Wydział Chemiczny

Izotermiczna adsorpcja okresowa w układzie ciało stałe - ciecz

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 1

(TCC3055l 31-87B)

Czwartek 8:15-11:00

Opracował:

Dariusz Łozak

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 23.03.2006

Oznaczenia

				pole powierzchni		m^2
				aktywność złoża adsorbenta		kg/m^3
				aktywność równowagowa		kg/kg złoża
				aktywność równowagowa		kg/m^3
				stężenie składnika w cieczy wylotowej	kg/m^3
				stężenie równowagowe do aktywności	kg/m^3
				początkowe stężenie p-ksylenu w próbce		kg/m^3
				średnica wewnętrzna kolumny		m
				wysokość warstwy złoża adsorbenta		m
				wysokość frontu adsorpcji		m
				wysokość złoża adsorbenta		m
				współczynnik przenikania masy		1/s
				współczynnik załamania światła substancji w temperaturze pokojowej		-
				czas przepływu określonej ilości cieczy		s
				objętość		ml
				objętościowe natężenie przepływu		m^3/s
				Prędkość cieczy odniesiona do całego pola przekroju poprzecznego warstwy złoża adsorbenta
symbole greckie
				współczynnik symetrii		-
				gęstość wypełnienia kolumny		kg/m^3
				czas		s
indeksy dolne
	0,05			odnosi się do 5% wartości wielkości
	0,95			odnosi się do 95% wartości wielkości
	a			odnosi się do całkowitego czasu adsorpcji
	d			dotyczy aktywności dynamicznej
	k			dotyczy kolumny
nadpisania
	.			strumień wielkości		1/s

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było wyznaczenie wartości współczynnika przenikania masy i aktywności dynamicznej warstwy złoża w kolumnie, w której zachodzi izotermiczna adsorpcja okresowa jednego ze składników mieszaniny ciekłej.

2. Aparatura

Schemat instalacji badawczej pokazano na rysunku 1 w załączniku A.

3. Metodyka badań

Badania zostały wykonane zgodnie z metodyką zawartą w załączniku A.

4. Wyniki badań

Wyniki badań zostały zgromadzone w tabeli 1 w załączniku A.

5 Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1 Obliczanie prędkości liniowej cieczy w kolumnie:

a) natężenie przepływu obliczono na podstawie danych doświadczalnych ze wzoru:

(1)

b) prędkość liniową obliczamy z wykorzystaniem objętościowego natężenia przepływu dla pola przekroju kolumny A_k=0,002106:

(2)

5.2 Obliczanie wartości stężenia C na podstawie zmierzonych wartości współczynnika załamania światła:

(3)

5.3 Wyznaczanie wykresu krzywej wyjściowej C/C₀ w funkcji czasu:

a) początkowe stężenie p-ksylenu w próbce obliczono ze wzoru :

(4)

b) po wyznaczeniu stosunku C/C₀ wyznaczam krzywą wyjściową i obliczam pola A₁ i A₂:

Rysunek	2	Wykres krzywej wyjściowej f(τ)=C/C0

5.4 Obliczanie współczynnika symetrii w zakresie zmian czasu τ _(0,05) - τ _(0,95):

(5)

5.5 Obliczanie wysokości frontu adsorpcji:

(6)

5.6 Wyznaczenie wykresu izotermy adsorpcji wraz z linią operacyjną o punktach skrajnych postaci (0,0) i (C₀,a^*_(Co)):

a) aktywność równowagową dla stałych A=2,453^.10^-3 i B=5,002^.10^-3 obliczono z równania Langmuir'a:

(7)

b) aktywność złoża obliczono ze wzoru:

(8)

Rysunek	3	Wykres izotermy równowagowej a^*(C) i linii operacyjnej a(C)

5.7 Obliczanie współczynnika przenikania masy korzystając z równań izotermy równowagowej i linii operacyjnej:

b) graficzne rozwiązanie całki
:

Rysunek	4	Wykres zależności wyrażenia 1/(C-C^*(a)) od stężenia C

gdzie C^*_(a) obliczono korzystając z równań izotermy równowagowej i linii operacyjnej wg następującego schematu:

dla

b) współczynnik przenikania masy obliczono ze wzoru:

(9)

5.8 Obliczanie aktywności dynamicznej złoża:

a) graficzne rozwiązanie całki
:

Rysunek	5	Wykres zależności stężenia składnika na wylocie od czasu

e) aktywność dynamiczną złoża obliczono ze wzoru:

(10)

Tabela	2.	Wyniki obliczeń
3,125·10^-7			1,484·10^-4		81,6328		0,3792		0,5363	0,0061367		71,20008
Tabela	3.	Wyniki obliczeń
1,3801				0,0000		0,00000		0,000000			0,000000
1,3802				0,6092		0,00746		0,001490			0,847712
1,3808				4,2644		0,05224		0,010242			5,827757
1,3810				5,4828		0,06716		0,013090			7,448385
1,3812				6,7012		0,08209		0,015905			9,049900
1,3812				6,7012		0,08209		0,015905			9,049900
1,3813				7,3104		0,08955		0,017300			9,843595
1,3826				15,2300		0,18657		0,034715			19,752616
1,3842				24,9772		0,30597		0,054464			30,990299
1,3848				28,6324		0,35075		0,061436			34,957312
1,3867				40,2072		0,49254		0,082114			46,722766
1,3882				49,3452		0,60448		0,097082			55,239449
1,3890				54,2188		0,66418		0,104624			59,531250
1,3901				60,9200		0,74627		0,114535			65,170609
1,3914				68,8396		0,84328		0,125611			71,472739
1,3919				71,8856		0,88060		0,129699			73,798847
1,3921				73,1040		0,89552		0,131309			74,714758
1,3921				73,1040		0,89552		0,131309			74,714758
1,3924				74,9316		0,91791		0,133697			76,073398
1,3930				78,5868		0,96269		0,138378			78,737184
1,3932				79,8052		0,97761		0,139911			79,609643

Tabela	4.	Wyniki obliczeń do punktu 5.7
0,000			0,0000	1,7532	1,3241	-0,2230	4,4837
0,500			0,4988	1,7448	1,3209	0,1541	2,8913
1,000			0,9976	1,7364	1,3177	0,5322	2,1377
2,000			1,9952	1,7197	1,3114	1,2911	1,4106
3,000			2,9928	1,7029	1,3049	2,0537	1,0568
4,082			4,0718	1,6848	1,2980	2,8828	0,8341	<-- dla 0,05C0
5,000			4,9880	1,6694	1,2920	3,5903	0,7093
6,000			5,9856	1,6526	1,2855	4,3643	0,6114
7,000			6,9832	1,6359	1,2790	5,1423	0,5383
8,000			7,9808	1,6191	1,2724	5,9243	0,4818
10,000			9,9760	1,5856	1,2592	7,5005	0,4001
12,000			11,9712	1,5521	1,2458	9,0935	0,3441
14,000			13,9664	1,5185	1,2323	10,7037	0,3034
18,000			17,9568	1,4515	1,2048	13,9785	0,2487
22,000			21,9472	1,3845	1,1766	17,3298	0,2141
26,000			25,9376	1,3174	1,1478	20,7633	0,1910
30,000			29,9280	1,2504	1,1182	24,2852	0,1750
38,000			37,9088	1,1163	1,0566	31,6247	0,1569
46,000			45,8896	0,9822	0,9911	39,4199	0,1520
54,000			53,8704	0,8481	0,9209	47,7679	0,1605
58,000			57,8608	0,7811	0,8838	52,1900	0,1721
62,000			61,8512	0,7141	0,8450	56,8063	0,1925
66,000			65,8416	0,6470	0,8044	61,6449	0,2296
68,000			67,8368	0,6135	0,7833	64,1583	0,2603
70,000			69,8320	0,5800	0,7616	66,7413	0,3069
72,000			71,8272	0,5465	0,7392	69,4002	0,3846
73,000			72,8248	0,5297	0,7278	70,7602	0,4465
74,000			73,8224	0,5130	0,7162	72,1419	0,5382
75,000			74,8200	0,4962	0,7044	73,5463	0,6879
76,000			75,8176	0,4794	0,6924	74,9747	0,9753
77,000			76,8152	0,4627	0,6802	76,4283	1,7492
77,550			77,3639	0,4535	0,6734	77,2390	3,2154	<-- dla 0,95C0
77,650			77,4636	0,4518	0,6721	77,3873	3,8064
77,750			77,5634	0,4501	0,6709	77,5358	4,6694

6. Omówienie wyników, wnioski

6.1 Podstawy teoretyczne

Adsorpcja to zjawisko oraz proces zmiany stężenia (substancji w stanie ciekłym lub w roztworze) lub ciśnienia (w fazie gazowej) pojawiające się na granicy pomiędzy dwiema fazami - gazową i ciekłą, ciekłą i stałą oraz pomiędzy nie mieszającymi się cieczami. Najczęściej terminem adsorpcja określa się proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub też proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej.

Adsorpcja może mieć charakter chemiczny (chemisorpcja - reakcja chemiczna) lub fizyczny (adsorpcja fizyczna). Adsorpcja ma charakter powierzchniowy, czym różni się od absorpcji polegającej na pochłanianiu adsorbatu w całej objętości adsorbentu. Zjawisko może mieć różny charakter ze względu na sposób gromadzenia się adsorbatu. Chemisorpcja jest z reguły monowarstwowa (czyli jednowarstwowy), a adsorpcja par przy ciśnieniu bliskim ciśnieniu pary nasyconej, gdy następuje samorzutna kondensacja pary to proces wielowarstwowy (poliwarstwowy).

Przykłady zastosowania adsorpcji:

• pochłanianie zapachów przez filtr węglowy w lodówce lub samochodzie,

• pochłanianie toksyn przez węgiel medyczny z przewodu pokarmowego pacjenta

• oczyszczanie gazów przemysłowych i ścieków

Typowe metody pomiaru adsorpcji opierają się o analizę bilansu masy (bilansu materiałowego) - obserwując zmianę stężenia lub ciśnienia adsorbatu w "fazie objętościowej" określamy jaka ilość adsorbatu przemieściła się do lub z adsorbentu.

Do opisu stanu równowagi adsorpcyjnej stosuje się najczęściej tzw. równania izoterm adsorpcji (rys. 3) określające charakter zależności zaadsorbowanej ilości adsorbatu od jego ciśnienia lub stężenia przy zachowaniu stałości temperatury.

Proces adsorpcji zachodzi z pewną ograniczoną szybkością, zatem spadek stężenia tego składnika w roztworze zachodzi na pewnej wysokości złoża nazywanej frontem adsorpcji (6). Na powierzchni adsorbentu może być związana określona ilość cząsteczek, zatem w miarę wysycania kolejnych partii złoża, front adsorpcji przesuwa się wzdłuż wysokości warstwy zgodnie z kierunkiem przepływu mieszaniny, aż w końcu na wylocie z adsorbera w mieszaninie ciekłej pojawia się składnik adsorbowany.

6.2 Wyniki doświadczalne

Wyznaczona aktywność dynamiczna złoża (10) jest mniejsza niż aktywność równowagowa odpowiadającą stężeniu substancji w surowcu C₀, zgodnie z zależnością:

a_d < a^*_(Co)

0

2

0,95

τ_(0,05)=618,1 s

τ_(0,95)=3510,3 s

τ_(0,95)

0,05

τ_(0,05)

A₁

F,L

A₁=987,113 m²

A₂=1615,894 m²

A₂

---