физическое тепло раствора по формуле (1):

Q=m•c·t, (1)

где: m - маса вещества, кг;

с - средняя теплоемкость этого вещества, кДж/(кг·град);

t - температура, град.

Q₁ = 1590, 4·2, 8·30=133 593 кДж,

где 2, 8 – сульфата натрия (кДж/(кг•град).

Физическое тепло мирабилита рассчитывается по формуле (1):

Q₂ = 214, 6·2, 05·50= 21997 кДж

где 2, 05 - средняя теплоемкость сульфата натрия, (кДж/(кг·град).

Теплоту образования мирабилита в 50%-ном растворе находим по графику.

Q₃==1312500 кДж

Общий приход тепла:

Q_пр = Q₁+ Q₂+ Q₃ = 133 593+21 997+1312500 = 1468090 кДж.

Расход тепла:

Тепло, уносимое мирабилитом(по формуле 1)

Q₁¹ = 1428, 5•2, 0·120 = 342 840 кДж,

где 2, 0 - теплоемкость 70 %- ого мирабилита.

Тепло, расходуемое на испарение воды

Q₂¹ = 366, 9•2670•= 979623 кДж,

где 2670 - энтальпия образования водяного пара, кДж/кг.

Пренебрегаем теплом, уносимым с потерями сульфата натрия.

Тогда общий расход тепла (без тепловых потерь):

Q_расх= Q₁¹+ Q₂¹ = 342840 + 979623 = 1322463 кДж

Потери тепла могут быть подсчитаны, как разность между приходом и расходом тепла:

Q_пр- Q_расх= 1468124-1322463 = 145627 кДж

По отношению к приходу тепла это составляет = 9, 9%, что соответствует потерям тепла, наблюдаемым в практическом производстве.

Таблица  теплового баланса глауберовой соли (Na2SO4 * 10 H2O)

Таблица 3

Приход	кДж	Расход	кДж
1.Физическое тепло сульфата натрия 2.Физическое тепло мирабилита 3.Тепло реакции	133 593   21 997   1312500	1.Тепло, уносимое мирабилитом 2.Тепло, пошедшее на испарение воды 3.Потери тепла	342 840   979 623   145 627
Всего:	1 468 090	Всего:	1468090

Заключение

 

В данной курсовой работе подробно написано про первые описания мерабилита, его физико-химические свойства, изложены основные сырьевые источники процессов, описан технологический процесс получения мирабилита, который состоит из 12 компонентов и, про которых всё подробно описано. Приведен расчет материального баланса для всего процесса и расчет теплового баланса. Так же присутсвуют техника безопасности и экология процессов, в которых содержится:

1. Охрана окружающей среды;

2. Основные правила безопасности производства работ;

3. Санитарно-гигиенические требования;

4. Правила пожарной безопасной производства.

 В некоторых пунктах курсовой работы кроме информации, также присутствуют таблицы, рисунки и диаграммы.

 

Список литературы:

1. «Технология минеральных солей», М. Е. Позин, издательство «ХИМИЯ», 1947, два тома.

2.  «Расчеты по технологии неорганических веществ», М.Е. Позина, Под реадкцией проф. М.Е. Позина. Л., «Химия», 1977.

3.  «Технология минеральных солей», М.Е. Позин, Издательство «Химия» Ленинград, 1974.

4. «Сульфат натрия: свойства и производство», Л.В. Шихеева, В.В. Зырянов Издательство «Химия» Ленинград, 1978.

5. «Химическая технология неорганических веществ», Т.Г. Ахметова «Высшая школа» Москва, 2002.

6.  «Масс-спектрометрия загрязнений окружающей среды», Р.А. Хмель- ницкий, Е.С.Бродский,  «Химия», 1990.

 

 

Введение

Кристаллогидрат сульфата натрия был описан Р. Глаубером в 1658 г. как остаток, получаемый в результате взаимодействия поваренной соли с серной кислотой, и был назван им мирабилитом. В 1767 г. мирабилит, который стали также называть глауберовой солью, был выделен из природных рассолов, найденных в Германии в местечке Фридрихсхалле.

В дальнейшем сульфат натрия был обнаружен во многих природных рассолах на разных континентах земного шара, а также в виде твердых соляных отложений, содержащих, в зависимости от места нахождения, мирабилит (декагидрат) или тенардит (безводная соль).

Сульфат натрия занимает одно из важнейших мест среди продуктов химической промышленности большинства развитых стран. Общее производство сульфата натрия в мире росло до 1975 г., в последующие годы производство уменьшилось, одновременно увеличился спрос на продукт высокого качества. Согласно данным зарубежных экономистов к 1980 г. в США производство должно возрасти в 1, 5 раза, хотя предсказания роста в 1975—1976 гг. не оправдались.

Сульфат натрия используют во многих производствах, главным образом в целлюлозно-бумажной и стекольной промышленности, а также в производстве синтетических моющих средств (СМС). Введение сульфата натрия в процессе переработки древесины при- водит к получению так называемой «крафт»-целлюлозы. Последняя обладает жесткостью; применяют ее для производства технических сортов бумаги повышенной прочности, используемой в ка-
честве упаковочного материала. В стекольной промышленности сульфат натрия может заменить в случае необходимости соду, но годен также и в качестве самостоятельного компонента шихты.

Порошкообразные СМС содержат значительное количество сульфата натрия, доходящее в отдельных случаях до 70% от общего количества.

Потребность в сульфате в СССР и странах-членах СЭВ постоянно растет, при этом спрос на продукцию высшего сорта увеличивается большими темпами.

Сульфат натрия получают из природного сырья, т. е. природных рассолов, преимущественно морского и сульфат-карбонатиого типа, солевых отложений, содержащих мирабилит, астраханит, тенардит и различные гидратированные формы сульфата магния. Две из наиболее крупных стран-производителей — СССР и США — получают около половины продукта переработкой при-
родного сырья. Остальная часть сульфата натрия в этих странах — попутный продукт производств синтетических жирных кислот, волокна (главным образом, вискозы), хромсодержащих соединений. В ряде стран (Япония, Франция) используют отходы серной кислоты и сульфата железа; кроме того, сульфат натрия получают в качестве попутного продукта в производстве соляной кислоты конверсионным методом из хлорида натрия.

В некоторых отраслях промышленности, например нефтепере-
рабатывающей, образуются большие количества низкосортного сульфата натрия, который может быть использован только после соответствующей переработки. Использование таких отходов определяется общими ресурсами и потребностями страны, экспортными возможностями и общим техническим уровнем производства минеральных солей.

Основные природные источники сульфата натрия расположены в аридной зоне земного шара, главным образом в северном полушарии. К таким источникам относятся: зал. Кара-Богаз-Гол и оз. Кучук (СССР); Большое Соленое Оз., оз. Сёрлз; отложения мирабилита и смеси мирабилита и тенардита в штатах Невада, Нью-Мехико, Техас и Калифорния (США); рапа и отложения тенардита и мирабилита в провинциях Саскачеван и Альберта (Ка-
нада); озерная вода и подземные рассолы в Индии и другие.

Многокомпонентный характер сырья, отчасти находящегося в виде концентрированных растворов или получаемого в виде таковых в результате подземного выщелачивания, определяет сложный характер переработки его, основанный на использовании различий в физико-химических свойствах солевых систем в зависимости от температуры проведения процесса, а также па различии в кинетике кристаллизации отдельных твердых фаз. Во мно-
гих случаях природные рассолы и солевые отложения перерабатывают комплексно с получением нескольких продуктов, что является более сложной задачей, чем выделение одного продукта.

Изучение физико-химических равновесий в данных системах было начато Я. Г. Вант-Гоффом в 1877 г. и продолжено исследователями многих стран. Отечественная наука обогатила мир исследованиями Н. С. Курнакова, В. П. Ильинского, В. И. Николаева, А. В. Николаева, Г. С. Сидельникова, И. Н. Лепешкова, А. Б. Здаповского, О. Д. Кашкарова, С. 3. Макарова, И. Г. Дру-
жинина, О. К. Ипатьевой. Природные рассолы и их модели — предмет изучения на протяжении столетия, однако все еще остаются вопросы, требующие дальнейшего рассмотрения.

Изучению различных аспектов физической химии и технологии производства сульфата натрия посвящен ряд книг и разделов общетеоретических монографий.

 

Физико-химические свойства мирабилита

Из водных растворов при температурах от 32, 384 до 233 кри-
сталлизуется безводный сульфат натрия в ромбической системе,
выше 233° —в моноклинной. Ниже 32, 384° выделяются прозрачные
моноклинные кристаллы Na₂S0₄ • 10Н₂О— глауберовой соли или
мирабилита (от латинского слова mirabilis — удивительный). Плот-
ность мирабилита 1, 464—1, 481 г/см³. Существует также метаста-

бильный семиводный кристал логидрат Na₂S04-7H₂0.

 

10        20 30

Na₂S0₄, %

Рис. 1. Диаграмма растворимости в системе Na₂S0₄— H₂0.

При 32, 384° мирабилит инконгруэнтно плавится — разлагается на безводный сульфат натрия и его насыщенный раствор. Растворимость Na₂SC> 4 в воде (таблица 1 и рис. 1) при повышении температуры от 32, 384 до ~ 120° уменьшается, затем возрастает, а выше 233° резко убывает, приближаясь к
нулю при критической температуре воды (365°)^4-в.

Рис. 2. Давление диссоциации Na₂S0₄ • 10Н₂0

Температура. °С

Растворение безводного сульфата натрия в воде сопровождается вы-
делением тепла вследствие гидратации. Растворение мирабилита
происходит с поглощением тепла, затрачиваемого на разрушение
гидратиых связей.

На рис. 2 показана кривая давлений водяного пара над мира-
билитом. Если влажность окружающего воздуха меньше давле-
ния диссоциации, кристаллы мирабилита выветриваются покры-
ваются слоем безводного сульфата. Давление пара насыщенных
растворов Na₂S0₄ при высоких температурах:

t, °С…………………………………………………200 250 300 350 362

P, кгс/ см²…………………………………………..14, 3 38 85 167 195

 

 

		Растворимость сульфата натрия в воде			ТАБЛИЦА 1
Тем-пера-тура.	Концен-трация насыщен-ного раствора, вес. %	Твердая фаза	Темпе-рату-ра, °C	Концентрация насыщенного раствора, вес. %	Твердая фаза
-0, 6	1, 96	Лед	40	32, 5	Na2S04 (ромб.)
—1, 2	3, 85	Лед + Na2S04* 1O Н2О	50	31, 9	»
0	4, 5	Na2S04- 1O Н2О	70	80, 6	»
10	8, 2	»	100	29, 9	»
15	11, 7	»	120	29, 5	»
20	16, 1	»	140	29, 6	»
26	21, 9	»	233	32.0	Na2S04 (ромб.) +
30	28, 8	»			+Na2S04(MOHOKA.)
32, 4	33.2	Na2S04 • 10 Н2О +	280	25, 3	Na2S04 (монокл.)
		+ Na2S04 (ромб.)

 

Растворимость сульфата натрия в насыщенных водных растворах NaCl с повышением температуры непрерывно возрастает вплоть до температуры плавлениябезводной эвтектики NaCl—Na₂S0₄ (рис. 3). При этом максимум давления пара эвтонических растворов тройной системы Na₂S0₄—NaCl—Н₂0 (228—230 кгс/см²) намного (на 170—175 кгс/см²) ниже максимума давления пара насыщенных растворов системы NaCl—Н₂O (рис. 4).

 

 

 

            Н₂O

Рис. 3. Политерма растворимости
в системе Na₂S0₄—NaCl—-Н₂0 при
температурах от 100 до 700°.

Рис. 4. Кривые зависимости давле-
ния водяного пара от температуру
растворов, насыщенных Na₂S0₄, NaCl
н смесыо солей (эвтоника).

 

1234Следующая ⇒

Поделиться: