Izotermiczna adsorpcja okresowa w układzie ciało stałe - ciecz

Laboratorium inżynierii chemicznej

SPRAWOZDANIE

Grupa 4

TCC3055l

Czwartek 15.15-17.50

Opracowali: Ewelina Stawicka 152358 Joanna Czulak 151316 Marcin Kłak 160620

1. Wprowadzenie

Adsorpcja to zjawisko oraz proces zmiany stężenia (substancji w stanie ciekłym lub w roztworze) lub ciśnienia (w fazie gazowej) pojawiające się na granicy pomiędzy dwiema fazami - gazową i ciekłą, ciekłą i stałą oraz pomiędzy nie mieszającymi się cieczami. Najczęściej terminem adsorpcja określa się proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub też proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej.

Przykłady zastosowania adsorpcji:

• pochłanianie zapachów przez filtr węglowy w lodówce lub samochodzie,

• pochłanianie toksyn przez węgiel medyczny z przewodu pokarmowego pacjenta

• oczyszczanie gazów przemysłowych i ścieków

Typowe metody pomiaru adsorpcji opierają się o analizę bilansu masy (bilansu materiałowego) - obserwując zmianę stężenia lub ciśnienia adsorbatu w "fazie objętościowej" określamy jaka ilość adsorbatu przemieściła się do lub z adsorbentu.

Do opisu stanu równowagi adsorpcyjnej stosuje się najczęściej tzw. równania izoterm adsorpcji określające charakter zależności zaadsorbowanej ilości adsorbatu od jego ciśnienia lub stężenia przy zachowaniu stałości temperatury.

Proces adsorpcji zachodzi z pewną ograniczoną szybkością, zatem spadek stężenia tego składnika w roztworze zachodzi na pewnej wysokości złoża nazywanej frontem adsorpcji. Na powierzchni adsorbentu może być związana określona ilość cząsteczek, zatem w miarę wysycania kolejnych partii złoża, front adsorpcji przesuwa się wzdłuż wysokości warstwy zgodnie z kierunkiem przepływu mieszaniny, aż w końcu na wylocie z adsorbera w mieszaninie ciekłej pojawia się składnik adsorbowany.

Oznaczenia

				pole powierzchni		m^2
				aktywność złoża adsorbenta		kg/m^3
				aktywność równowagowa		kg/kg złoża
				aktywność równowagowa		kg/m^3
				stężenie składnika w cieczy wylotowej	kg/m^3
				stężenie równowagowe do aktywności	kg/m^3
				początkowe stężenie p-ksylenu w próbce		kg/m^3
				średnica wewnętrzna kolumny		m
				wysokość warstwy złoża adsorbenta		m
				wysokość frontu adsorpcji		m
				wysokość złoża adsorbenta		m
				współczynnik przenikania masy		1/s
				współczynnik załamania światła substancji w temperaturze pokojowej		-
				czas przepływu określonej ilości cieczy		s
				objętość		ml
				objętościowe natężenie przepływu		m^3/s
				Prędkość cieczy odniesiona do całego pola przekroju poprzecznego warstwy złoża adsorbenta
symbole greckie
				współczynnik symetrii		-
				gęstość wypełnienia kolumny		kg/m^3
				czas		s
indeksy dolne
	0,05			odnosi się do 5% wartości wielkości
	0,95			odnosi się do 95% wartości wielkości
	a			odnosi się do całkowitego czasu adsorpcji
	d			dotyczy aktywności dynamicznej
	k			dotyczy kolumny
nadpisania
	.			strumień wielkości		1/s

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było wyznaczenie wartości współczynnika przenikania masy i aktywności dynamicznej warstwy złoża w kolumnie, w której zachodzi izotermiczna adsorpcja okresowa jednego ze składników mieszaniny ciekłej.

2. Aparatura

Szklaną kolumnę adsorpcyjną K, wypełnioną silikażelem, należy zamontować na stanowisku laboratoryjnym i podłączyć do pompy P. Złoże zalać składnikiem mieszaniny ciekłej, który nie jest adsorbowany na wypełnieniu. Następnie należy przygotować układ służący do pomiaru stężenia składnika adsorbowanego w mieszanie ciekłej to znaczy należy włączyć termostat, lampę sodową i refraktometr.

4. Metodyka badań

- Przecechowaną pompą dozującą, to znaczy przy określonym ustawieniu śruby mikrometrycznej zebrano do cylindra miarowego próbkę cieczy i zmierzono sekundomierzem czas tego pomiaru.

- Po ustaleniu się temperatury zmierzono współczynnik załamania światła
surowca przeznaczonego do adsorpcji.

- Pobrano próbkę n - heksanu i zmierzono jej współczynnik załamania światła.

- Uruchomiono pompę dozującą surowiec i co pewien czas pobierano próbki cieczy do analizy, czyli pomiaru współczynnika załamania światła.

- Doświadczenie zakończono, gdy wartość współczynnika załamania światła w kolejnych pomiarach przekroczy obliczoną wartość odpowiadającą stężeniu 0,95
.

5. Wyniki badań

t [s]
180	1,3881	0,0000	0,00000	0,000000	0,00000
360	1,3881	0,0000	0,00000	0,000000	0,00000
540	1,3881	0,0000	0,00000	0,000000	0,00000
720	1,3881	0,0000	0,00000	0,000000	0,00000
900	1,3882	0,6092	0,01210		0,85777
1080	1,3889	4,8736	0,09679	0,01167	6,86196
1260	1,3908	16,4884	0,32747	0,03736	21,9677
1440	1,3920	23,7588	0,47187	0,05209	30,6289
1620	1,3933	31,6784	0,62916	0,06708	39,4430
1800	1,3938	34,7244	0,68965	0,07257	42,6712
1980	1,3948	40,8164	0,81065	0,08315	48,8922
2160	1,3954	44,4716	0,88354	0,08924	52,4731
2340	1,3960	48,1268	0,95584	0,09515	55,9482
2520	1,3964	50,5636	1,0042	0,09899	58,2061
2700	1,3967	52,3912	1,0405	0,10183	59,8760
2880	1,3968	53,0004	1,0526	0,10277	60,4288
3060	1,3970	54,2188	1,0768	0,10462	61,5166

6. Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

6.1 Obliczanie prędkości liniowej cieczy w kolumnie

a) natężenie przepływu

b) prędkość liniową obliczamy z wykorzystaniem objętościowego natężenia przepływu dla pola przekroju kolumny A_k=0,002383 :

6.2 Obliczanie wartości stężenia C na podstawie zmierzonych wartości współczynnika załamania światła np. dla pomiaru po 15 min:

Dla pomiaru po 18 min:

Dla pomiaru po 21 min:

Dla pomiaru po 24 min:

Dla pomiaru po 27 min:

Dla pomiaru po 30 min:

Dla pomiaru po 33 min:

Dla pomiaru po 36 min:

Dla pomiaru po 39 min:

Dla pomiaru po 42 min:

Dla pomiaru po 45 min:

Dla pomiaru po 48 min:

Dla pomiaru po 51 min:

6.3 Wyznaczanie wykresu krzywej wyjściowej C/C₀ w funkcji czasu:

a) początkowe stężenie p-ksylenu w próbce obliczono ze wzoru :

x = 50,3504

stąd:

= 1,3964

]

b) obliczenie wartości ilorazu

Dla pomiaru po 15 min:

Dla pomiaru po 18 min:

Dla pomiaru po 21 min:

Dla pomiaru po 24 min:

Dla pomiaru po 27 min:

Dla pomiaru po 30 min:

Dla pomiaru po 33 min:

Dla pomiaru po 36 min:

Dla pomiaru po 39 min:

Dla pomiaru po 42 min:

Dla pomiaru po 45 min:

Dla pomiaru po 48 min:

Dla pomiaru po 51 min:

c) po wyznaczeniu stosunku
wyznaczam krzywą wyjściową i obliczam pola
i

Wykres krzywej wyjściowej

6.4 Obliczanie współczynnika symetrii w zakresie zmian czasu

6.5 Obliczanie wysokości frontu adsorpcji:

=0,394[m]

6.6 Wyznaczanie wykresu izotermy adsorpcji wraz z linią operacyjną o punktach skrajnych postaci (0,0) i (
):

a) aktywność równowagową dla stałych A=2,453
i B=5,002
obliczono z równania

Langmuire'a:

Dla pomiaru po 15 min:

Dla pomiaru po 18 min:

0,01167

Dla pomiaru po 21 min:

Dla pomiaru po 24 min:

Dla pomiaru po 27 min:

Dla pomiaru po 30 min:

Dla pomiaru po 33 min:

Dla pomiaru po 36 min:

Dla pomiaru po 39 min:

Dla pomiaru po 42 min:

Dla pomiaru po 45 min:

Dla pomiaru po 48 min:

Dla pomiaru po 51 min:

b) aktywność złoża obliczona ze wzoru:

Dla pomiaru po 15 min:

Dla pomiaru po 18 min:

Dla pomiaru po 21 min:

Dla pomiaru po 24 min:

Dla pomiaru po 27 min:

Dla pomiaru po 30 min:

Dla pomiaru po 33 min:

Dla pomiaru po 36 min:

Dla pomiaru po 39 min:

Dla pomiaru po 42 min:

Dla pomiaru po 45 min:

Dla pomiaru po 48 min:

Dla pomiaru po 51 min:

Wykres izotermy równowagowej a^*_(C) i linii operacyjnej a_(C)

6.7 Obliczanie współczynnika przenikania masy korzystając z równań izotermy równowagowej i linii operacyjnej:

1. graficzne rozwiązanie całki
   :

gdzie C^*_(a) obliczono korzystając z równań izotermy równowagowej i linii operacyjnej wg następującego schematu:

dla

b) współczynnik przenikania masy obliczono ze wzoru:

6.8 Obliczanie aktywności dynamicznej złoża:

a) graficzne rozwiązanie całki
:

Wykres zależności stężenia składnika na wylocie od czasu

e) aktywność dynamiczną złoża obliczono ze wzoru:

0,000	0,0000	1,7532	1,3241	-0,2230	4,4837
0,500	0,4988	1,7448	1,3209	0,1541	2,8913
1,000	0,9976	1,7364	1,3177	0,5322	2,1377
2,000	1,9952	1,7197	1,3114	1,2911	1,4106
3,000	2,9928	1,7029	1,3049	2,0537	1,0568
4,082	4,0718	1,6848	1,2980	2,8828	0,8341	<-- dla 0,05C0
5,000	4,9880	1,6694	1,2920	3,5903	0,7093
6,000	5,9856	1,6526	1,2855	4,3643	0,6114
7,000	6,9832	1,6359	1,2790	5,1423	0,5383
8,000	7,9808	1,6191	1,2724	5,9243	0,4818
10,000	9,9760	1,5856	1,2592	7,5005	0,4001
12,000	11,9712	1,5521	1,2458	9,0935	0,3441
14,000	13,9664	1,5185	1,2323	10,7037	0,3034
18,000	17,9568	1,4515	1,2048	13,9785	0,2487
22,000	21,9472	1,3845	1,1766	17,3298	0,2141
26,000	25,9376	1,3174	1,1478	20,7633	0,1910
30,000	29,9280	1,2504	1,1182	24,2852	0,1750
38,000	37,9088	1,1163	1,0566	31,6247	0,1569
46,000	45,8896	0,9822	0,9911	39,4199	0,1520
54,000	53,8704	0,8481	0,9209	47,7679	0,1605
58,000	57,8608	0,7811	0,8838	52,1900	0,1721
62,000	61,8512	0,7141	0,8450	56,8063	0,1925
66,000	65,8416	0,6470	0,8044	61,6449	0,2296
68,000	67,8368	0,6135	0,7833	64,1583	0,2603
70,000	69,8320	0,5800	0,7616	66,7413	0,3069
72,000	71,8272	0,5465	0,7392	69,4002	0,3846
73,000	72,8248	0,5297	0,7278	70,7602	0,4465
74,000	73,8224	0,5130	0,7162	72,1419	0,5382
75,000	74,8200	0,4962	0,7044	73,5463	0,6879
76,000	75,8176	0,4794	0,6924	74,9747	0,9753
77,000	76,8152	0,4627	0,6802	76,4283	1,7492
77,550	77,3639	0,4535	0,6734	77,2390	3,2154	<-- dla 0,95C0
77,650	77,4636	0,4518	0,6721	77,3873	3,8064
77,750	77,5634	0,4501	0,6709	77,5358	4,6694

7. Uwagi i wnioski

Zgodnie z konwencją realizacji sprawozdań w niniejszym punkcie sprawozdania zamieszczono uwagi odnośnie wykonywanych pomiarów. Należy podkreślić, że wszystkie istotne wyniki znajdują się w powyższych punktach raportu . Bezpośrednim wnioskiem z odbytych zajęć laboratoryjnych jest stwierdzenie wyznaczonej aktywności dynamicznej złoża, która jest mniejsza niż aktywność równowagowa odpowiadającą stężeniu substancji w surowcu C₀, zgodnie z zależnością:

a_d < a^*_(Co)

12

τ_(0,05)=800 s

τ_(0,95)=2270 s

A₁=661,7 m²

A₂=656,8m²

---