Inżynieria reaktorów chemicznych 2 – laboratorium, Grupa 4

Wyznaczanie stężenia nasycenia substancji reaktywnych

1. Cel ćwiczenia:

Określenie stężenia nasycenia bezwodnika kwasu ftalowego w wodzie. Bezwodnik ten ulega pseudopierwszorzędowej reakcji hydrolizy, w której wyniku powstaje kwas ftalowy.

1. Aparatura:

Proces rozpuszczania przeprowadza się w komórce dyfuzyjnej w warunkach izotermicznych i okresowo. Szczegóły konstrukcyjne komórki pokazano na rys. 1. Komórkę stanowi szklany cylinder o średnicy wewnętrznej 0.158 m i wysokości 0.111 m ograniczony dwoma płytami: tj. górną 2 i dolną 3. Górna płyta ma otwór o średnicy 0.1 m przykryty pokrywą 4. W pokrywie tej znajdują się otwory na termometr 5 oraz elektrodę pomiarową 6. Górna płyta jest jednocześnie pokrywą łaźni wodnej 7, której

Górna powierzchnia dysku, którego wymiary pokazano na rys. 1 znajduje się w odległości 0.03 m od dna komórki.

1. Metodyka pomiarów:

Do komórki dyfuzyjnej wlewa się 2 litry wody destylowanej. Włącza się termostat. Po uzyskaniu temperatury 400C sprawdza się czystość wody, a następnie wkłada dysk z wtopionym bezwodnikiem ftalowym. Następnie w odstępach czasu mierzy się oporność roztworu przez godzinę. Z podane charakterystyki oblicza się stężenie kwasu ftalowego.

1. Wyniki pomiarów:

Lp.	czas [s]	λ [μS]	CB^1/2	CB [mol/dm^3]
1	306	35	0,0090	8,10E-05
2	352	40	0,0095	9,03E-05
3	402	45	0,0100	1,00E-04
4	441	50	0,0105	1,10E-04
5	532	60	0,0117	1,37E-04
6	638	70	0,0125	1,56E-04
7	738	80	0,0135	1,82E-04
8	861	90	0,0143	2,04E-04
9	974	100	0,0150	2,25E-04
10	1082	110	0,0160	2,56E-04
11	1221	120	0,0168	2,82E-04
12	1345	130	0,0175	3,06E-04
13	1488	140	0,0182	3,31E-04
14	1635	150	0,0190	3,61E-04
15	1774	160	0,0198	3,92E-04

Wartości Cb odczytano z wartości wskazań wcześniej wycechowanej elektrody.

Objętość reaktora	V	2	dm^3
Współczynnik dyfuzji	Da	9,17E-10	m/s
Przewodnictwo czystej wody	λwoda	3,80E-06	μS
Temperatura	T	313	K
Obroty	ω	10,5	rad/s
Współczynnik kinetyczny lepkośći	υ	6,55E-07	m^2/s

1. Obliczenia

$$k = 10^{7,373 - \frac{2789}{T}} = 10^{7,373 - \frac{2789}{313}} = 0,0290\left\lbrack \frac{1}{s} \right\rbrack$$

$$M = 1,567\left( \frac{\nu}{D_{A}} \right)^{\frac{1}{3}}\frac{k}{\omega} = 1,567\left( \frac{6,55E - 7}{9,17E - 10} \right)^{\frac{1}{3}}\frac{0,0290}{10,5} = 0,0388$$

Ai(M) = 0, 3552 − 0, 2648M + 0, 03515M² = 0, 3552 − 0, 2648 • 0, 0388 + 0, 03515•(0,0388)² = 0, 345

Ai^′(M)= − 0, 2648 + 2 • 0, 03515M = −0, 2648 + 2 • 0, 03515 • 0, 0388 = −0, 2621

$$\varphi = 0,729\frac{\text{Ai}\left( M \right)}{Ai^{'}\left( M \right)} = 0,729\frac{0,345}{- 0,2621} = 0,9596$$

$$Ld = 1,717\left( \frac{D_{A}}{\nu} \right)^{\frac{1}{3}}\left( \frac{\nu}{\omega} \right)^{\frac{1}{2}} = 1,717\left( \frac{9,17E - 10}{6,55E - 7} \right)^{\frac{1}{3}}\left( \frac{6,55E - 7}{10,5} \right)^{\frac{1}{2}} = 4,804E - 5$$

$$Ldk = \frac{\varphi}{\text{Ld}} = \frac{0,9596}{4,804E - 5} = 4,610E - 5$$

$$a = \frac{0,00785}{V \bullet 10^{- 3}} = \frac{0,00785}{2E - 3} = 3,925\left\lbrack m \right\rbrack$$

A = 2, 582φ³ = 2, 582 • 0, 9596³ = 2, 282

Całka potrzebna do kolejnych obliczeń:

$$\int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + A^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - \frac{AZ^{3}}{6} \right)dZ =}\int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + \left( 2,282 \right)^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - 2,282 \bullet \frac{Z^{3}}{6} \right)\text{dZ}} = 1,06$$

$$Q = \frac{a{\bullet D}_{A}}{\text{Ldk}} - \frac{a \bullet Ldk \bullet k}{\text{Ai}\left( M \right)}\int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + A^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - \frac{AZ^{3}}{6} \right)dZ =}6,19E - 5$$

$$P = k + a \bullet Ldk \bullet k + \frac{a{\bullet D}_{A}}{\text{Ldk}}\left\lbrack 1 - \int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + A^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - \frac{AZ^{3}}{6} \right)\text{dZ}} \right\rbrack = 2,91E - 2$$

$$R = \frac{a \bullet Ldk \bullet k}{\text{Ai}\left( M \right)}\int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + A^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - \frac{AZ^{3}}{6} \right)dZ =}1,62E - 5$$

$$S = k + a \bullet Ldk \bullet k\left\lbrack 1 - \int_{0}^{1}{\text{Ai}\left( M + A^{\frac{1}{3}}Z \right)\exp\left( - \frac{AZ^{3}}{6} \right)\text{dZ}} \right\rbrack = 2,90E - 2$$

tgα = 2, 12E − 7

$$C_{\text{AN}} = \frac{\text{tgα}}{R + \frac{Q \bullet S}{P}} = 2,72E - 3\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

Dane zebrane w tabeli:

Wielkość	Wartość	Jednostka
T	313	K
ω	10,5	rad/s
Da	9,17E-10	m/s
ν	6,55E-07	m^2/s
k	0,0290	1/s
φ	0,9596
Ldk	4,610E-05
M	0,0388
całka	1,0617472
Q	6,19E-05
P	2,91E-02
R	1,62E-05
S	2,90E-02
tgα	2,12E-07
CAN	2,72E-03	kmol/m^3

1. Wnioski

W wyniku obliczeń stwierdzono, że stężenie nasycenia bezwodnika kwasu ftalowego w wodzie wynosi 2,72∙10^-3kmol/dm³.