INŻYNIERIA CHEMICZNA

LABORATORIUM

Sprawność półki sitowej w procesie desorpcji gazu

1. Cel ćwiczenia

Wyznaczenie sprawności desorpcji na półce sitowej z przelewem w procesie desorpcji dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie za pomocą strumienia powietrza.

1. Aparatura

1. Kolumna desorpcyjna. 2. Zbiornik z cieczą i dwutlenkiem węgla. 3. Pompa 4. Rotametr 5. Króciec spustowy 6. Dmuchawa 7. Zawór regulacyjny 8. Rotametr

1. Przebieg doświadczenia

W zbiorniku wysycamy wodę dwutlenkiem węgla. Po około 10 min włączamy instalację. Zaczynamy od włączenia dmuchawy i ustawienia strumienia objętości powietrza za pomocą rotametru, dalej włączamy pompę cieczy i ustawiamy strumień objętości cieczy również za pomocą rotametru. Po ustaleniu się warunków procesu czyli po około 5min pobieramy próbkę cieczy surowca ze zbiornika 1. oraz próbkę produktu cieczy ze króćca spustowego. Zawartość dwutlenku węgla w wodzie oznaczamy metodą strąceniową: odmierzoną objętość próbki zadaje się z odmierzoną z nadmiarem objętością mianowanego r-ru wodorotlenku baru. Nadmiar wodorotlenku baru odmiareczkowuje się mianowanym r-rem kwasu solnego.

4. Wykonanie doświadczenia

Tab. 1. Wyniki pomiarów zanotowane podczas przeprowadzonego badania.

V	Próbka	V HCl	V HCl	C HCl	V Ba(OH)2	C Ba(OH)2	V próbki
[m^3/h]		[cm^3]	[cm^3]	[mol/dm^3]	[cm^3]	[mol/dm^3]	[cm^3]
12,5	Surowiec I	1,3	1,35	0,1	20	0,078	25
		1,4
	Produkt I	11,9	12,0		10
		12,1
17,5	Surowiec II	3,0	3,05		20
		3,1
	Produkt II	13,5	13,75		10
		14,0
22,5	Surowiec III	2,7	2,8		20
		2,9
	Produkt III	15,1	15,05		10
		15,0

• Obliczanie miana Ba(OH)₂

Do zobojętnienia 10 cm³ Ba(OH)₂ zużyto 15,6cm³ 0,10 M HCl.

Miano Ba(OH)₂ obliczono z zależności:

Ba(OH)₂ + CO₃²⁻ → BaCO₃ + 2OH⁻ + nadmiar Ba(OH)₂

Ba(OH)₂ + 2HCl → BaCl₂ + 2H₂O

$$\frac{n_{\text{HCl}}}{n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}} = 2$$

V_HCl śr = (15,7+15,5)/2=15,6cm³

$$n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \bullet V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \bullet 0,10\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack \bullet 15,6 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \text{dm}^{3} \right\rbrack = 7,8 \bullet 10^{- 4}\text{mol}$$

$$C_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = \frac{n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}}{V_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}} = \frac{7,8 \bullet 10^{- 4}\text{mol}}{10 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3}} = 0,078\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

• Obliczanie początkowej zawartości CO₂ w surowcu

Zawartość początkową CO₂ w surowcu oznaczono dodając do 25 cm³ surowca 20 cm³ roztworu Ba(OH)₂ i odmiareczkowując nadmiar Ba(OH)₂ 0,10 M HCl wobec fenoloftaleiny.

• Obliczanie początkowej liczby moli wodorotlenku baru Ba(OH)₂

$${n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}^{0}}_{} = C_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} \bullet V_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = 0,078\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack \bullet 20 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack dm^{3} \right\rbrack = 1,56 \bullet 10^{- 3}\lbrack mol\rbrack$$

• Obliczanie nadmiaru wodorotlenku baru

$$n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}^{n} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \bullet V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \bullet 0,10\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack \bullet 1,35 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \text{dm}^{3} \right\rbrack = 6,75 \bullet 10^{- 5}\text{mol}$$

• Obliczanie początkowej liczby moli CO₂ w próbce wody

n_CO2^p = n_Ba(OH)2⁰ − n_Ba(OH)2ⁿ = 1, 56 • 10⁻³[mol] − 6, 75 • 10⁻⁵[mol] = 1, 49 • 10⁻³[mol]

• Obliczanie początkowego stężenia dwutlenku węgla CO₂ w próbce wody

$${C_{\text{CO}_{2}}^{p}}_{} = \frac{n_{\text{CO}_{2}}}{V_{\text{pr}}} = \frac{1,49 \bullet 10^{- 3}\lbrack mol\rbrack}{25 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack dm^{3} \right\rbrack} = 0,0597\left\lbrack \frac{\text{mol}}{dm^{3}} \right\rbrack = 0,0597\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{m^{3}} \right\rbrack$$

• Obliczanie początkowego ułamka molowego CO₂ w próbce

$$x_{p} = \frac{C_{\text{CO}_{2}}^{p} \bullet M_{w}}{\rho_{w}} = \frac{0,0597\left\lbrack \frac{\text{kmol\ }\text{CO}_{2}}{m^{3}} \right\rbrack \bullet 18\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{kmol\ r} - \text{ru}} \right\rbrack}{1000\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack} = 1,08 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kmol}\text{CO}_{2}}{\text{kmol\ r} - \text{ru}} \right\rbrack$$

• Obliczanie końcowej zawartości CO₂ w produkcie.

  • Dla natężenia przepływu powietrza $V_{1} = 12,5\left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack$

• Obliczanie początkowej liczby moli wodorotlenku baru Ba(OH)₂

$${n_{\text{Ba}{(OH)}_{2}}^{0}}_{} = C_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} \bullet V_{\text{Ba}{(OH)}_{2}} = 0,078\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack \bullet 10 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack dm^{3} \right\rbrack = 7,8 \bullet 10^{- 4}\lbrack mol\rbrack$$

• Obliczanie nadmiaru wodorotlenku baru

$$n_{\text{Ba}\left( \text{OH} \right)_{2}}^{n} = \frac{1}{2}n_{\text{HCl}} = \frac{1}{2}C_{\text{HCl}} \bullet V_{\text{HCl}} = \frac{1}{2} \bullet 0,10\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack \bullet 12 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \text{dm}^{3} \right\rbrack = 6,0 \bullet 10^{- 4}\text{mol}$$

• Obliczanie początkowej liczby moli CO₂ w próbce wody

n_CO2^p = n_Ba(OH)2⁰ − n_Ba(OH)2ⁿ = 7, 8 • 10⁻⁴[mol] − 6, 0 • 10⁻⁴[mol] = 1, 8 • 10⁻⁴[mol]

• Obliczanie końcowego stężenia dwutlenku węgla CO₂ w próbce wody po desorpcji

$${C_{\text{CO}_{2}}^{k}}_{} = \frac{n_{\text{CO}_{2}}}{V_{\text{pr}}} = \frac{1,8 \bullet 10^{- 4}\lbrack mol\rbrack}{25 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack dm^{3} \right\rbrack} = 7,2 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{dm^{3}} \right\rbrack = 7,2 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{m^{3}} \right\rbrack$$

• Obliczanie końcowego ułamka molowego CO₂ w próbce

$$x_{k} = \frac{C_{\text{CO}_{2}}^{k} \bullet M_{w}}{\rho_{w}} = \frac{7,2 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kmol\ }\text{CO}_{2}}{m^{3}} \right\rbrack \bullet 18\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{kmol\ r} - \text{ru}} \right\rbrack}{1000\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack} = 1,30 \bullet 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}\text{CO}_{2}}{\text{kmol\ r} - \text{ru}} \right\rbrack$$

• Przeliczanie objętościowego natężenia przepływu wody na molowe natężenia

$${\dot{L}}_{o} = \frac{V_{w}}{t} = \frac{292\lbrack cm^{3}\rbrack}{23\lbrack s\rbrack} = 12,70\left\lbrack \frac{cm^{3}}{s} \right\rbrack$$

$${\dot{L}}_{m} = {\dot{L}}_{o} \bullet \rho_{w} = 12,70\left\lbrack \frac{cm^{3}}{s} \right\rbrack \bullet 1000 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 12,70\left\lbrack \frac{g}{s} \right\rbrack$$

$$\dot{L} = \frac{{\dot{L}}_{m}}{M_{w}} = \frac{12,70\left\lbrack \frac{g}{s} \right\rbrack}{18\left\lbrack \frac{g}{\text{mol}} \right\rbrack} = 0,705\left\lbrack \frac{\text{mol}}{s} \right\rbrack = 7,05 \bullet 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{s} \right\rbrack$$

• Przeliczanie objętościowego natężenia przepływu gazu(powietrza) na molowe natężenia

$${\dot{V}}_{o} = 12,5\left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack = \frac{12,5}{3600} = 3,47 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack$$

$${\dot{V}}_{m} = {\dot{V}}_{o} \bullet \rho_{p} = 3,47 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{m^{3}}{s} \right\rbrack \bullet 1,168\left\lbrack \frac{\text{kg}}{m^{3}} \right\rbrack = 4,053 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kg}}{s} \right\rbrack$$

$$\dot{V} = \frac{{\dot{V}}_{m}}{M_{p}} = \frac{4,053 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{kg}}{s} \right\rbrack}{29\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{kmol}} \right\rbrack} = 1,40 \bullet 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{s} \right\rbrack$$

• Obliczanie końcowego ułamka molowego składnika w gazie z równania bilansu molowego:

$$\dot{L}\left( x_{p} - x_{k} \right) = \dot{V}(y_{k} - y_{p})$$

$$y_{k} = \frac{\dot{L}\left( x_{p} - x_{k} \right)}{\dot{V}} = \frac{7,05 \bullet 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{s} \right\rbrack \bullet (1,08 \bullet 10^{- 3} - 1,30 \bullet 10^{- 4})}{1,4 \bullet 10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kmol}}{s} \right\rbrack} = 0,00478$$

• Obliczanie równowagowego ułamka molowego składnia w gazie

$$\overset{\overline{}}{y_{k}} = 1421 \bullet x_{p} = 1421 \bullet 1,08 \bullet 10^{- 3} = 1,53$$

• Obliczanie sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej

$$E_{g} = \frac{y_{k} - y_{p}}{\overset{\overline{}}{y_{k}} - y_{p}} = \frac{0,00478}{1,53} = 3,12 \bullet 10^{- 3}$$

• Obliczanie sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy ciekłej

$$E_{c} = \frac{x_{p} - x_{k}}{x_{p} - \overset{\overline{}}{x_{k}}} = \frac{1,08 \bullet 10^{- 3} - 1,30 \bullet 10^{- 4}}{1,08 \bullet 10^{- 3}} = 0,879$$

Tab. 2. Wyniki obliczeń dla trzech różnych natężeń przepływu gazu (policzone w taki sam sposób)

Próbka	$${\dot{\mathbf{L}}}_{\mathbf{o}}$$ $$\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}}{\mathbf{s}} \right\rbrack$$	$${\dot{\mathbf{V}}}_{\mathbf{o}}$$ $$\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}}{\mathbf{s}} \right\rbrack$$	xP $$\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{\text{kmol\ r}}\mathbf{-}\mathbf{\text{ru}}} \right\rbrack$$	xK $$\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{kmol}}\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{\text{kmol\ r}}\mathbf{-}\mathbf{\text{ru}}} \right\rbrack$$	Eg	Ec
I	7,05·10^-4	1,40·10^-4	1,08·10^-3	1,30·10^-4	3,12·10^-3	0,879
II		1,96·10^-4	1,02·10^-3	6,62·10^-5	2,37·10^-4	0,935
III		2,50·10^-3	1,02·10^-3	1,94·10^-5	1,94·10^-4	0,981

4. Wykresy

1. Wykres zależności sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej od molowego natężenia przepływu gazu, przy stałym natężeniu przepływu wody

2. Wykres zależności sprawności desorpcji na półce sitowej dla fazy ciekłej od molowego natężenia przepływu gazu, przy stałym natężeniu przepływu wody

4. Wnioski

Na podstawie wykresów możemy wnioskować, iż sprawność desorpcji na półce sitowej dla fazy gazowej maleje wraz ze wzrostem natężenia przepływu gazu. Natomiast desorpcji na półce sitowej dla fazy ciekłej maleje wraz ze spadkiem natężenia przepływu gazu.

Sprawność desorpcji fazy gazowej jest znacznie mniejsza niż sprawność desorpcji fazy ciekłej.