SPRAWNOŚĆ PÓŁKI SITOWEJ W PROCESIE DESORPCJI GAZU
Termin zajęć:
Środa 14:15 – 16:55
Grupa 2:
Sylwia Gaik
Katarzyna Przeździęk
Karol Kameduła
Spis symboli i jednostek:
c – stężenie [kmol/m3] lub [mol/dm3]
E – sprawność desorpcji na półce sitowej
n – liczba moli [mol]
M – masa molowa [g/mol]
V – objętość [cm3]
x – ułamek molowy składnika w gazie
y – ułamek molowy składnika w cieczy
$\overline{x}$ - ułamek molowy składnika w gazie równowagowy do y
$\overline{y}$ - ułamek molowy składnika w cieczy równowagowy do x
${\dot{L}}_{}$ - strumień cieczy [kmol/s]
${\dot{V}}_{}$ - strumień gazu [kmol/s]
ρ – gęstość [kg/m3]
Indeksy górne i dolne:
0 – początkowe
c – ciecz
g - gaz
k – końcowe
n – nadmiarowe
p – początkowe
pow. – powietrze
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie sprawności desorpcji na półce sitowej z przelewem w procesie desorpcji dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie za pomocą strumienia powietrza, oraz określenie wpływu parametrów operacyjnych, tj. strumieni fazy ciekłej lub gazowej na te sprawności.
Przebieg doświadczenia:
Wodę znajdującą się w zbiorniku (element 2 na rysunku) wysyciliśmy dwutlenkiem węgla, poprzez zanurzenie bełkotki podłączonej bezpośrednio do zaworu butli ze sprężonym CO2. Po upływie około 20 minut oznaczyliśmy stężenie CO2 w powstałym surowcu. Następnie ustawiliśmy przepływ wody na stałą wartość wynoszącą 0,13m3/h, natomiast przepływ powietrza ustawiliśmy początkowo na 12,5m3/h i zmienialiśmy jego wartość wykonaliśmy 4 oznaczenia wody, czekając około 5 minut na ustalenie się warunków stacjonarnych.
Zawartość CO2 rozpuszczonego w wodzie oznaczaliśmy metodą strąceniową miareczkując 0,1M kwasem solnym wobec fenoloftaleiny odmierzoną objętość badanej próbki zadanej nadmiarem objętości mianowanego roztworu Ba(OH)2.
Półka sitowa
Zbiornik
Pompa
Rotametr
Króciec spustowy
Dmuchawa
Zawór regulacyjny
Rotametr
Króciec z wyjściem do atmosfery
Tabela z wynikami pomiarowymi:
${\dot{\mathbf{L}}}_{\mathbf{o}}$ $\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}}{\mathbf{s}} \right\rbrack$ | ${\dot{\mathbf{V}}}_{\mathbf{o}}$ $\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}}{\mathbf{s}} \right\rbrack$ | Próbka | Vpróbki [cm3] | VBa(OH)2 [cm3] | VHCl [cm3] | CHCl [mol/dm3] | CBa(OH)2 [mol/dm3] |
---|---|---|---|---|---|---|---|
____ | ____ | Miano Ba(OH)2 | ____ | 10 | 1,7 | 0,1 | 8,5*10-3 |
____ | ____ | Surowiec | 10 | 20 | 2,1 | 0,1 | 8,5*10-3 |
4,61*10-3 | 1,44*10-4 | Produkt 1 | 20 | 20 | 2,6 | 0,1 | 8,5*10-3 |
4,61*10-3 | 1,73*10-4 | Produkt 2 | 20 | 20 | 2,7 | 0,1 | 8,5*10-3 |
4,61*10-3 | 2,01*10-4 | Produkt 3 | 20 | 20 | 2,8 | 0,1 | 8,5*10-3 |
4,61*10-3 | 2,59*10-4 | Produkt 4 | 20 | 20 | 3,0 | 0,1 | 8,5*10-3 |
Obliczenia:
Obliczenie strumienia cieczy i gazu:
$${\dot{L}}_{0} = \frac{{\dot{V}}_{c} \times \rho_{c}}{M_{H2O}} = \frac{8,3 \times 10^{- 5} \times 1000}{18} = 4,61 \times 10^{- 3}\lbrack\frac{\text{kmol}}{s}\rbrack$$
$${\dot{V}}_{o} = \frac{{\dot{V}}_{\text{pow.}} \times \rho_{\text{pow.}}}{M_{\text{pow.}}} = \frac{3,472 \times 10^{- 3} \times 1,2}{28,97} = 1,44 \times 10^{- 4}\ \lbrack\frac{\text{kmol}}{s}\rbrack$$
Obliczenie miana Ba(OH)2:
Ba(OH)2 + CO32− → BaCO3 + 2OH− + nadmiar Ba(OH)2
Ba(OH)2 + 2HCl → BaCl2 + 2H2O
$\frac{n_{\text{HCl}}}{n_{\text{Ba}{(\text{OH})}_{2}}} = 2$
$$n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \bullet V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \bullet 0,1 \bullet 1,7 \times 10^{- 3} = 8,5 \times 10^{- 5}\lbrack mol\rbrack$$
$$C_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = \frac{n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}}{V_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}} = \frac{8,5 \bullet 10^{- 5}}{10 \bullet 10^{- 3}} = 8,5 \times 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$
Obliczanie początkowej zawartości CO2 w surowcu:
Obliczanie początkowej ilości Ba(OH)2
nBa(OH)20 = CBa(OH)2 × VBa(OH)2 = 8, 5 × 10−3 × 20 × 10−3 = 1, 7 × 10−4[mol]
Obliczanie nadmiaru Ba(OH)2
$$n_{\text{Ba}{(\text{OH})}_{2}}^{n} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \times V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \times 0,1 \times 2,1 \times 10^{- 3} = 1,05 \bullet 10^{- 4}\lbrack mol\rbrack$$
Obliczanie początkowej ilości CO2 w surowcu
nCO2p = nBa(OH)20 − nBa(OH)2n = 1, 7 × 10−4 − 1, 05 × 10−4 = 6, 5 × 10−5[mol]
Obliczanie początkowego stężenia CO2 w surowcu
$${C_{\text{CO}_{2}}^{p}}_{} = \frac{n_{\text{CO}_{2}}}{V_{probki}} = \frac{6,5 \times 10^{- 5}}{10 \times 10^{- 3}} = 6,5 \times 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{dm^{3}} \right\rbrack = 6,5 \times 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{m^{3}} \right\rbrack$$
Obliczanie początkowego ułamka molowego CO2 w surowcu
$$x_{p} = \frac{C_{\text{CO}_{2}}^{p} \bullet M_{H2O}}{\rho_{H2O}} = \frac{6,5 \times 10^{- 3} \times 18}{1000} = 1,17 \times 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}\text{CO}_{2}}{\text{kmol}\ \text{roztworu}} \right\rbrack$$
Obliczanie zawartości CO2 w poszczególnych produktach przy zmiennym natężeniu przepływu powietrza:
Obliczenia dla przepływu powietrza: ${\dot{V}}_{o}$ =1,44*10-4 kmol/m3
Obliczanie początkowej ilości Ba(OH)2
nBa(OH)20 = CBa(OH)2 × VBa(OH)2 = 8, 5 × 10−3 × 20 × 10−3 = 1, 7 × 10−4[mol]
Obliczanie nadmiaru Ba(OH)2
$$n_{\text{Ba}{(\text{OH})}_{2}}^{n} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \times V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \times 0,1 \times 2,6 \bullet 10^{- 3} = 1,3 \bullet 10^{- 4}\lbrack mol\rbrack$$
Obliczanie końcowej ilości CO2 w surowcu
nCO2k = nBa(OH)20 − nBa(OH)2n = 1, 7 × 10−4 − 1, 3 × 10−4 = 4 × 10−5[mol]
Obliczanie końcowego stężenia CO2 w surowcu
$${C_{\text{CO}_{2}}^{k}}_{} = \frac{n_{\text{CO}_{2}}}{V_{probki}} = \frac{4 \times 10^{- 5}}{20 \times 10^{- 3}} = 2 \times 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{dm^{3}} \right\rbrack = 2 \times 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{m^{3}} \right\rbrack$$
Obliczanie końcowego ułamka molowego CO2 w surowcu
$$x_{k} = \frac{C_{\text{CO}_{2}}^{k} \bullet M_{H2O}}{\rho_{H2O}} = \frac{2 \times 10^{- 3} \times 18}{1000} = 3,6 \times 10^{- 5}\left\lbrack \frac{\text{kmol}\text{CO}_{2}}{\text{kmol}\ \text{roztworu}} \right\rbrack$$
Obliczanie końcowego ułamka molowego składnika w gazie z równania bilansu molowego:
$$\dot{L}\left( x_{p} - x_{k} \right) = \dot{V}(y_{k} - y_{p})$$
$$y_{k} = \frac{\dot{L}\left( x_{p} - x_{k} \right)}{\dot{V}} = \frac{4,61 \times 10^{- 3} \times (1,17 \times 10^{- 4} - 3,6 \times 10^{- 5})}{1,44 \times 10^{- 4}} = 2,67 \times 10^{- 3}$$
Obliczanie równowagowego ułamka molowego składnika w gazie:
$$\overset{\overline{}}{y_{k}} = 1421 \bullet x_{p} = 1421 \times 1,17 \times 10^{- 4} = 0,1663$$
Obliczanie sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej:
$$E_{g} = \frac{y_{k} - y_{p}}{\overset{\overline{}}{y_{k}} - y_{p}} = \frac{2,67 \times 10^{- 3}}{0,166} = 0,0156$$
Obliczanie sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy ciekłej:
$E_{c} = \frac{x_{p} - x_{k}}{x_{p} - \overset{\overline{}}{x_{k}}} = \frac{1,17 \times 10^{- 4} - 3,6 \times 10^{- 5}}{1,17 \times 10^{- 4}} = 0,692$3
Tabele z przeliczonymi wynikami dla wszystkich pomiarów:
${\dot{\mathbf{L}}}_{\mathbf{0}}$ [kmol/m3] | --- | --- | 4,61*10-3 | 4,61*10-3 | 4,61*10-3 | 4,61*10-3 |
---|---|---|---|---|---|---|
${\dot{\mathbf{V}}}_{\mathbf{o}}$ [kmol/m3] | --- | --- | 1,44*10-4 | 1,73*10-3 | 2,01*10-3 | 2,59*10-3 |
Próbka | Miano | Surowiec | Produkt 1 | Produkt 2 | Produkt 3 | Produkt 4 |
Vpróbki [cm3] | --- | 10 | 20 | 20 | 20 | 20 |
VBa(OH)2 [cm3] | 10 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
VHCl [cm3] | 1,7 | 2,1 | 2,6 | 2,7 | 2,8 | 3,0 |
CHCl [mol/dm3] | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
CBa(OH)2 [mol/dm3] | 8,5*10-3 | 8,5*10-3 | 8,5*10-3 | 8,5*10-3 | 8,5*10-3 | 8,5*10-3 |
CpCO2 [kmol/m3] | --- | 6,5*10-3 | --- | --- | --- | --- |
Xp [kmolCO2/kmolroztworu] | --- | 1,17*10-4 | --- | --- | --- | --- |
CkCO2 [kmol/m3] | --- | --- | 2*10-3 | 1,75*10-3 | 1,5*10-3 | 1*10-3 |
xk [kmolCO2/kmolroztworu] | --- | --- | 3,6*10-5 | 3,15*10-5 | 2,7*10-5 | 1,8*10-5 |
yk | --- | --- | 2,6*10-3 | 2,28*10-3 | 2,06*10-3 | 1,76*10-3 |
$$\overset{\overline{}}{\mathbf{y}_{\mathbf{k}}}$$ |
--- | 0,1663 | --- | --- | --- | --- |
Eg | --- | --- | 0,0156 | 0,0137 | 0,0124 | 0,0106 |
Ec | --- | --- | 0,6923 | 0,7308 | 0,7692 | 0,8462 |
Wykresy:
Wykres zależności sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej od molowego natężenia przepływu gazu, przy stałym natężeniu przepływu wody:
Wykres zależności sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy ciekłej od molowego natężenia przepływu gazu, przy stałym natężeniu przepływu wody:
Wnioski:
Analizując powyższe wykresy widzimy, że sprawność desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej maleje, a dla fazy ciekłej rośnie wraz ze wzrostem natężenia przepływu gazu.
Widzimy także, że sprawność desorpcji dla fazy gazowej osiąga znacznie niższe wartości niż dla fazy ciekłej.