化学工程学院本科生专业实验报告
题目水盐体系相平衡测定及硫酸钾制备
学生姓名毛书林
学号1043084006
实验组号 2 - 12
组员毛书林高雅琴尤乾坤
指导教师金央
2013年11月11日
一、 实验目的
本实验通过在25℃下K +、Na +、C1-、SO 42-和H 2O 体系的相平衡数据的测定、相图的绘制、工艺路线的分析以及实验方案的确定，最终制取K 2SO 4和NaCl 。
使实验者掌握化工产品的开发过程和基本方法。
二、实验原理
实验室常用等温法测定相平衡数据。
即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组成，从而获得相平衡数据。
1．相图标绘和分析
等温等压条件下，K +、Na +、C1-、SO 42-、H 2O 体系相律公式为：
p p C F -=-=4 其复分解反应方程式为
24242KCl Na SO K SO 2NaCl
+=+
K 2Cl 2
Na 2SO 4
K 2SO 4
Na 2Cl 2
B
C
E K N
M g M'K'
图1 K +、Na +、C1-、SO 42-、H 2O 体系相图
——25℃等温溶解度线 ----100℃等温溶解度线 —·—工艺分析线段 AEGFA ：Na 2SO 4·10H 2O 结晶区 FHRGF ：Na 2SO 4结晶区 HRJKBH ：NaCl 结晶区
EGRJPME ：Na 2SO 4·3K 2SO 4结晶区 KJPNCK ：KCl 结晶区 MPNDM ：K 2SO 4的结晶区
K 2Cl 2
Na 2SO 4
Na 2Cl 2
2040
6080
100020
40
60
100
80
=2++
4K 2SO 4K 2
图2 四元体系相图坐标
K 2Cl 2
Na 2SO 4
K 2SO 4
Na 2Cl 2
A B
C
D
E
K
N
M
图3 四元体系25℃相图
2相平衡体系的建立
K+、Na+、C1-、SO42-、H2O体系存在着化学平衡和相平衡，反应物固盐硫酸钠和氯化钾溶解进入液相，在液相中离解为K+、Na+、C1-、SO42-四种离子，这些离子相互发生化学作用，生成产物硫酸钾和氯化钠，并从溶液中结晶出来，最终达到化学平衡和相平衡状态。
水盐体系相平衡数据的测定过程，就是要在实验条件下建立互成平衡的固液两相，然后对固相和液相的组成进行测定进行分析。
3.间接法制备硫酸钾。
第一步：把配料点设计在图1的“1”点，其反应为
Na2SO4+2KCl+W1→ Na2SO4·3K2SO4+R
第二步：将g点钾芒硝Na2SO4·3K2SO4与KCl和H2O配制至图1的“b”点，反应式为
g+2KCl+W2→K2SO4+P
P溶液中的钾还可进一步回收，将P盐溶液与Na2SO4配制成相图所示的物系点“3'”，反应式为
P+Na2SO4±W3→Na2SO4·3K2SO4+R
4分析方法
(1) K+——四苯硼酸钠重量法
(2) Cl-——银量法测定
(3) SO42-——茜素和容量法测定
(4) Na+——减差法确定
三、实验装置与设备
1、仪器与试剂
仪器：三口烧瓶（250ml）1个，250ml容量瓶2支，500ml容量瓶2支，玻沙漏斗8个，500ml烧杯一个，250ml烧杯两个，250ml锥形瓶2个，500ml 锥形瓶，真空抽滤机，恒温水浴，搅拌器，玻璃棒，洗耳球，5m移液管，10ml 移液管，10ml量筒，50ml量筒，50ml棕色滴定管, 50ml无色滴定管，分析天平，PH试纸，恒温干燥箱。
试剂：氯化钾，氯化钠，硫酸钠，去离子水，四苯硼酸钾，氢氧化铝，20%氢氧化钠溶液，EDTA，氢氧化钠，40%甲醛溶液，0.1％甲基红指示剂乙醇溶液，5％K2CrO4溶液，0.05N AgNO3溶液，0．2％茜素红溶液，6NHAc溶液，无水乙醇，0.1BaCl2溶液，盐酸溶液。
2.实验装置图：
制取装置
1—温度计；2—搅拌器；3—反应器；4—恒温水浴滴定装置
抽滤装置
五、实验数据记录处理
（一）．数据记录：
A．
第一次反应（R点）时间:9:00-11:00
配料组成：
滴定取样液如下：
B．
第二次反应（P点）时间:11:20-14:00
配料组成：
滴定取样液如下：
C ．
第三次反应时间:1400-17:00
M K 2SO 4 = 25.9741g
配料组成：
继续反应1.5小时，经处理取样和陪夜如下：
离子测定数据如下:
（二）．数据处理：
1.理论计算公式
A ．固相中钾含量百分率按下式计算：
0.1091
K %100
5500G W +⨯=
⨯⨯
溶液中钾含量百分率按下式计算：
0.1091
K %100
5250
G W +⨯=
⨯⨯
氧化钾含量百分率按下式计算：
20.1341
K O%100G W ⨯=
⨯
B ．氯离子含量的计算方法：
0.03546100
Cl %1010500250V N G -⨯⨯⨯=
⨯或
C ．硫酸钠含量的计算方法：
240.142
Na SO %1001010
500250
V N G ⨯⨯=
⨯⨯⨯
2.计算过程
以R 点为例计算： A ．
固相中钾含量百分率：
0.10910.03930.1091
K %100=100=12.555500 3.41585500G W +⨯⨯=
⨯⨯⨯⨯
溶液中钾含量百分率：
0.10910.01160.1091
K %100100=1.255250 5.04455250
G W +⨯⨯=
⨯=⨯⨯⨯
固相中氧化钾含量百分率：
20.13410.03930.1341
K O%100100=0.153.4158G W ⨯⨯=
⨯=⨯
液体相中氧化钾含量百分率：
20.13410.01160.1341
K O%100100=0.033.4158
G W ⨯⨯=
⨯=⨯
B ．
固相中氯离子含量：
0.035461007.20.0650.03546100
Cl %=24.2910103.4158500500V N G -⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
=⨯⨯
液相中氯离子含量：
0.035461007.50.0650.03546100
Cl %=8.5710105.0445250250
V N G -⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
=⨯⨯
C ．
固相硫酸钠含量的计算方法：
240.142 1.280.10.142
Na SO %100100=26.6110103.4158500500
V N G ⨯⨯⨯⨯=
⨯=⨯⨯⨯
液相硫酸钠含量的计算方法：
240.1428.440.10.142
Na SO %1008.4410105.0445250250
V N G ⨯⨯⨯⨯=
⨯=⨯⨯⨯
4.K 22+
的回收率计算为：η=25.9741 x0.8940 x 2/174.26
(21.6+16.5597)/74.45
=
51.20%
六、思考题
(1)如何判定该体系液固达平衡?
答：液体中不再有固体生成即可判定为平衡条件。
客观上观察，固相相界面稳定并且不再发生变化，即可初步判断液固平衡。
其次从固相的颜色，颗粒在体系中的运动状态是否稳定，体系PH 是否稳定等方面来判断。
反应中由于有搅拌的存在，相对观察会比较困难，可静止后观察。
(2)复分解反应制备K 2SO 4、NaCl 其最大自由度和最小自由度是多少?
答：制备K 2SO 4时，最大自由度F=4-P=4-1=3。
g+2KCl+H 2O==K 2SO 4+P 最小自由度在b 处F=4-P=4-2=2
(3)由Na 2SO 4、KCl 制备K 2SO 4、NaCl 过程中，主要难点在何处，应如何解决?
答：主要在于体系的自由度比较大，难以确定具体体系中存在的物系，反应难以控制。
解决的方案是通过观察相图，合理确定各物料的加入量，同时控制好反应温度和时间等等。
(4)实验结果与模拟计算结果的差距，主要原因有哪些?
答：1.实验中的操作会产生误差，包括材料的称取，制备产物的损失，配制溶液浓度的不准确，滴定的误差等等；
2.实验条件的控制可能存在误差，包括温度的控制等等；
3.计算存在误差，包括相图的读取和分析，计算中取值的误差，计算公式存在的误差等等。
海纳百川有容乃大
(5)分析中应注意哪些问题?为什么最关心的是产品中K+、Cl-离子含量?
答：分析中应当对比相图，观察实验数据是否合理，是否有偏差，出现偏差的原因在哪，以及实验中出现过哪些存在疑点的现象等等。
实验的最终目的是制取硫酸钾，钾离子的含量可以体现出产率和收率。
氯离子的含量则体现杂志的含量，即产品的品质。