Politechnika Szczecińska

Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej

REAKTORY CHEMICZNE

PÓŁPRZEPŁYWOWY REAKTOR ABSORPCYJNY

WYKONANIE:

TOMASZ KLAMA

EMILIA KOSMALSKA

URSZULA KOZIEŁ

KATARZYNA KOC

PAULINA KLYM

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie stopnia absorpcji oraz szybkości procesu utleniania SO₂ w roztworze w zależności od temperatury, zawartości katalizatora w zawiesinie, stężenia katalizatora w roztworze przy różnych składach mieszaniny gazowej zasilającej reaktor półprzepływowy.

2. Opis ćwiczenia

W reaktorze półprzepływowym (półokresowym) reakcja biegnie w warunkach nieustalonych. Najczęściej stosowany wariant pracy reaktora zakłada, że jeden z substratów umieszcza się w całości w przestrzeni reakcyjnej, a drugi z nich doprowadza się ciągłym strumieniem Stężenie doprowadzanego substratu jest stałe, a stężenie w reaktorze i na wylocie (w przypadku reaktora absorpcyjnego) zmieniają się w czasie. Spowodowane jest to przebiegiem reakcji, zmianą objętości roztworu reakcyjnego i niekiedy odparowywaniem jednego ze składników roztworu.

Reaktor absorpcyjny jest szczególnym typem reaktora półprzepływowego. Zasadę funkcjonowania układu absorpcyjnego przedstawiono na poniższym rysunku.

W układzie tym stosuje się cyrkulację roztworu, ponieważ jednorazowe jego przejście przez absorber odbywa się w czasie zbyt krótkim dla uzyskania zadawalającej wydajności procesu. Krotność cyrkulacji zależy od szybkości procesu i wymiarów aparatury. Gaz przepływa w przeciwprądzie do cieczy, poprzez przegrodę perforowaną, powodująca dyspersje strumienia na drobne pęcherzyki.

Przedstawiony wyżej sposób prowadzenia procesu stosowany jest w instalacjach badawczych i na większą skalę - instalacjach doświadczalnych.

W praktyce przemysłowej stosowany jest również nieco inny wariant układu absorpcyjnego, w którym do reaktora doprowadza się stopniowo świeży roztwór absorpcyjny, a ze zbiornika odprowadza roztwór do dalszej przeróbki. Dodatkowy dopływ j odpływ roztworu zaznaczono na rysunku linią przerywaną

W niniejszym ćwiczeniu należy dokonać oceny przebiegu procesu, który prowadzony jest w reaktorze pół przepływowym, pracującym w układzie absorpcyjnym wg I wariantu. Podstawą tego procesu jest reakcja.

SO₂+1/2O₂ →H₂SO₄

której przebieg katalizują, jony metali zmienno wartościowych z bloku 3d. Katalizator może być wprowadzony do roztworu absorpcyjnego w formie soli odpowiednich metali (np. soli Fe) lub do zawiesiny w formie tlenków, np. FeO*TiO₂. Powyższa reakcja umożliwia oczyszczanie gazów odlotowych, odpadowy SO₂ przeprowadzany jest w użyteczny produkt - kwas siarkowy. Bardzo charakterystyczną jej cechą jest spadek szybkości postępujący ze wzrostem stężenia tworzącego się H₂SO₄.

W omawianym procesie przemiana chemiczna (utlenianie SO₂) jest jednym z etapów Najpierw musi nastąpić absorpcja gazowych reagentów (SO₂ i O₂), której towarzyszą procesy unikania masy i przenikaniu masy z fazy gazowej do ciekłej. W literaturze bilans masy i energii oraz równania projektowe reaktora półprzepływowego formułowane są głównie dla reakcji biegnących w układzie homogenicznym. Stąd też opisy formalne nie mogą być ekstrapolowane do warunków pracy reaktora absorpcyjnego, w którym przebiega skomplikowany omówiony wyżej proces.

Dla oceny przebiegu procesu zaproponowano następujący sposób postępowania. Przyjmując jako składnik kluczowy w układzie reakcyjnym dwutlenek siarki (A) i oznaczając ilości moli na wlocie jako n⁰_A = n⁰_SO2 a na wylocie n_A =nSO₂, z różnicy n⁰_A - n_A możemy obliczyć ilość moli przereagowanego SO₂.

Natomiast wyrażenie (1) .

pozwoli na określenie względnej ilości moli przereagowanego substratu w stosunku do ilości wlotowej. Wielkość α_A nazywa się stopniem przemiany. Gdy przedstawimy ją jako ułamek jedności zawiera się ona w przedziale O ≤ α_A ≤ l, a jeśli określamy ją procentowo to 0% ≤ α_A ≤ 100%.

Powyższy wzór jest wzorem definicyjnym, określającym sens fizyczny stopnia przemiany. W praktyce dogodniej jest stosować stężenia składnika kluczowego na wlocie i wylocie z reaktora. Gdy możemy przyjąć, że objętość fazy gazowej jest siała w czasie przebiegu procesu stopień przemiany możemy obliczyć po określeniu stężeń objętościowych (%) na wlocie i wylocie:

Komentarza wymaga fakt, że przedstawiona wcześniej reakcja przebiega ze zmianą objętości. Należy jednak zauważyć, że zawartości SO₂ w gazach odlotowych są na ogół rzędu ułamków procenta i przereagowanie tak niewielkich względnie ilości substancji wywołuje nieznaczną zmianę objętości fazy gazowej.

Z przedstawionych wcześniej właściwości reaktora półprzepływowego oraz zachodzącej w nim reakcji wynika, że stężenie wlotowe C⁰_A= const, a stężenie C_p produktu (kwasu siarkowego) rośnie. Wzrost stężenia H₂SO₄ powoduje obniżanie szybkości reakcji i stopniowe zwiększanie stężenia C_A na wylocie.

Chcąc oceniać przebieg procesu względem składnika kluczowego, którym jest SO₂ należy zauważyć, że wzór na α_A umożliwia obliczanie kolejnych, chwilowych wartości stopnia przemiany SO₂. Ponieważ stężenie wlotowe jest zmienne w czasie (τ) -C_A= f (τ), to również α_A= f₁ (τ).

Komplikacje te powodują, że konieczne jest wprowadzenie do obliczeń średniego stopnia przemiany (stopnia absorpcji), który można obliczyć ze wzoru (3 ):

gdzie
_A oznacza średnie stężenie wylotowe w czasie τ. Wielkość tę należy traktować jako średnią wartość funkcji C_A = f (τ) w przedziale 0 ÷ τ

Charakter funkcji C_A = f(τ) zmienia się w różnych przedziałach czasowych oraz w zależności od analizowanego parametru i poziomu jego wartości. Zależności tej nie możemy wyrazić za pomocą funkcji elementarnych, znamy jedynie zbiór jej wartości w izolowanych punktach. Jest to częsty przypadek w analizie matematycznej, który wymaga zastosowania całkowania przybliżonego np. metoda graficzna.

W każdej serii doświadczeń uzyskuje się pęk krzywych dla różnych wartości zmienianego parametru np. temperatury lub stężenia katalizatora w roztworze. Całkowanie graficzne wymaga planimetrowania odpowiednich pól pod wykresami funkcji. Stąd poszukiwane średnie stężenie wylotowe wyniesie:

Wprawdzie stężenie wlotowe jest stałe, lecz ze względu na możliwość wprowadzenia uproszczeń w dalszym postępowaniu możemy je przedstawić podobną zależnością:

Współczynnik k
jest współczynnikiem przeliczeniowym jednostek powierzchni na jednostki fizyczne w układzie stężenie-czas. Można łatwo zauważyć, że po podstawieniu (5) i (6) do zależności (3) upraszcza się czynnik
oraz k i uzyskujemy wzór obliczeniowy (7)

Planimetrowanie pól jest bardzo żmudne i opatrzone błędem. Można wprowadzić kolejne uproszczenie polegające na zastąpieniu pól ich masami.

gdzie k'
jest współczynnikiem umożliwiającym przejście z masy pól na pola powierzchni lub odwrotnie.

Uwzględniając zależności (8) otrzymamy kolejny wzór:

Umożliwia on obliczanie stopnia absorpcji SO₂ gdy wyznaczone zostaną masy pola ,,wlotowego" i „wylotowego", które zaznaczono na rysunku. Należy kategorycznie podkreślić, że wzory (7) i (9) nie mają sensu fizycznego i są wyłącznie wzorami obliczeniowymi, tożsamościowo równymi ze wzorami, w których występują jednostki stężenia.

Wartości stopnia absorpcji, wyznaczone dla różnych wartości analizowanego parametru, umożliwiają określenie odpowiadających im wartości szybkości procesu (r_A). Zależność na szybkość procesu można wyprowadzić na podstawie obliczeń bilansowych. Oznaczając przez V
objętościowe należenie oraz przeliczając
na ułamek objętościowy
można obliczyć objętość SO₂ doprowadzanego do reaktora

a mnożąc przez stopień absorpcji obliczyć objętość przereagowanego SO₂:

Po podzieleniu przez objętość molową SO₂ V_M = 21,86 [dm³/mol] uzyskamy ilość moli przereagowanego SO₂:

Z kolei po podzieleniu przez objętość roztworu reakcyjnego V_r = 0,1 [dm³] uzyskamy ostatecznie szybkość procesu odniesiona do jednostki czasu i jednostki objętości reaktora:

3. Wykonanie ćwiczenia

Po otrzymaniu zapisów z rejestratora, na których przedstawione są przebiegi C_A= f(τ) dla różnych wartości parametru, którego wpływ na przebieg procesu jest badany, należy jednorazowo wyznaczyć masę pola „wlotowego". Następnie kolejno dla poszczególnych krzywych wyznaczyć masy pól „wylotowych". Uzyskane dane użyć do obliczeń wartości stopnia absorpcji oraz szybkości procesu według przedstawionej powyżej metodyki.

4. Opracowanie wyników

Wyniki należy najpierw przedstawić w postaci stabelaryzowanej. Kolumny tabeli powinny zawierać takie pozycje jak kolejny numer doświadczenia, wartości badanego parametru, wartości stopnia absorpcji SO₂ oraz szybkości procesu. Uzyskane dane przedstawić w formie graficznej
lub r_A jako funkcja wartości parametru

Wyniki powinny być zinterpretowane odpowiednimi wnioskami, w których należy uwzględnić złożoność procesu, a zwłaszcza zmiany rozpuszczalności gazowych reagentów w roztworach elektrolitów przy różnych stężeniach i temperaturach..

---