Magdalena Ciekańska

Technologia Chemiczna

IBIR

Sem VIII

PODSTAWY SONOCHEMII I TECHNIK MIKROFALOWYCH

LABORATORIUM

Ćwiczenie 1

Dozymetria kalorymetryczna w reaktorze sonochemicznym

Data wykonania ćwiczenia: 09.03.2010

Data oddania sprawozdania: 16.03.2010

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia było wyznaczenie mocy ultradźwięków w reaktorze sono chemicznym i porównanie uzyskanej wartości z mocą prądu zmiennego zużywanego przez przetwornik generujący ultradźwięki oraz obliczenie sprawności reaktora - stosunek mocy emitowanych ultradźwięków do mocy zużytej energii elektrycznej.

WSTĘP TEORETYCZNY

Reakcje sonochemiczne są to procesy inicjowane działaniem ultradźwięków.

W opisie reakcji chemicznych istotnym parametrem je charakteryzującym jest wydajność procesu. W przypadku reakcji sonochemicznej wydajność zależy od:

• częstotliwości ultradźwięków

• mocy ultradźwięków

• rodzaju i składu ośrodka

• rodzaju i stężenia rozpuszczonych gazów

• temperatury

• ciśnienia.

Przy badaniu reakcji sonochemicznych, prowadzonych w reaktorach nowoczesnych, opierających się na działaniu przetwornika, istotną wielkością jest sprawność przetwornika. Wyraża ona stosunek mocy generowanych w reaktorze ultradźwięków do mocy dostarczanej - mocy elektrycznej.

Dobrym sposobem wyznaczania mocy ultradźwięków i sprawności przetwornika jest metoda kalorymetryczna. Praktycznie sprowadza się ona do:

• wyznaczenia pojemności cieplnej układu

• wyznaczenia przyrostu temperatury, który wynika z zastosowania ultradźwięków

• pomiaru mocy elektrycznej układu.

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Zapoznanie z budową i obsługą reaktora sonochemicznego i zasadami BHP dotyczącymi pracy z reaktorem.

2. Sprawdzenie i przygotowanie aparatury pomiarowej do wykonywania doświadczenia.

3. Napełnienie reaktora odmierzoną w cylindrze miarowym ilością czystej wody - 500 ml.

4. Zanurzenie w wodzie termometru, umieszczonego wcześniej w statywie.

5. Podłączenie układu pomiarowego, ustawienie częstotliwości na 355 kHz oraz mocy elektrycznej przetwornika na 100 W.

6. Uruchomienie stopera i jednoczesny pierwszy odczyt temperatury wody z dokładnością do 0,1^oC.

7. Dokonywanie odczytów temperatury co 30 s przez okres 4,5 minut.

8. Usunięcie termometru z reaktora i włączenie przetwornika w chwili odpowiadającej 5- ej minucie od momentu rozpoczęcia pomiarów.

9. Wyłączenie przetwornika po czasie sonikowania ( 10 minut od rozpoczęcia pomiarów) i ponowne umieszczenie termometru w układzie.

10. Dokonanie odczytu temperatury dla czasu odpowiadającego 10,5 min od rozpoczęcia.

11. Dokonywanie odczytów temperatury co 30 s do czasu 18 min od rozpoczęcia doświadczenia.

12. Rozmontowanie układu oraz zmiana wody w reaktorze na świeżą.

13. Powtórzenie procedur pomiarowych z punktów 6 - 12 dla zadanej mocy 100 W.

14. Wykonanie analogicznych pojedynczych pomiarów dla mocy 80W, 60W, 40 W

WYNIKI POMIARÓW

Moc 100 W

T [min]		T1 [^oC]	T2 [^oC]		T3 [^oC]
0,5	20,7		21,1	21,1
1	20,7		21,1	21,1
1,5	20,7		21,2	21,1
2	20,7		21,2	21,2
2,5	20,8		21,2	21,3
3	20,8		21,2	21,3
3,5	20,8		21,3	21,4
4	20,8		21,3	21,5
4,5	20,8		21,3	21,5
10,5	30,6		31,6	31,7
11	31,2		32	32,3
11,5	31,3		32,1	32,4
12	31,3		32,1	32,4
12,5	31,2		32,1	32,4
13	31,2		32	32,3
13,5	31,2		32	32,3
14	31,1		31,9	32,3
14,5	31,1		31,9	32,2
15	31		31,8	32,2
15,5	31		31,8	32,1
16	31		31,8	32,1
16,5	30,9		31,7	32,1
17	30,9		31,7	32
17,5	30,9		31,6	32
18	30,8		31,6	31,2

Moce 80 W, 60 W, 40 W

t [min]	T (80 W) [^oC]	T (60 W) [^oC]	T ( 40 W) [^oC]
0,5	21,4	21,2	21,3
1	21,4	21,4	21,5
1,5	21,4	21,4	21,5
2	21,6	21,5	21,5
2,5	21,6	21,5	21,6
3	21,7	21,5	21,6
3,5	21,8	21,6	21,6
4	21,8	21,6	21,6
4,5	21,8	21,7	21,6
10,5	30,3	28,4	26
11	30,8	28,8	26,6
11,5	30,9	28,9	26,7
12	30,9	28,9	26,7
12,5	30,9	28,9	26,7
13	30,9	28,9	26,8
13,5	30,8	28,9	26,8
14	30,7	28,8	26,7
14,5	30,7	28,8	26,7
15	30,7	28,7	26,7
15,5	30,7	28,7	26,6
16	30,6	28,7	26,6
16,5	30,6	28,7	26,6
17	30,6	28,6	26,5
17,5	30,5	28,6	26,5
18	30,5	28,6	26,5

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wykonanie wykresów zależności temperatury od czasu dla każdej z serii pomiarowych, dopasowanie prostych w obszarach prowadzenia odczytów oraz przedłużenie ich do obszaru czasu sonikowania -czas , w którym odczyty temperatury były przerwane.

2. Obliczenie różnicy temperatury pomiędzy wartościami temperatury wyliczonymi dla czasu 7,5 min, wyznaczonymi na podstawie równań prostych z odpowiednich wykresów ( zakłada się, że uzyskana wartość uwzględnia poprawkę na straty ciepła).

Moc elektryczna PP [W]	Temperatura górna Tg [^oC]	Temperatura dolna Td [^oC]	Różnica temperatur ΔT= Tg - Td [^oC]
100	31,9	20,9	10,7
		32,5	21,5	11,0
		32,7	21,9	10,9
80	31,2	22,2	9,0
60	29,2	22,0	7,2
40	27,1	21,8	5,2

3. Odszukanie w tablicach ciepła właściwego wody.

Ciepło właściwe wody:

4. Obliczenie pojemności cieplnej układu na podstawie ciepła właściwego wody i jej masy w reaktorze i przy założeniu, że pojemność cieplna układu jest równa pojemności cieplnej wody w reaktorze, a pojemności cieplne innych części układu są pomijalnie małe.

K - pojemność cieplna układu - molowa pojemność cieplna wody

Cp - ciepło właściwe wody

m - masa wody w reaktorze

m = 500g = 0,5 kg

5. Obliczenie mocy ultradźwięków i sprawności przetwornika dla każdej z serii doświadczalnych, na podstawie zapisanych poniżej zależności:

Moc ultradźwięków:

ΔT - różnica temperatur, wyliczonych dla czasu 7,5 min od rozpoczęcia doświadczenia - połowa

okresu sonikowania

K - pojemność cieplna układu - molowa pojemność cieplna wody

t - czas działania ultradźwięków, t = 5 min

Sprawność przetwornika:

Moc elektryczna PP [W]	Różnica temperatur ΔT [K]	Moc ultradźwięków PU [W]
100	10,7	74,54
		11,0	76,63
		10,9	75,94
80	9,0	62,70
60	7,2	50,16
40	5,2	36,23

Moc elektryczna PP [W]	Moc ultradźwięków PU [W]	Sprawność przetwornika Sp [%]
100	75,70	75,70
80	62,70	78,38
60	50,16	83,60
40	36,23	90,57

6. Obliczenie średniej mocy ultradźwięków i średniego odchylenia standardowego wyników dla pomiarów wykonanych przy mocy elektrycznej 100 W.

S (P_U) = 1,06 [W]

7. Wykonanie wykresu zależności mocy ultradźwięków od mocy elektrycznej.

8. Obliczenie średniej wartości sprawności przetwornika i jej odchylenia standardowego, na podstawie wszystkich pomiarów.

S (Sp) = 6,55 [%]

WNIOSKI

• Udało nam się zrealizować cel ćwiczenia, jakim było wyznaczenie mocy ultradźwięków w reaktorze sonochemicznym. Wartość ta wynosi średnio 75,70 W, a jej odchylenie standardowe 1,06 W, co jest wartością dość niską. Ogólnie analizując wyniki doświadczenia zauważyć można, że wartość mocy ultradźwięków jest proporcjonalna do mocy elektrycznej i wielkości przyrostu temperatury ΔT, wynikającego z zastosowania ultradźwięków oraz rośnie wraz z tymi wielkościami.

• Na podstawie analizy obliczeń mocy ultradźwięków dla pomiarów przeprowadzonych przy mocy elektrycznej 100 W dowieść można, iż moc ultradźwięków jest wielkością bardzo stabilną, odchylenie standardowe wyników jest niewielkie i wynosi 1,06 W.

• Wykonanie doświadczenia pozwoliło nam także wyznaczyć sprawność przetwornika. Wielkość ta wynosi średnio 82,06%. Analizując pomiary zauważyć możemy, że w przypadku mniejszych wartości mocy, sprawność zawsze była większa niż dla mocy większych.

• Moc ultradźwięków jest wielkością, którą można stosunkowo łatwo kontrolować, gdyż zależy ona od mocy elektrycznej jaką dostarcza się do układu, a tę można regulować.

• Moc ultradźwięków jest przy tym parametrem stabilizującym układ - wynika to także z jej zależności od mocy elektrycznej. Jednorazowe ustalenie mocy prądu, gwarantuję stałość mocy ultradźwięków w reaktorze sonochemicznym.

---