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：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%。

关键词：氨碱法；纯碱；实验条件；优化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72~74%。

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，“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，甚至导致气体回冲至滴液漏斗；二是实验时间长，通常需要小时以上；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），浓盐酸，冰。

托盘天平，250mL锥形瓶，滴液漏斗，100mL集气瓶，6mm×8mm玻璃管，各规格试管，200mL烧杯，温度计（100℃），铁架台，酒精灯等。

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Experimental apparatus(5) 一定时间后停止通气，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，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，该体积适宜NaCl的用量及装置的要求；洗气瓶导管及吸收导管均采用6mm×8mm常规玻璃管。

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 experimental results吸收液温度42±1 ℃，喷散式，通气速率=130±5 个/ min，t (吸收)= 90 min, t (冷却)=15 min, 18mm×180mm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/%10:53912:33113:22814:1少量不溶--表1可见，总体积为的吸收液，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。

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。

温度/℃图2 吸收液温度对实验结果的影响Influence of absorption liquid temperature on experimental results喷散式，通气速率=130±5 个/ min ，t (吸收)= 90 min, t (冷却)=15 min, 18mm ×180mm 试管图2表明，温度低于或高于42±1℃，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42±1℃为最佳。

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 。

温度/℃冷却时间 / min图3 吸收液冷却过程中温度随时间的变化Temperature of absorption liquid changes with time in the cooling process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CO 2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42±1℃，喷散式吸收，通气速率=130±5个/ min ，t (吸收)= 90min, t (冷却)=11min试管规格液面高 开始析晶NaCl 转度/ cm时间/min化率/%18mm×180 mm2825 mm×200 mm38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18mm×180mm、20mm×200mm、25mm×200mm三种型号能够满足盛放15mL吸收液的要求。

表2结果表明，液面高度从增加到，开始析晶时间显着缩短，NaCl转化率明显提高，因此，反应容器应采用18mm×180mm试管。

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42±1℃，喷散式吸收，t(吸收)= 90min, t(冷却)=11min，18mm×180mm试管通气速率（个/min）130±5190±1240±1开始析晶时间/min282116NaCl转化率/%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240±10个气泡/min时，气泡会将液体冲出试管。

所以，通气速率控制在240±10个气泡/min 为宜。

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 absorbing ways on experimental results 吸收液温度42±1℃，通气速率=240±10个气泡/ min，t(吸收)= 90min, t(冷却)=11min，18mm×180mm试管吸收方式6mm内径普通式6mm内径喷散式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/%实验室通常用6mm×8mm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，6mm×8mm×25cm玻璃管，内径6mm，导管口距试管底部；6mm内径喷散式，6mm×8mm ×25cm玻璃管，内径6mm；内径喷散式，6mm×8mm×25cm玻璃管末端烧制成尖嘴，内径。