ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ FYLLADIO_2015_re… · J.M. Smith «Μηχανική Χημικών ... Mc Graw - Hill, New York, 1970 3. Shah Y.T ... 3. O. Levespiel,

1

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ: ΑΝΑΛΥΣΗΣ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ & ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ

ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Εργαστήριο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών

Οδηγός Εργαστηριακών Ασκήσεων του μαθήματος

Μηχανική Χημικών Διεργασιών

Αθήνα, 2015

2

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ

ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΗ

ΣΥΝΤΑΞΗ ΤΩΝ ΕΚΘΕΣΕΩΝ ΓΙ’ΑΥΤΕΣ. ................................................................................................................. 3

Τίτλος Άσκησης: ΡΟΦΗΣΗ ΤΟΛΟΥΟΛΙΟΥ ΣΤΗΝ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ ΣΕ ΚΛΙΝΗ ΦΥΣΙΚΟΥ

ΚΛΙΝΟΠΤΙΛΟΛΙΘΟΥ ................................................................................................................................................. 6

Τίτλος Άσκησης: ΕΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΥΠΕΡΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

ΣΤΗΝ ΥΔΑΤΙΚΗ ΦΑΣΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ ........................................................... 8

Τίτλος Άσκησης : ΑΠΟΡΡOΦΗΣΗ ΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΥΓΡΟ, ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ

ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΓΓΕΝΟΥΣ ΡΥΘΜΟΥ ......................................................................................................................

Τίτλος άσκησης: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΧΡΟΝΩΝ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ ΣΕ ΣΤΗΛΗ ΜΕ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ .............. 11

Τίτλος Άσκησης : ΜΕΤΡΗΣΗ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΕΣ ΥΛΙΚΟ ..................................... 12

Τίτλος Άσκησης : ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΜΕ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ .......................... 14

Τίτλος Άσκησης: ΣΑΠΩΝΟΠΟΙΗΣΗ ΟΞΙΚΟΥ ΑΙΘΥΛΕΣΤΕΡΑ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΑΝΑΔΕΥΣΕΩΣ

ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ .................................................................................................................................................. 16

Τίτλος Άσκησης: ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΕ ΣΤΗΛΗ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ........................................ 18

Τίτλος Άσκησης : ΙΟΝΤΟΕΝΑΛΛΑΓΗ ΜΟΛΥΒΔΟΥ - ΝΑΤΡΙΟΥ ΣΕ ΧΗΛΙΚΗ ΡΗΤΙΝΗ .......................... 20

Τίτλος Άσκησης : ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΠΤΗΤΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ............................................................................................. 22

Τίτλος Άσκησης: ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΦΑΙΝΟΛΗΣ ΣΤΗΝ ΥΓΡΗ ΦΑΣΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ

ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ ......................................................................................................................................... 23

Τίτλος Άσκησης: ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΥΔΑΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕ ΡΟΦΗΣΗ

ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ .............................................................................................................. 25

Τίτλος Άσκησης : ΦΩΤΟΧΗΜΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΧΛΩΡΙΩΜΕΝΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ....................... 27

Τίτλος Άσκησης: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΕ ΕΡΜΟΖΥΓΟ……………………..…….....29 Τίτλος Άσκησης: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΣΕ ΧΗΜΙΚΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΔΕΥΣΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ (CSTR) ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΛΙΜΑΚΑΣ………………………………………….31 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι .......................................................................................................................................................... 35

3

ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΗ ΣΥΝΤΑΞΗ ΤΩΝ ΕΚΘΕΣΕΩΝ ΓΙ’ΑΥΤΕΣ.

ΕΚΤΕΛΕΣΗ

Κάθε Σπουδαστής θα καταγράφει σε κάθε πείραμα τις πρωτογενείς μετρήσει ς. Αυτές είναι το

σκαρίφημα της συσκευής και κάθε τυχόν παρατήρηση ποιοτική ή μέτρηση ποσοτική ή και

χειρισμοί πάνω στη συσκευή. Το πρωτότυπο των μετρήσεων θα παραδίδεται συνημμένο με την

έκθεση. Ο Σπουδαστής στο αρχείο του θα κρατά, αν θέλει, φωτοαντίγραφο της έκθεσης, η οποία

θα παραμένει στο Εργαστήριο Τ.Χ.Δ.

ΠΡΟΣΟΧΗ

Πρωτογενείς μετρήσεις είναι ό,τι αντιλαμβάνεται με τις αισθήσεις του ο καθένας για τον εαυτό

του ανεξάρτητα από τους συνεργάτες του, και ποτέ δεν μπορεί να είναι προϊόv νοητικής

διεργασίας (π.χ. υπολογισμοί, αριθμητικές πράξεις με το νου του κ.λ.π. ) και όλες οι πιθανές ή

και μετρήσιμες συνθήκες λειτουργίας (ώρα, πίεση, μετεωρολογικές παράμετροι κ.λ.π.).

Ταυτόχρονα με την καταγραφή των μετρήσεων ο πειραματιστής αντιπαραθέτει αυτές σε απλά

διαγράμματα. Αυτό βοηθά να γίνεται εύκολη οπτικά η πορεία του πειράματος και να

διορθώνονται τα λάθη εγκαίρως.

Ο κάθε πειραματιστής θα πρέπει να έρχεται στο Εργαστήριο στην ώρα του και να είναι επαρκώς

προετοιμασμένος με βάση τις οδηγίες και την απλή θεωρία που καλύπτει το πείραμα. Εάν θέλει

να συμμετέχει ενεργά στους χειρισμούς ο καθένας θα πρέπει να γνωρίζει ήδη τι είναι και πώς

λειτουργεί το εξάρτημα που θέλει να χειριστεί.

ΕΚΘΕΣH

Αυτή υποβάλλεται το αργότερο δύο βδομάδες μετά την εκτέλεση του πειράματος και

περιλαμβάνει τα εξής

4

1. Εξώφυλλο. Εχει τίτλο πειράματος, ονόματα σπουδαστών-συνεργατών στην ομάδα εργασίας,

ημερομηνία που έγινε το πείραμα και που υπεβλήθη η αναφορά.

2. Περίληψη. (Προηγείται της Εκθεσης αλλά συντάσσεται τελευταία απ’ όλα). Λίγα λόγια σε

μισή σελίδα το πολύ, γιά το τι μετρήθηκε (ποσοτική κάλυψη πλάτους παραμέτρων και

μεταβλητών ), γιά τα κύρια συμπεράσματα και προτάσεις για το μέλλον.

3. Σκοπός και απαραίτητα στοιχεία από τη θεωρία . Γίνεται αναφορά στη σκοπιμότητα της

πειραματικής διαδικασίας δηλαδή ποιος είναι ο σκοπός και πώς εξυπηρετείται από τις μετρήσεις,

στα μεγέθη που απαιτείται να μετρηθούν και τέλος στα στοιχεία από τη θεωρία που θα

χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων.

4. Πειραματικό μέρος. Περιέχει : Τη διάταξη της συσκευής σε διάγραμμα. Την πειραματική

διαδικασία κατά την εκτέλεση του πειράματος. Χρησιμοποιηθέντα υλικά και όργανα.

Παρουσιάζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί οποτεδήποτε άλλος πειραματιστής να

επαναλάβει τα πειράματα πανομοιότυπα.

5. Πειραματικές μετρήσεις. Οι πρωτογενείς μετρήσεις παρουσιάζονται σε Πίνακες και

αναφέρονται σαφώς οι τιμές των συνθηκών-παραμέτρων (Τ, Ρ, t, c, F κ.λ.π) με τις οποίες

ελήφθησαν οι μετρήσεις αυτές. Προσπαθούμε να καταγράψουμε ΟΛΕΣ τις μετρήσιμες

παραμέτρους πχ. θερμοκρασία περιβάλλοντος, βαρομετρική πίεση έστω και αν δεν φαίνεται

αμέσως γιατί θα είναι τούτες χρήσιμες.

6. Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων. Δίνεται διεξοδικά ένα ολόκληρο δείγμα σειράς

υπολογισμών. Οι υπόλοιποι υπολογισμοί δίνονται σε πίνακες. Δίνονται επίσης προσεγγιστικά

κατ’ εκτίμηση ( ή κατά μέτρηση όπου είναι δυνατό) τα πειραματικά σφάλματα, πιθανά ή

μέγιστα, όπως ταιριάζει κατά περίπτωση. Παρουσιάζονται σε διαγράμματα και οι πρωτογενείς

μετρήσεις και τα προϊόντα των υπολογισμών. Κάθε γραφική παράσταση να έχει αριθμό πχ. Σχ....,

υπότιτλο, μεταβλητές των συντεταγμένων και τα σύμβολά τους, την κλίμακα και τις

ΜΟΝΑΔΕΣ. Να αναφέρονται επίσης σε κάθε σχήμα ΟΛΕΣ οι παράμετροι.

5

7. Συμπεράσματα. Περιλαμβάνει συγκρίσεις και μόνο συγκρίσεις. Συζητούνται εδώ τα κύρια

αποτελέσματα σε γραφικές παραστάσεις (Σχήματα) σε σχέση με το θεωρητικό μέρος και άλλα

πειραματικά στοιχεία της σπουδαστικής ομάδας ή άλλων ερευνητών. Κάθε Σχήμα της Έκθεσης

πρέπει να είναι αυτονόητο χωρίς ανάγκη παραπομπής στο κείμενο.

Συμπέρασμα σημαίνει προϊόv συγκρίσεως και μόνο. Γίνονται λοιπόν οι δυνατές συγκρίσεις,

εσωτερικές για έλεγχο της αξιοπιστίας του πειράματος και εξωτερικές με τη θεωρία και με άλλες

απόψεις, αξιολογούνται με κριτήρια σαφώς αναφερόμενα και τότε μόνο βγαίνουν τα

συμπεράσματα από το πείραμα, διατυπώνονται αμφιβολίες κλπ.

8. Προτάσεις. Φυσική απόρροια των συμπερασμάτων είναι οι προτάσεις για βελτίωση ή την

περαιτέρω διερεύνηση του θέματος.

9. Ονοματολογία. Περιγράφει τα χρησιμοποιηθέντα σύμβολα με τις μονάδες τους.

10. Βιβλιογραφία. Δίνει μόνο τα στοιχεία της βιβλιογραφίας που χρησιμοποιήθηκε. Αυτά

περιλαμβάνουν

για βιβλία: συγγραφέα, όνομα βιβλίου, εκδότη, αριθμό-τόπο-χρόνο έκδοσης, σελίδα ή

σελίδες όπου παραπέμπει το κείμενο.

για περιοδικά: συγγραφέα, τίτλο εργασίας, όνομα περιοδικού, έτος, τόμο, σελίδες (από-

έως).

11. Συνημμένα. Το πρωτότυπο των πρωτογενών μετρήσεων.

6

Τίτλος Άσκησης: ΡΟΦΗΣΗ ΤΟΛΟΥΟΛΙΟΥ ΣΤΗΝ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ ΣΕ ΚΛΙΝΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΚΛΙΝΟΠΤΙΛΟΛΙΘΟΥ

Σκοπός του πειράματος

1. Μέτρηση του ρυθμού ρόφησης τολουολίου σε κλινοπτιλόλιθο υπό ορισμένες συνθήκες λειτουργίας.

2. Μέτρηση της φόρτισης κορεσμού του κλινοπτιλόλιθου.

Συσκευές και όργανα

Αυλός διαμέτρου 2 cm και ύψους …cm, από plexiglass / γυαλί εφοδιασμένος με ρύθμιση θερμοκρασίας

μέσω υδατόλουτρου, που περιέχει κλίνη ύψους ….. σωματιδίων κλινοπτιλόλιθου με διάμετρο …. mm.

Θερμοστατούμενη πλυντρίδα τολουολίου. Συμπιεστής αέρα / φιάλες αζώτου και οξυγόνου. Βαλβίδες

αυτόματες και μη. Μανόμετρο και θερμόμετρα Hg. Τριχοειδή για τη μέτρηση παροχών.

Φασματοφωτόμετρο ορατού-υπεριώδους.

Πειραματική διαδικασία

Τροφοδοτούμε τη διάταξη με μίγμα Ο2 - Ν2 – τολουολίου σε ορισμένη πίεση, θερμοκρασία, παροχή και

σύσταση. Η κλίνη στον αντιδραστήρα περιέχει …… g φυσικού κλινοπτιλόλιθου σε ακανόνιστα

σωματίδια. Οδηγούμε το αέριο ρεύμα εισόδου και εξόδου από την κλίνη σε φασματοφωτόμετρο ορατού-

υπεριώδους όπου και αναλύεται συνεχώς ως προς το περιεχόμενο τολουόλιο. Μετά την έξοδο από την

κλίνη το ρεύμα οδηγείται στην ατμόσφαιρα.

Επεξεργασία αποτελεσμάτων

1. Υπολογίζεται η συνολική ογκομετρική παροχή και ο μέσος χρόνος παραμονής.

2. Υπολογίζεται η μαζική παροχή τολουολίου.

3. Υπολογίζεται η μοριακή αναλογία Ο2 - Ν2 / τολουολίου. Ταιριάζει με την αναλογία που προκύπτει

από τις πιέσεις και τις θερμοκρασίες με παραδοχή ιδανικής λειτουργίας της πλυντρίδας;

4. Κατασκευάζεται διάγραμμα συγκέντρωσης τολουολίου στην έξοδο της κλίνης – χρόνου.

5. Υπολογίζεται ο ρυθμός ρόφησης τολουολίου.

6. Υπολογίζεται η φόρτιση κορεσμού του κλινοπτιλόλιθου.

Βιβλιογραφία

7

1. Ε. Γρηγοροπούλου, Κ. Φιλιππόπουλος, «Τεχνική Χημικών Διεργασιών. Σημειώσεις Παραδόσεων»,

ΕΜΠ, Αθήνα 2007.

2. Perry and Green, “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, 6th ed., McGraw-Hill, 1984.

3. D. Ruthven, “Principles of Adsorption and Adsorption Processes”. J. Wiley, 1984.

4. McCabe and Smith, “Βασικές Χημικές Διεργασίες Χημικής Μηχανικής», 1971.

8

Τίτλος Άσκησης: ΕΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΥΠΕΡΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΗΝ ΥΔΑΤΙΚΗ ΦΑΣΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ


1. Μέτρηση της ισχύος του αναδευτήρα για την ανάδευση του αντιδρώντος μίγματος.

2. Μέτρηση του ρυθμού μεταβολής της συγκέντρωσης του υπεροξειδίου του υδρογόνου κατά την

ετερογενή καταλυτική διάσπασή του πάνω σε καταλύτη υπεροξειδίου του σιδήρου (FeOOH) υπό

ορισμένες συνθήκες λειτουργίας.

3. Πειραματική πιστοποίηση της κινητικής της διάσπασης.


Αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης διαλείποντος έργου, κυλινδρικός εσωτερικής διαμέτρου 10 cm και

ύψους 14,7 cm, από γυαλί, εφοδιασμένος με διάταξη ρύθμισης θερμοκρασίας μέσω θερμοστατούμενου

υδατόλουτρου. Μηχανικός αναδευτήρας μεταβλητών στροφών εφοδιασμένος με τάρακτρα διαφόρου

γεωμετρίας. Μετρητής στροφών. Μετρητής pΗ και θερμοκρασίας. Φασματοφωτόμετρο ορατού-

υπεριώδους.


Τοποθετούμε στον αντιδραστήρα ορισμένη ποσότητα νερού. Επιλέγουμε τη θερμοκρασία λειτουργίας και

το είδος του ταράκτρου που θα χρησιμοποιήσουμε. Ρυθμίζουμε τις στροφές του αναδευτήρα σε μια

σταθερή τιμή. Μετρούμε τις στροφές με το στροφόμετρο. Προσθέτουμε στον αντιδραστήρα υπό

ανάδευση τα αντιδρώντα σε ορισμένες αναλογίες και καταγράφουμε συναρτήσει του χρόνου όλες τις

συνθήκες λειτουργίας. Κατά διαστήματα ελέγχουμε την ανάδευση και παίρνουμε δείγματα από τον

αντιδραστήρα και μετρούμε τη σνγκέντρωση του υπεροξειδίου του υδρογόνου που απομένει. Στο τέλος

του πειράματος διακόπτουμε την ανάδευση και αδειάζουμε τον αντιδραστήρα.


1. Υπολογίζεται ο αριθμός Re και ελέγχεται το είδος της ροής στον αντιδραστήρα.

2. Υπολογίζεται ο αριθμός ισχύος και η απαιτούμενη ισχύς του αναδευτήρα βάσει της βιβλιογραφίας.

9

3. Υπολογίζεται η αναλογία υπεροξειδίου του υδρογόνου / καταλύτη.

4. Καταστρώνεται το ισοζύγιο μάζας, υπολογίζεται ο ρυθμός εξαφάνισης του υπεροξειδίου του

υδρογόνου και παριστάται σε διάγραμμα συναρτήσει του χρόνου.

5. Γίνεται έλεγχος για την κινητική που προτείνεται από τη βιβλιογραφία.

6. Γίνεται έλεγχος της συμβατότητας των αποτελεσμάτων μεταβολής της συγκέντρωσης του

υπεροξειδίου και μεταβολής του pH.




2. J.M. Smith «Μηχανική Χημικών Διεργασιών», Εκδ. Τζιόλα, 1997 ή όποιο αντίστοιχο σύγγραμμα

διαθέτετε.

3. Perry R., Chilton, C. «Chemical Engineers` Handbook», 6th Ed., p.19-1 έως και 19-11 (ή αντίστοιχα

διαγράμματα στο κεφάλαιο Agitation άλλων εκδόσεων του ίδιου συγγράμματος ή άλλων)

4. Φυλλάδιο Εργαστηρίου ΤΧΔ που διανέμεται από τον υπεύθυνο.

10

Τίτλος Άσκησης : ΑΠΟΡΡOΦΗΣΗ ΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΥΓΡΟ, ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΓΓΕΝΟΥΣ ΡΥΘΜΟΥ

[Απαραίτητη η συστηματική μελέτη του ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ Ι του παρόντος] Σκοπός της Άσκησης 1. Η εξοικείωση των σπουδαστών με την χρήση αντιδραστήρων εργαστηριακής κλίμακας. 2. Η μελέτη και εξάσκηση πάνω στα μαθηματικά πρότυπα, που περιγράφουν τις χημικές διεργασίες στις οποίες εμπλέκεται μεταφορά μάζας από μία φάση σε άλλη. Προαπαιτούμενες γνώσεις 1. Βασικές αρχές που διέπουν τις διεργασίες απορρόφηση αερίων από υγρά με και χωρίς χημική

αντίδραση (Τεχνική Φυσικών Διεργασιών και Τεχνική Χημικών Διεργασιών) 2. Ιωδομετρία ( Αναλυτική Χημεία ). Πειραματικό Μέρος Στην παρούσα άσκηση θα μελετηθεί μία περίπτωση απορρόφησης αερίου από υγρό, συνοδευόμενης από χημική αντίδραση. Συγκεκριμένα, θα γίνει διαβίβαση ατμοσφαιρικού αέρα μέσα από

υδατικό διάλυμα SO32- οπότε λαμβάνει χώρα απορρόφηση οξυγόνου και ακολούθως η αντίδραση:

O + 2 SO 2SO2 32

42

Η αντίδραση αυτή, καταλύεται από κατιόντα Cu++ ή Co++. Η απορρόφηση διεξάγεται σε πλήρως αναδευόμενο δοχείο διαλείποντος έργου ως προς το υγρό. Υπάρχει η δυνατότητα δειγματοληψίας υγρού κατά διαστήματα και προσδιορισμού της συγκέντρωσης θειωδών, με ιωδομετρική μέθοδο. (Η συγκέντρωση των θειωδών θα μεταβάλλεται με τον χρόνο λόγω κατανάλωσής τους από την αντίδραση). Η πειραματική εγκατάσταση περιλαμβάνει :

Αεροσυμπιεστή τροφοδοσίας αέρα.

Ροόμετρο αερίου με ρυθμιστική βάνα.

Δοχείο αντίδρασης με ηλεκτρικό αναδευτήρα.

Σύστημα μέτρησης θερμοκρασίας μεσω θερμοστοιχείου, συνδεδεμένου με ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Υπάρχει επίσης εξοπλισμός για διεξαγωγή ογκομετρικών αναλύσεων (σύριγγες, προχοίδα, κωνικές φιάλες, αντιδραστήρια κλπ). Ζητούμενο Με βάση τις μετρήσεις του πειράματος ζητείται να προσδιοριστούν ο συντελεστής ενίσχυσης Ε και η παράμετρος του εγγενούς ρυθμού της παραπάνω αντίδρασης, δηλαδή η ειδική ταχύτητα. Προτεινόμενη Βασική Βιβλιογραφία 1. Αstarita G., Mass Transfer with Chemical Reaction, Elsevier Publ. Co., New York, 1967 2. Danckwerts P.V., Gas Liquid Reactions, Mc Graw - Hill, New York, 1970 3. Shah Y.T., Gas - Liquid - Solid Reactor Design, Mc Graw - Hill, 1979

11

Τίτλος άσκησης: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΧΡΟΝΩΝ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ ΣΕ ΣΤΗΛΗ ΜΕ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ

Σκοπός

Ο προσδιορισμός της κατανομής των χρόνων παραμονής μορίων ιχνηθέτη Νa2SO3, σε συνάρτηση με τις

λειτουργικές μεταβλητές της διάταξης κατακόρυφης στήλης με πληρωτικό υλικό (παροχή υγρού, πορώδες

στήλης κλπ.).

Χρησιμοποιούμενα Μέσα

Κατακόρυφη στήλη με πληρωτικό υλικό εγκατεστημένη στο εργαστήριο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών

του τμήματος Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ.

Μεθοδολογία

1. Απoκαθίστανται μόνιμες συνθήκες ροής στη στήλη, όσον αφορά στη μαζική παροχή του νερού.

2. Πραγματοποιούνται μετρήσεις παλμικής επιβολής και απόκρισης ιχνηθέτη.

Επεξεργασία Αποτελεσμάτων

1. Υπολογισμός των κατανομών F(t) και E(t) των χρόνων παραμονής του ιχνηθέτη.

2. Υπολογισμός άλλων χαρακτηριστικών κατά περίπτωση (χρόνος χώρου αντιδραστήρα, μέσου

χρόνου παραμονής)


1. J.H. Perry, “Chemical Engineers’ Handbook”. McGraw-Hill, N.York (οποιαδήποτε έκδοση).

2. Ι.Κ. Μαραγκόζη, “Τεχνική Χημικών Διεργασιών”, 3η έκδοση, Κεφάλαιο 6ο, ΕΜΠ. 1982

3. O. Levespiel, “Chemical Reaction Engineering”, 2nd edition, John Wiley & Sons Inc., 1972

12

Τίτλος Άσκησης : ΜΕΤΡΗΣΗ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΕΡΙΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΕΣ ΥΛΙΚΟ


Η μέτρηση της διαπερατότητας Η2, σε μεμβράνη vycor, υπό ορισμένες συνθήκες.

Συσκευές – Όργανα

Μεμβράνη vycor, ενσωματωμένη σε ειδική, μεταλλική διάταξη, η οποία επιτρέπει τη ροή

ρευστού από την εσωτερική και την εξωτερική πλευρά της μεμβράνης, ξεχωριστά.

Φιάλες Ar και H2 συγκεκριμένης σύστασης.

Ροόμετρα για τη μέτρηση των παροχών.

Αέριος χρωματογράφος με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD).


Τροφοδοτούμε την εξωτερική πλευρά της μεμβράνης με συγκεκριμένη παροχή Ar, το οποίο καταλήγει

στον ανιχνευτή του χρωματογράφου. Η εσωτερική πλευρά της μεμβράνης τροφοδοτείται με μίγμα Ar/H2

με καθορισμένη τιμή παροχής. Το Η2 διαχέεται μέσα από τη μεμβράνη και λαμβάνεται σγκεκριμένο σήμα

στον ανιχνευτή του χρωματογράφου, το οποίο καταγράφεται.

Στη συνέχεια, στην παροχή H2, προστίθεται καθαρό αέριο Ar, με διάφορες παροχές, με αποτέλεσμα τη

μεταβολή της συγκέντρωσης Η2 στο μίγμα τροφοδοσίας. Σε κάθε περίπτωση, καταγράφεται το σήμα του

χρωματογράφου και η ροή του ρεύματος εξόδου.


1. Ποιά είναι η τιμή της διαπερατότητας του Η2, για τις διάφορες περιπτώσεις ; Πως επηρεάζεται η

διαπερατότητα του αερίου από τη συγκέντρωση του μίγματος τροφοδοσίας ;

2. Αν αυξηθεί η πίεση του αερίου μίγματος ή η θερμοκρασία μέτρησης, πώς αναμένεται να

μεταβληθεί η τιμή της διαπερατότητας ;

3. Αν, αντί για Η2, είχαμε He, ποια θα ήταν η τιμή της διαπερατότητας ;

13


1. Karger J., D.M. Ruthven, “Diffusion in zeolites and other microporous solids”, J. Wiley & Sons,

New York, 1992.

2. Barrer R.M., Surface and volume flow in porous media, in “The solid-gas interface”, Vol. 2,

Marcel Dekker, New York, 1967.

3. Bird R.B., W.E. Srewart, E.N. Lightfoot, “Transport phenomena”, J. Wiley & Sons, New York,

1960.

14

Τίτλος Άσκησης : ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΜΕ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ


Μελέτη της αντίδρασης μετατόπισης CO (Water-Gas Shift):

CO + H2O ↔ CO2 + H2

σε αντιδραστήρα μεμβράνης - μέτρηση της διαπερατότητας Η2.


Μεμβράνη vycor, ενσωματωμένη σε ειδική, μεταλλική διάταξη, η οποία επιτρέπει τη ροή

ρευστού από την εσωτερική και την εξωτερική πλευρά της μεμβράνης, ξεχωριστά.

Φούρνος για τη θέρμανση του αντιδραστήρα.

Πλυντρίδα για την εισαγωγή του νερού στον αντιδραστήρα.

Φιάλες Ar και CO.

Ρυθμιστές ροής μάζας για την ρύθμιση των παροχών των αερίων.

Αέριος χρωματογράφος με ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας (TCD).


Σε καταλυτικό αντιδραστήρα, ο οποίος θερμαίνεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τροφοδοτούμε μίγμα

CO/ H2O. Η εξωτερική πλευρά της μεμβράνης τροφοδοτείται με συγκεκριμένη παροχή Ar, το οποίο

καταλήγει στον ανιχνευτή του χρωματογράφου. Η εσωτερική πλευρά της μεμβράνης τροφοδοτείται με

μίγμα Ar/CO/H2O με καθορισμένη τιμή παροχής. Τα δύο ρεύματα εξόδου του αντιδραστήρα οδηγούνται

σε χρωματογράφο για την ανάλυση των προϊόντων της αντίδρασης.


1. Ποιά είναι η τιμή της διαπερατότητας του Η2, για τις διάφορες περιπτώσεις ; Πως επηρεάζεται η

διαπερατότητα του αερίου από τη συγκέντρωση του μίγματος τροφοδοσίας ;

2. Διάγραμμα μετατροπής του Η2 .

3. Ποιός είναι ο μέσος ρυθμός της αντίδρασης;

15

4. Αν αυξηθεί η πίεση του αερίου μίγματος ή η θερμοκρασία μέτρησης, πώς αναμένεται να

μεταβληθεί η τιμή της διαπερατότητας ;

5. Αν, αντί για Η2, είχαμε He, ποια θα ήταν η τιμή της διαπερατότητας ;


1. Ε. Γρηγοροπούλου,Κ. Φιλιππόπουλος, “Τεχνική Χημικών Διεργασιών. Σημειώεις

Παραδόσεων”,ΕΜΠ, Αθήνα 2007.

2. J.M. Smith “Μηχανική Χημικών Διεργασιών”, Εκδ. Τζιόλα, 1997

3. Karger J., D.M. Ruthven, “Diffusion in zeolites and other microporous solids”, J. Wiley & Sons,

New York, 1992.

4. Barrer R.M., Surface and volume flow in porous media, in “The solid-gas interface”, Vol. 2, Marcel

Dekker, New York, 1967.

16

Τίτλος Άσκησης: ΣΑΠΩΝΟΠΟΙΗΣΗ ΟΞΙΚΟΥ ΑΙΘΥΛΕΣΤΕΡΑ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΑΝΑΔΕΥΣΕΩΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ Σκοπός

Σκοπός της άσκησης είναι η πειραματική διεξαγωγή της αντίδρασης σαπωνοποίησης σε αντιδραστήρα

αναδεύσεως συνεχούς έργου σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας, η μαθηματική μοντελοποίηση της

διεργασίας και ο προσδιορισμός της κινητικής παραμέτρου της αντίδρασης.

Πειραματική Διάταξη

Η πειραματική διάταξη που θα χρησιμοποιηθεί από τους σπουδαστές περιλαμβάνει:

1. Δύο δοχεία με τα διαλύματα οξικού αιθυλεστέρα και καυστικού νατρίου.

2. Μία αντλία τροφοδοσίας των διαλυμάτων στον αντιδραστήρα.

3. Αντιδραστήρα με αναδευτήρα και σύστημα θέρμανσης.

4. Σωληνώσεις και βάνες για την τροφοδότηση των αντιδρώντων διαλυμάτων και απαγωγή του

αντιδράσαντος μίγματος.

Μέθοδος Ανάλυσης Δειγμάτων

Η ανάλυση των δειγμάτων για την εύρεση του βαθμού μετατροπής των αντιδρώντων περιλαμβάνει τον

προσδιορισμό του μη αντιδράσαντος καυστικού νατρίου στα δείγματα με τιτλοδότηση. Ο προσδιορισμός

του καυστικού νατρίου γίνεται ως ακολούθως:

Σε γυάλινη φιάλη τοποθετούνται 20ml διαλύματος υδροχλωρικού οξέος. Σε αυτό προστίθενται αμέσως

μετά τη δειγματοληψία 10ml δείγματος. Προστίθενται επίσης 3 σταγόνες διαλύματος δείκτου

φαινολοφθαλεΐνης. Στη συνέχεια γίνεται τιτλοδότηση με διάλυμα καυστικού νατρίου. Για την

ογκομέτρηση του διαλύματος υδροχλωρικού οξέος και του δείγματος χρησιμοποιούνται πιπέτες και

πουάρ, ενώ για την ογκομέτρηση του διαλύματος καυστικού νατρίου χρησιμοποιείται προχοΐδα.

Στοιχεία Θεωρίας

Η εν λόγω αντίδραση οξικού αιθυλεστέρα με το καυστικό νάτριο είναι δευτέρας τάξεως, πρώτης τάξεως

ως προς έκαστο των αντιδραστηρίων και αναντίστρεπτη.

17

Πειραματική Διαδικασία

Ο αντιδραστήρας πληρώνεται με διάλυμα οξικού αιθυλεστέρα ή καυστικού νατρίου σύμφωνα με τις

οδηγίες του προσωπικού μέσω της αντλίας παροχής. Όταν πληρωθεί ο αντιδραστήρας με το ένα από τα

δύο διαλύματα τότε αρχίζει η τροφοδοσία του με το άλλο. Από το σημείο αυτό ξεκινά η λήψη δειγμάτων

από την έξοδο του αντιδραστήρα ανά 15 λεπτά. Συνολικά λαμβάνονται 4 δείγματα, η ανάλυση των

οποίων γίνεται σύμφωνα με τον τρόπο που αναφέρθηκε παραπάνω.

Επεξεργασία Αποτελεσμάτων

Συνίσταται η προσεκτική ανάγνωση και τήρηση των οδηγιών που δίδονται στην αρχή του φυλλαδίου.

Στην έκθεση που πρέπει να παραδίδεται μέσα σε χρονικό διάστημα που αναφέρεται στις οδηγίες θα

περιλαμβάνονται τα εξής:

1. Διάγραμμα ροής της πειραματικής διάταξης.

2. Οι πρωτογενής πειραματικές μετρήσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της άσκησης.

3. Κατάστρωση – Επίλυση των ισοζυγίων μάζας και υπολογισμός της ειδικής σταθεράς της

αντίδρασης.

4. Διάγραμμα εξέλιξης της συγκέντρωσης του καυστικού νατρίου με το χρόνο (πειραματικές τιμές και

υπολογιζόμενες).

5. Διάγραμμα εξέλιξης της συγκέντρωσης του οξικού αιθυλεστέρα με το χρόνο (υπολογιζόμενες).


1 O. Levenspiel, “Chemical Reaction Engineering”, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 1998

2 Ν. Παπαγιαννάκος, «Σχεδιασμός Χημικών Αντιδραστήρων», Σημειώσεις Παραδόσεων, Εκδόσεις

Ε.Μ.Π., 1999

3 Scott H. Fogler, Μηχανική Χημικών Αντιδράσεων και Σχεδιασμός Αντιδραστήρων, Εκδόσεις

Τζιόλα, 2009

18

Τίτλος Άσκησης: ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΕ ΣΤΗΛΗ ΠΛΗΡΩΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ

Σκοπός

Η ομάδα σας δουλεύει στο τμήμα Έρευνας και Ανάπτυξης εταιρείας που παράγει χημικά προϊόντα. Βάσει

των νέων κανονισμών, που απαγορεύουν την ανεξέλεγκτη εκπομπή CO2 στην ατμόσφαιρα, διαπιστώθηκε

ότι πολλές από τις αέριες εκπομπές των εργοστασίων σας περιέχουν CO2 σε επίπεδα που ξεπερνούν τα

νέα όρια. Για αυτό καλείστε να διερευνήσετε τη χρήση των στηλών απορρόφησης μετά πληρωτικού

υλικού για την απομάκρυνση του CO2. Η έρευνα σας θα γίνει στην πιλοτική μονάδα απορρόφησης του

Ημιβιομηχανικού Εργαστηρίου του ΕΜΠ. Τα ζητούμενα από εσάς είναι:

Πειραματική Διαδικασία

1. Ρύθμιση της παροχής αέρα σε 2000 Νl/h.

2. Υπολογισμός της παροχής CO2 που απαιτείται για το αέριο μείγμα 10% κο.

3. Να χρησιμοποιηθούν παροχές νερού και διαλύματος NaOH 150, 200 και 250 l/h.

4. Η συγκέντρωση CO2 στο ρεύμα εξόδου θα βρεθεί χρησιμοποιώντας τον αναλυτή υπερύθρου.

5. Για κάθε παροχή υγρού να υπολογιστεί Κl,CO2α.

Ζητούμενα:

1. Να γραφούν οι παραδοχές που χρησιμοποιήθηκαν κατά τους υπολογισμούς.

2. Το διάγραμμα ροής των υλικών της μονάδας.

3. Χρησιμοποιώντας νερό ως υγρό απορρόφησης να γίνει η γραφική παράσταση της πτώσης πίεσης

κατά μήκος της στήλης σε συνάρτηση με την παροχή των αερίων (log (ΔP/L) με logG) για παροχές

νερού 0 (dry curve) 100, 150, 200 και 250 l/h. Να προσδιοριστούν στο διάγραμμα τα σημεία

φόρτωσης ( loading point ) και πλημμυρισμού ( flooding point ). Να συγκριθεί με τιμές της

βιβλιογραφίας.

4. Να υπολογιστεί το υγρό παρακράτημα της στήλης ( hold-up ) και το ποσοστό διαβροχής (wetting

fraction) του πληρωτικού υλικού για τις παροχές λειτουργίας του ερωτήματος 2 καθώς και η

ελάχιστη παροχή διαβροχής (minimum wetting rate Lw).

5. Να προσδιορισθούν οι συντελεστές μεταφοράς μάζας για φυσική και χημική απορρόφηση από

μίγμα 10% CO2 – 90 % αέρα και οι συντελεστές ενίσχυσης στην περίπτωση της απορρόφησης με

19

χημική αντίδραση, χρησιμοποιώντας νερό και διάλυμα ΝαΟΗ 0,1 Ν ως υγρό απορρόφησης,

αντίστοιχα.

6. Να υπολογιστούν οι συντελεστές ενίσχυσης.

Βιβλιογραφία:

1. Levenspiel ‘ Μηχανική Χημικών Διεργασιών ’ Κεφ. 23, 24

2. Coulson and Richardson ‘ Chemical Engineering ’ 3rd Edition, Vol 2 : Ch 4 &12, Vol 6 : Ch 11

3. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Ed., Ch 14

4. Σαραβάκος, Τεχνική Φυσικών Διαχωρισμών, Κεφ. 7

Συνημμένα: Περιγραφή της πιλοτικής διάταξης

Οδηγίες χειρισμού για ξεκίνημα και σταμάτημα της λειτουργίας της διάταξης

Χρήση αναλυτή CO2

Καμπύλες βαθμονόμησης παροχών

20

Τίτλος Άσκησης : ΙΟΝΤΟΕΝΑΛΛΑΓΗ ΜΟΛΥΒΔΟΥ - ΝΑΤΡΙΟΥ ΣΕ ΧΗΛΙΚΗ ΡΗΤΙΝΗ


1. Μελέτη της κινητικής της ιοντοεναλλαγής

2. Εφαρμογή προτύπων για την εύρεση του ελέγχοντος σταδίου της διεργασίας.


Ποτήρι ζέσεως, χρησιμοποιούμενο ως αντιδραστήρας διαλείποντος έργου. Μηχανικός αναδευτήρας

μεταβλητών στροφών / σύστημα πολλαπλών θέσεων για μηχανική ανάδευση μεταβλητών στροφών.

Μετρητής στροφών. Θερμόμετρο Hg / θερμοστοιχείο. Φορητό pHμετρο. Ρολόι χειρός / χρονόμετρο.

Συσκευή ατομικής απορρόφησης.


Τοποθετούμε στον αντιδραστήρα, που περιέχει ιόντα μολύβδου (Pb2+) σε υδατικό διάλυμα, υπό ανάδευση

ζυγισμένη ποσότητα ξηραμένης ρητίνης, ορισμένης κοκκομετρίας. Καταγράφουμε τη θερμοκρασία και το

pH συναρτήσει του χρόνου. Κατά διαστήματα παίρνουμε δείγματα από τον αντιδραστήρα και μετρούμε

τη συγκέντρωση των ιόντων μολύβδου που απομένουν στο διάλυμα.

Στο τέλος του πειράματος διακόπτουμε την ανάδευση και αδειάζουμε τον αντιδραστήρα.


1. Ελέγχεται η συνθήκη πλήρους ανάμειξης του περιεχομένου του αντιδραστήρα.

2. Από το κατάλληλο ισοζύγιο μάζας υπολογίζεται η φόρτιση της ρητίνης σε Pb (mg Pb/g ξηρής

ρητίνης).

3. Κατασκευάζεται διάγραμμα φόρτισης - χρόνου.

4. Υπολογίζεται η φόρτιση κορεσμού.

5. Εφαρμόζονται τα πρότυπα για αντίδραση στερεού σωματιδίου σταθερού μεγέθους (μη

αντιδρώντος πυρήνα) – ρευστού υπό συνθήκες μεταβαλλόμενης συγκέντρωσης αντιδρώντος

στην κύρια μάζα του ρευστού..

6. Βρίσκεται το ελέγχον στάδιο της διεργασίας και υπολογίζεται η αντίστοιχη κινητική σταθερά.

21


1. Perry R., Chilton, C. «Chemical Engineers` Handbook», 6th Ed., p.19-1 έως και 19-11 (ή

αντίστοιχα διαγράμματα στο κεφάλαιο Agitation άλλων εκδόσεων του ίδιου συγγράμματος ή

άλλων).

2. Γρηγοροπούλου, Κ. Φιλιππόπουλος, “Τεχνική Χημικών Διεργασιών. Σημειώσεις Παραδόσεων”,


3. Levenspiel, O. “Chemical Reaction Engineering”, 2nd Ed., Wiley International Editons, 1972 ή

μεταγενέστερη έκδοση ή όποιο άλλο αντίστοιχο σύγγραμμα διαθέτετε.

4. Helfferich, F.,”Ion Exchange”, Dover Publications Inc.,N.Y., 1995 ή McGraw-Hill, 1962.

5. Φυλλάδιο Εργαστηρίου ΤΧΔ που διανέμεται από τον υπεύθυνο.

22

Τίτλος Άσκησης : ΦΩΤΟΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΠΤΗΤΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Σκοπός του πειράματος

Μελέτη της αντίδρασης οξείδωσης πτητικών οργανικών ενώσεων με φωτοκαταλυτική διεργασία:

CxHy + O2 --> CO2 + H2O + …..


Αυλωτός αντιδραστήρας από γυαλί επικαλυμμένος με καταλυτικό υπόστρωμα.

Λάμπα UV χαμηλής πίεσης Hg.

Πλυντρίδα για την εισαγωγή του νερού στον αντιδραστήρα.

Φιάλη τροφοδοσίας ( Δοχείο υψηλής πίεσης) μίγματος , CxHy, N2.

Φιάλες Αέρα, Οξυγόνου, Αζώτου.

Ρυθμιστές ροής μάζας για την ρύθμιση των παροχών των αερίων.

Ανιχνευτής φωτοιονισμού (PID).


Σε φωτοκαταλυτικό αντιδραστήρα, τροφοδοτούμε μίγμα CxHy, H2O, O2 και N2. Η σύσταση της

τροφοδοσίας του υδρογονάνθρακα καθορίζεται από τον περιεχόμενο υγρό υδρογονάνθρακα στη φιάλη

τροφοδοσίας και η παροχή του μίγματος και του οξυγόνου καθορίζεται από τους ρυθμιστές ροής μάζας.

Τα προϊόντα της αντίδρασης οδηγούνται ανιχνευτή PID για την ανάλυσή τους. Από τα αποτελέσματα της

ανάλυσης εξετάζεται η μετατροπή του CxHy.


1. Να δοθεί το διάγραμμα μετατροπής του CxHy σε συνάρτηση με τον χρόνο παραμονής του

αντιδρώντος μίγματος στον αντιδραστήρα.

2. Εκτίμηση κινητικής της δράσης.

3. Να υπολογιστεί η μέγιστη τιμή του CxHy που μπορεί να εισαχθεί στο δοχείου της τροφοδοσίας,

για δεδομένη πίεση.


1. Ε. Γρηγοροπούλου,Κ. Φιλιππόπουλος, “Τεχνική Χημικών Διεργασιών. Σημειώσεις

Παραδόσεων”,ΕΜΠ, Αθήνα 2007.

23

Τίτλος Άσκησης: ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΦΑΙΝΟΛΗΣ ΣΤΗΝ ΥΓΡΗ ΦΑΣΗ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ


1. Μέτρηση της ισχύος του αναδευτήρα για την ανάδευση του αντιδρώντος μίγματος.

2. Μέτρηση του ρυθμού μετατροπής της φαινόλης κατά την ομογενή οξείδωσή της με υπεροξείδιο

του υδρογόνου παρουσία καταλύτη άλατος του σιδήρου υπό ορισμένες συνθήκες λειτουργίας.


Αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης διαλείποντος έργου, κυλινδρικός διαμέτρου 14 cm και ύψους 17

cm, από plexiglass, εφοδιασμένος με τέσσερις ανακλαστήρες πλάτους 1 cm και ύψους 17 cm.

Μηχανικός αναδευτήρας μεταβλητών στροφών εφοδιασμένος με τάρακτρα διαφόρου γεωμετρίας.

Μετρητής στροφών.

Μετρητής pΗ και θερμοκρασίας.

Φασματοφωτόμετρο ορατού-υπεριώδους.


Τοποθετούμε στον αντιδραστήρα ορισμένη ποσότητα νερού. Επιλέγουμε το είδος του ταράκτρου που θα

χρησιμοποιήσουμε. Ρυθμίζουμε τις στροφές του αναδευτήρα σε μια σταθερή τιμή. Μετρούμε τις στροφές

με το στροφόμετρο. Προσθέτουμε στον αντιδραστήρα υπό ανάδευση τα αντιδρώντα σε ορισμένες

αναλογίες και καταγράφουμε συναρτήσει του χρόνου όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Κατά διαστήματα

παίρνουμε δείγματα από τον αντιδραστήρα και μετρούμε τη σνγκέντρωση της φαινόλης και του

υπεροξειδίου του υδρογόνου που απομένει. Στο τέλος του πειράματος διακόπτουμε την ανάδευση και

αδειάζουμε τον αντιδραστήρα.


1. Υπολογίζεται ο ΝRe.

2. Υπολογίζεται ο αριθμός ισχύος και η ισχύς του αναδευτήρα βάσει της βιβλιογραφίας.

3. Υπολογίζεται η αναλογία φαινόλης/υπεροξειδίου του υδρογόνου και συγκρίνεται με τη

στοιχειομετρικά απαιτούμενη για πλήρη οξείδωση της φαινόλης.

24

4. Υπολογίζεται ο ρυθμός εξαφάνισης της φαινόλης και παριστάται σε διάγραμμα συναρτήσει του

χρόνου. Γίνεται έλεγχος για απλές κινητικές.

5. Γίνεται έλεγχος της επάρκειας του διαλύματος καταλάσης.




2. Levenspiel, Ο. «Chemical Reaction Engineering», 2nd Ed., Wiley International Editons,1972 ή

μεταγενέστερη έκδοση ή όποιο αντίστοιχο σύγγραμμα διαθέτετε.


διαγράμματα στο κεφάλαιο Agitation άλλων εκδόσεων του ίδιου συγγράμματος ή άλλων)

4. Φυλλάδιο που διανέμεται από τον υπεύθυνο

25

Τίτλος Άσκησης: ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΥΔΑΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕ ΡΟΦΗΣΗ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ


1. Υπολογισμός της ισχύος του αναδευτήρα για την ανάδευση του μίγματος.

2. Μέτρηση του ρυθμού απομάκρυνσης του μετάλλου από το υδατικό διάλυμα υπό ορισμένες

συνθήκες λειτουργίας.

3. Προσδιορισμός της μέγιστης απομάκρυνσης υπό ορισμένες συνθήκες λειτουργίας.


Συστοιχία ανεξάρτητων δοχείων πλήρους ανάδευσης διαλείποντος έργου, κυλινδρικών διαμέτρου …

cm και ύψους … cm, από γιαλί.

Σύστημα μηχανικής ανάδευσης μεταβλητών στροφών με τάρακτρα συγκεκριμένης γεωμετρίας.

Μετρητής στροφών.

Μετρητής pΗ και θερμοκρασίας

Συσκευή ατομικής απορρόφησης.


Τοποθετούμε στα δοχεία ορισμένη ποσότητα υδατικού διαλύματος μετάλλου ορισμένης συγκέντρωσης.

Ρυθμίζουμε τις στροφές του αναδευτήρα σε μια σταθερή τιμή. Ελέγχουμε τις στροφές με το στροφόμετρο.

Προσθέτουμε στα δοχεία υπό ανάδευση το ροφητικό σε ορισμένες ποσότητες και καταγράφουμε

συναρτήσει του χρόνου όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Κατά διαστήματα παίρνουμε δείγματα από το ένα

δοχείο και μετρούμε τη σνγκέντρωση του μετάλλου που απομένει. Στο τέλος του πειράματος μετρούμε τη

συγκέντρωση του απομένοντος μετάλλου σ’ όλα τα δοχεία. Τέλος διακόπτουμε την ανάδευση και

αδειάζουμε το σύστημα.


1. Υπολογίζεται ο ΝRe.

2. Υπολογίζεται ο αριθμός ισχύος και η ισχύς του αναδευτήρα βάσει της βιβλιογραφίας.

26

3. Υπολογίζεται η αναλογία μετάλλου/ροφητικού.

4. Υπολογίζεται ο ρυθμός απομάκρυνσης του μετάλλου και παριστάται σε διάγραμμα συναρτήσει του

χρόνου. Γίνεται έλεγχος για απλές κινητικές.

5. Υπολογίζεται η μέγιστη απομάκρυνση του μετάλλου συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας.





διαγράμματα στο κεφάλαιο Agitation άλλων εκδόσεων του ίδιου συγγράμματος ή άλλων).

27

Τίτλος Άσκησης : ΦΩΤΟΧΗΜΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΧΛΩΡΙΩΜΕΝΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ


Μελέτη της φωτοχημικής οξείδωσης χλωριωμένης οργανικής ένωσης σε φωτο-χημικό αντιδραστήρα

διαλείποντος έργου με ανακύκλωση (batch recycle mode) – Μέτρηση του ρυθμού μετατροπής του ολικού

οργανικού άνθρακα


Κυλινδρικός αντιδραστήρας διαλείποντος έργου με ανακύκλωση

Λάμπα υδραργύρου χαμηλής πιέσεως, ισχύος 18 W, ως πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας

Μαγνητικός αναδευτήρας για συνεχή ανάδευση του μη ακτινοβολούμενου τμήματος του

διαλύματος

Περισταλτική αντλία για την κυκλοφορία του διαλύματος με σταθερό ρυθμό

pH-μετρο για την καταγραφή του pH της αντίδρασης

Αναλυτής ολικού οργανικού άνθρακα για τον ποσοτικό προσδιορισμό του ολικού, του ανόργανου

και του ολικού οργανικού άνθρακα,


Παρασκευάζεται υδατικό διάλυμα της χλωριωμένης οργανικής ένωσης και οξειδώνεται με υπεροξείδιο

του υδρογόνου υπό την επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας σε φωτοχημικό ή φωτοκαταλυτικό

αντιδραστήρα διαλείποντος έργου με ανακύκλωση. Προκειμένου να μελετηθεί η πορεία της αντίδρασης

σε καθορισμένες χρονικές στιγμές λαμβάνονται δείγματα, τα οποία μετρώνται σε αναλυτή ολικού

οργανικού άνθρακα.


1. Να γραφεί το ισοζύγιο μάζας για αντιδραστήρα διαλείποντος έργου με ανακύκλωση.

2. Διάγραμμα μετατροπής του ολικού οργανικού άνθρακα και υπολογισμός ρυθμού μετατροπής

ολικού οργανικού άνθρακα.

28

3. Αντιδράσεις παραγωγής ελευθέρων ριζών σε φωτοχημικό ή σε φωτοκαταλυτικό σύστημα

(θεωρητικό ερώτημα).

4. Ποια είναι η αναμενόμενη συμπεριφορά του συστήματος αν αυξηθεί η συγκέντρωση του

οξειδωτικού μέσου (θεωρητικό ερώτημα).


1. J.M. Smith “Μηχανική Χημικών Διεργασιών”, Εκδ. Τζιόλα, 1997

2. Ε. Γρηγοροπούλου, Κ. Φιλιππόπουλος, “Τεχνική Χημικών Διεργασιών. Σημειώσεις Παραδόσεων”,


29

Τίτλος Άσκησης: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΕ ΘΕΡΜΟΖΥΓΟ


1. Μελέτη της κινητικής της αντίδρασης καύσης του ενεργού άνθρακα (ετερογενής μη καταλυτική

διεργασία)

2. Εφαρμογή προτύπων για την εύρεση του ελέγχοντος σταδίου της διεργασίας


Θερμοζυγός Mettler Toledo μοντέλο TGA/DSC 1 συνδεδεμένος σε H/Y για τη συλλογή των αποτελεσμάτων,

φιάλες Ν2 και αέρα, ροτάμετρα για τη ρύθμιση των παροχών των αερίων, ζυγός ακριβείας, θερμόμετρο


Σε ζυγό ακριβείας ζυγίζουμε μέσα σε ειδικό χωνευτήριο (crucible) μια ποσότητα ενεργού άνθρακα ορισμένης

κοκκομετρίας και το τοποθετούμε στο φούρνο του θερμοζυγού. Καταγράφουμε τη θερμοκρασία περιβάλλοντος στο

χώρο του πειράματος. Θερμαίνουμε το δείγμα σε αδρανή ατμόσφαιρα Ν2. Όταν φτάσει την επιθυμητή θερμοκρασία

καύσης διακόπτουμε την παροχή αζώτου στο φούρνο και τροφοδοτούμε με αέρα υπό σταθερή παροχή, ενόσω η

θερμοκρασία του φούρνου διατηρείται πλέον σταθερή για δεδομένο χρόνο. Στο τέλος του πειράματος παίρνουμε το

θερμογράφημα και τις πρωτογενείς πειραματικές μετρήσεις (μάζα στερεού, θερμοκρασία δείγματος και φούρνου,

ροή θερμότητας, χρόνο) από τον υπολογιστή σε αρχείο excel.


1. Κατασκευάζονται τα διαγράμματα μάζας – χρόνου και βαθμού μετατροπής – χρόνου.

2. Προσδιορίζεται η χρονική στιγμή έναρξης της καύσης και υπολογίζεται η συνολική μετατροπή της

διεργασίας.

3. Εφαρμόζονται τα πρότυπα για αντίδραση σφαιρικού σωματιδίου ελαττούμενου μεγέθους και αερίου

υπό συνθήκες σταθερής συγκέντρωσης αντιδρώντος στην κύρια μάζα του ρευστού.

4. Βρίσκεται το ελέγχον στάδιο της διεργασίας και υπολογίζεται ο χρόνος πλήρους κατεργασίας του

στερεού.

5. Βιβλιογραφία

1. Ε. Γρηγοροπούλου, Κ. Φιλιππόπουλος, «Τεχνική Χημικών Διεργασιών – Σημειώσεις Παραδόσεων»,

ΕΜΠ, Αθήνα 2012

2. Levenspiel, O. “Chemical Reaction Engineering”, 2nd Ed., Wiley International Editions, 1972 ή

μεταγενέστερη έκδοση ή όποιο άλλο αντίστοιχο σύγγραμμα διαθέτετε.

30

Τίτλος Άσκησης: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΣΕ ΧΗΜΙΚΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ

ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΔΕΥΣΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ (CSTR) ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ

1. Σκοπός του πειράματος

1. Η τοποθέτηση σε λειτουργία ενός χημικού αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης συνεχούς έργου (CSTR:

Continuous Stirred Tank Reactor).

- Στάδιο μεταβατικών συνθηκών εκκίνησης του αντιδραστήρα (start-up)

- Στάδιο μονίμων συνθηκών (steady state) και πιστοποίηση αυτών

- Μεταβολή παραμέτρων της τροφοδοσίας και επανεπίτευξη μονίμων συνθηκών

- Στάδιο διακοπής λειτουργίας (shut-down)

2. Η μέτρηση της τεχνικής κινητικής (kinetics) σε έναν χημικό αντιδραστήρα συνεχούς έργου.

2. Συσκευές και όργανα

- Κυλινδρικός μεταλλικός αντιδραστήρας από ανοξείδωτο χάλυβα, ονομαστικής χωρητικότητας 30L

(40cm x 30cm), ο οποίος φέρει αναδευτήρα τύπου άγκυρας, ρυθμιζόμενης ταχύτητας περιστροφής και

θερμοστοιχείο μέτρησης της θερμοκρασίας του αντιδρώντος μίγματος. Κατά τη διεξαγωγή της άσκησης,

ο αντιδραστήρας εργάζεται με όγκο υγρού παρακρατήματος της τάξης του 10% της ονομαστικής

χωρητικότητάς του. Η θυρίδα οροφής του αντιδραστήρα παραμένει ανοιχτή καθ’ όλη τη διεξαγωγή της

άσκησης, για την απομάκρυνση στην ατμόσφαιρα του παραγόμενου CO2.

- Γυάλινη δεξαμενή ονομαστικής χωρητικότητας 6L (30cm x 17cm), από την οποία τροφοδοτείται

συνεχώς στον αντιδραστήρα διάλυμα κιτρικού οξέος (ξινό) ονομαστικής συγκέντρωσης 0,1Μ.

- Γυάλινη δεξαμενή ονομαστικής χωρητικότητας 6L (30cm x 17cm), από την οποία τροφοδοτείται

συνεχώς στον αντιδραστήρα διάλυμα διττανθρακικού νατρίου (σόδα) ονομαστικής συγκέντρωσης 0,1Μ.

- Χειροκίνητη βαλβίδα ρύθμισης της παροχής του κιτρικού οξέος.

- 3 ροόμετρα για τη μέτρηση της ογκομετρικής παροχής των αντιδρώντων και του υγρού προϊόντος.

- pH-μετρο για τη μέτρηση των απαραίτητων συγκεντρώσεων υδρογονοκατιόντων [Η+].

31

.

3. Πειραματική διαδικασία

- Προσθέτουμε στον κενό αντιδραστήρα 2,0L διαλύματος διαττανθρακικού νατρίου 0,1Μ.

- Προσθέτουμε με βραδύ ρυθμό 1,0L διαλύματος κιτρικού οξέος 0,1Μ, εφαρμό-ζοντας μέτρια ανάδευση.

- Μετράμε το pH στις δεξαμενές αντιδρώντων.

- Εφαρμόζουμε παροχή διττανθρακικού νατρίου QΒ =0,2 L/min.

- Εφαρμόζουμε παροχή κιτρικού οξέος QΑ =0,10 L/min.

- Ρυθμίζουμε την παροχή εξόδου υγρών ώστε να προσεγγίζει την τιμή:

Q=QA+[84-( )/(CB0QB).44]/84.QB≈0,29 L/min

- Ρυθμίζουμε τον αναδευτήρα του αντιδραστήρα, ώστε να επιτευχθούν συνθήκες πλήρους ανάδευσης

(κριτήρια Burghard-Lipowska) [9].

- Μετράμε συνεχώς το pH στην έξοδο υγρών του αντιδραστήρα μέχρι πρακτικά να σταθεροποιηθεί

(t≥3VR/Q), οπότε και το καταγράφουμε. Καταγράφουμε, επίσης, την ακριβή τιμή της παροχής εξόδου

υγρών και τη θερμοκρασία του αντιδρώντος μίγματος. Μία αρχική προσεγγιστική εκτίμηση του

αντιδρώντος όγκου (VR) είναι:

1,0+[84-( )/(CB0QB).44]/84.2,0 ≈ 2,86L .

- Μεταβάλουμε την παροχή του κιτρικού οξέος σε QΑ =0,15 L/min, ρυθμίζουμε αντίστοιχα με την

προηγούμενη περίπτωση την παροχή εξόδου υγρών και μετράμε συνεχώς το pH στην έξοδο υγρών μέχρι

πρακτικά να σταθεροποιηθεί (t≥3VR/Q). Μετά τη σταθεροποίηση, καταγράφουμε το pH, την παροχή

εξόδου και τη θερμοκρασία του αντιδρώντος μίγματος.

- Επαναλαμβάνουμε τη διαδικασία για παροχές τροφοδοσίας κιτρικού οξέος (QA) 0,20 L/min, 0,25 L/min

και 0,30 L/min, με αναμονή σε κάθε περίπτωση (t≥3VR/Q), οπότε καταγράφουμε το pH, την παροχή

εξόδου και τη θερμοκρασία του αντιδρώντος μίγματος.

Η συνολική διάρκεια λειτουργίας εκτιμάται κατ’ ελάχιστον σε: 30+25+22+20+18=115min.

H συνολική κατανάλωση διαλύματος κιτρικού οξέος 0,1Μ εκτιμάται κατ’ ελάχιστον σε:

1,0+30*0,10+25*0,15+22*0,20+20*0,25+18*0,3022,5L και η συνολική κατανάλωση στερεού άνυδρου

κιτρικού οξέος, στην άσκηση, είναι της τάξης των 430g.

H συνολική κατανάλωση διαλύματος διαττανθρακικού νατρίου 0,1Μ εκτιμάται κατ’ ελάχιστον σε:

2,0+115*0,2=25L και η συνολική κατανάλωση στερεού διττανθρακικού νατρίου, στην άσκηση, είναι της

τάξης των 210g.

32

- Μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων, σταματάμε τις παροχές τροφοδοσίας των αντιδρώντων και

εξαγωγής του υγρού προϊόντος. Αδειάζουμε, άμεσα, το περιεχόμενο του αντιδραστήρα σε δοχείο και στη

συνέχεια το ογκομετρούμε, ή αν αυτό δεν είναι δυνατό, το ζυγίζουμε. Στην περίπτωση της ζύγισης,

θεωρώντας ότι το υδατικό διάλυμα έχει πυκνότητα περίπου ίση με αυτή του νερού (1 kg/L), εκτιμούμε

τον αντίστοιχο όγκο. Από τη διαδικασία αυτή προσδιορίζεται ο όγκος του υγρού παρακρατήματος (VR)

του αντιδραστήρα. Η διαδικασία της ογκομέτρησης, ή της ζύγισης, πρέπει να γίνει αμέσως μετά τη λήψη

του υγρού παρακρατήματος, ώστε η εξελισσόμενη αντίδραση εξουδετέρωσης να μην προκαλέσει

ουσιαστικές μεταβολές.

4. Επεξεργασία αποτελεσμάτων

- Σχεδιάζεται το διάγραμμα ροής, το οποίο θα περιλαμβάνει μόνον τον εξοπλισμό που εμπλέκεται στην

άσκηση.

- Καταστρώνεται το ισοζύγιο μάζας, με χρήση των προτεινόμενων συμβόλων.

- Επιλύεται το ισοζύγιο μάζας ως προς το ρυθμό κατανάλωσης υδρογονοκατιόντων στη χημική αντίδραση

(rH) και υπολογίζεται για κάθε περίπτωση διαφορετικής χρησιμοποιούμενης παροχής QA η αντίστοιχη

τιμή rH.

- Δημιουργούνται τα ζεύγη (p(H- ) , p(rH)) και με χρήση γραμμικής παλινδρόμησης ελαχίστων

τετραγώνων προσδιορίζεται, από την προτεινόμενη τεχνική κινητική εξίσωση, η σταθερά k της ειδικής

ταχύτητας και η τάξη της αντίδρασης n.

5. Βιβλιογραφία

1. F.S.Nakayama, Sodium Bicarbonate and Carbonate Ion Pairs and Their Relation to the Estimation of

the First and Second Dissociation Constants of Carbonic Acid, J. Phys. Chem., 1970, 74 (13), pp

2726–2728.

2. http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/251275 (12/2014)

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid

4. http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_bicarbonate

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_acid

6. L.Fusi, A.Monti, M.Primicerio, Determining calcium carbonate neutralization kinetics from

experimental laboratory data, J. Math. Chem., 2012, 50, pp 2492–2511.

7. G. Al.Mills, H.C.Urey, The Kinetics of Isotopic Exchange between Carbon Dioxide, Bicarbonate Ion,

Carbonate Ion and Water, J. Am. Chem. Soc., 1940, 62 (5), pp 1019–1026.

33

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι

ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΕΡΙΟΥ ΑΠΟ ΥΓΡΟ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

Απορρόφηση και αντίδραση: 242

23 SOO

2

1SO

Κινητική αντίδρασης : n

2OSO

Ckr-2

3

(μηδενική τάξη ως προς 23SO )

Ζητείται ο προσδιορισμός του k. Δίδονται α (ειδική διαφασική επιφάνεια) = 22m2/m3

ε (λόγος όγκου αερίου προς όγκο υγρού) = 0.01 Q (ογκομετρική παροχή αέρα) = 0.40*10-3 m3/min VL (όγκος υγρού) = 0.8 *10-3m3 r (μέση ακτίνα διατομής του δοχείου) = 5*10-2m W (ισχύς παρεχόμενη από τον αναδευτήρα) = 110 mW n (τάξη ως προς το οξυγόνο) n = 1.8 Μετρούνται

C SO 32

(συγκέντρωση θειωδών) συναρτήσει του χρόνου (moles/m3)

T (θερμοκρασία) Υπολογίζονται από τη Βιβλιογραφία kL

0 (φυσικός συντελεστής μεταφοράς μάζας υγρής πλευράς) (m/s) DΟ2 (συντελεστής διάχυσης του Ο2 στο υγρό) (m2/s) He (συντελεστής κατανομής του οξυγόνου, σε όρους μερικής πίεσης ανά

συγκέντρωση) (Pa / (mole/m3)) Παραδοχές Αμελητέα αντίσταση αερίου υμενίου Πλήρης ανάδευση υγρού και αερίου Πίεση ατμοσφαιρική παντού 1. ΓΕΝΙΚΑ

34

Για τη συγκεκριμένη μορφή ρυθμού, ο παράγων ενίσχυσης δίδεται για το πρότυπο δύο υμενίων από τους Hikita και Asai (Astarita σελ. 47, 48, 49).

Παράγοντας ενίσχυσης: γtanh

γE (1)

όπου

2O

1n

2iO

oL

2Ο

D 1)(n

C k 2

k

D

γ

(2)

Παρατηρούμε ότι το k συνδέεται με τον παράγοντα ενίσχυσης Ε. Οπότε προκειμένου να προσδιορίσουμε το k χρειαζόμαστε τον Ε, κατά την διάρκεια του πειράματος. 2. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ Ε

Οσο Ο2 περνάει στο υγρό, αντιδρά με τα SO32-. Επομένως ο ρυθμός μεταφοράς του Ο2 ισούται με το

ρυθμού καταναλώσεως SO32-.

2

3SOC

0 t

ε)+(1αVNVdt

dC

2

1L2OL

23SO

(3)

όπου )C(CkN

2O

2iOLO2

(4)

2i

O0L

2O CEkN (5)

35

άρα ε)+(1 αC Ekdt

dC

2

12i

O0

L

2

3SO

(6)

ε)+(1 αC k

dt

dC

2

1

E

2iO

0L

SO-2

3 (7)

Ετσι μπορούμε να προσδιορίσουμε τον Ε, αρκεί να γνωρίζουμε όλους τους όρους του δεξιού μέλους.

dt

dC

2

12

3SO

: προσδιορίζεται από το διάγραμμα.

0L

k : εκτιμάται από την βιβλιογραφία.

α και ε: γνωστά (δίδονται)

He

P

= 2iO

2iOC : Ηe : εκτιμάται από τη βιβλιογραφία

Επειδή το αέριο είναι πλήρως αναδευόμενο, το 2iO

P είναι το 2iO

P του εξερχομένου αερίου (2iO

εξP ) το

οποίο υπολογίζεται από το ισοζύγιο μάζας οξυγόνου.

Εισερχόμενο οξυγόνο = Εξερχόμενο οξυγόνο + Αντιδρών οξυγόνο.

)P/ε

P( G)P/εισP( G2

O2

O

)L

CV

dt

d

2

1(

23SO

(8)

όπου Gη μοριακή παροχή του αερίου

G =

RT

PQ (9)

3. ΘΕΩΡΙΑ. Απορρόφηση με χημική αντίδραση Η διαφορά της απορρόφησης με χημική αντίδραση από την φυσική απορρόφηση έγκειται στο ότι στο υγρό υπάρχει ουσία που αντιδρά με το απορροφώμενο αέριο. Στην περίπτωση της απορρόφησης με χημική αντίδραση, η ανάλυση και η μαθηματική μοντελοποίηση του φαινομένου είναι παραπλήσιες με αυτές της φυσικής απορρόφησης που είναι ήδη γνωστές από την Τ.Φ.Δ., μόνο που τώρα στα ισοζύγια μάζας προστίθεται και ο όρος της χημικής αντίδρασης. Το απλούστερο πρότυπο που χρησιμοποιείται σε διεργασίες απορρόφησης είναι αυτό των ΔΥΟ ΥΜΕΝΙΩΝ. Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, όλα τα φαινόμενα που σχετίζονται με την μεταφορά μάζας από την μία φάση στην άλλη (δηλ. η εμφάνιση βαθμίδων συγκέντρωσης, η διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων κ.λπ.) λαμβάνουν χώρα μέσα σε μια περιοχή πολύ μικρού πάχους εκτεινόμενη εκατέρωθεν της διεπιφάνειας των δύο φάσεων. Δηλαδή μέσα σε ένα αέριο και ένα υγρό υμένιο που βρίσκονται σε επαφή. Τα υμένια αυτά έχουν δύο ιδιότητες, σύμφωνα πάντα με το πρότυπο:

36

PgA διεπιφάνεια Cbulk B

PiA CiA

CA

Αέριο Υγρό Το ρευστό τους είναι στάσιμο, δηλ. η μάζα μέσα τους κινείται μόνο με διάχυση. Μέσα στην περιοχή των υμενίων ισχύουν μόνιμες συνθήκες, δηλ. τα προφίλ συγκεντρώσεων των

διαφόρων ουσιών είναι χρονικώς αμετάβλητα. Έχουμε λοιπόν σε επαφή δύο φάσεις, μια υγρή και μία αέριο (βλ. σχήμα).

Έστω ότι η μερική πίεση του απορροφώμενου αερίου Α, στον κύριο όγκο της αέριας φάσης είναι PgΑ,

και στην διεπιφάνεια των φάσεων (πλευρά του αερίου) είναι PiΑ. Τότε στην διεπιφάνεια των φάσεων

(πλευρά του υγρού) η συγκέντρωσή του θα είναι CiΑ , σε ισορροπία με την αέριο πλευρά δηλ.

He

PC iA

iA (10)

όπου He ο συντελεστής κατανομής του Henry (ως προς τη συγκέντρωση και όχι ως προς το μοριακό κλάσμα). Στην κύρια μάζα του υγρού δηλ. σε πρακτικά άπειρη απόσταση από την διεπιφάνεια, η συγκέντρωση του Α θα είναι CA Μέσα στη υγρή φάση υπάρχει και ένα μη πτητικό συστατικό Β το οποίο αντιδρά με το Α. Η ανάλυση που ακολουθεί βασίζεται στις εξής παραδοχές : 1. Η αντίσταση του αερίου στην μεταφορά του Α, είναι αμελητέα, άρα δεν υπάρχει βαθμίδα μερικής πίεσης του Α (PiΑ = PgΑ )

2. H αντίδραση είναι μονόδρομη, μηδενικής τάξης ως προς το Β. Tο συστατικό Α περνά από την αέριο στην υγρή φάση με έναν ορισμένο ρυθμό. Ο ρυθμός αυτός (ΝΑ),

είναι moles του Α που διαβαίνουν στην υγρή φάση, ανά μονάδα χρόνου και εμβαδού διεπιφάνειας των φάσεων και μπορεί να εκφραστεί (για την φυσική απορρόφηση) ως:

)C(CkN AiAoLA (11)

"αγωγιμότητα" διαφορά συγκέντρωσης (δυναμικό)

Ο όρος της "αγωγιμότητας" είναι ο γνωστός μας συντελεστής μεταφοράς μάζας για το υγρό και ενσωματώνει όλους τους άλλους παράγοντες (εκτός της διαφοράς συγκέντρωσης), που καθορίζουν την τιμή του ΝΑ. Εμπειρικές συσχετίσεις για την τιμή του υπάρχουν στην βιβλιογραφία οπότε μπορούμε να την

θεωρούμε στο εξής γνωστή. Ας υποθέσουμε τώρα ότι η ουσία Β, η οποία αντιδρά με το Α προς προϊόν Γ :

Α + zΒ ψ (12) με βάση μια κινητική της μορφής: n

AnA C kr (ρυθμός κατανάλωσης του Α).

37

Προφανώς, όταν έχουμε απλώς φυσική απορρόφηση του Α, η κατάσταση διαφέρει σημαντικά από το να έχουμε απορρόφηση και συγχρόνως αντίδραση. Δηλαδή οι συντελεστές μεταφοράς μάζας θα διαφέρουν στις δύο περιπτώσεις κατά έναν παράγοντα Ε:

E = kL / kLO

(13)

όπου kL και kLO συντελεστές μεταφοράς μάζας κατά την απορρόφηση με ή χωρίς χημική αντίδραση

αντίστοιχα. Δηλαδή όταν έχουμε και χημική αντίδραση ισχύει :

)C(C ΕkN AiAoLA (14)

Ο παράγοντας E λέγεται παράγοντας ενίσχυσης και η τιμή του εξαρτάται μεταξύ άλλων, και από τις παραμέτρους του εγγενούς ρυθμού kn και n.

Αν γράψουμε το ισοζύγιο μάζας για το Α σε ένα στοιχειώδη όγκο υγρού, θα έχουμε:

- 0rt

CCuCD A

AAA

2Aυ

(15)

Δηλ. διάχυση + ροή (συναγωγή) + συσσώρευση + αντίδραση = 0 Ομως σύμφωνα με το πρότυπο μας, μέσα στο υμένιο ροή = 0, συσσώρευση = 0 Οπότε η εξίσωση για την ουσία Α γίνεται:

nAnA

2Aυ Ck=CD (16)

Η αντίστοιχη εξίσωση μπορεί να γραφεί και για την ουσία Β :

nAnB

2Bυ CzkCD (17)

Οι εξισώσεις αυτές δεν είναι τίποτε άλλο από ισοζύγια μάζας για το Α και το Β, γραμμένα για ένα στοιχειώδη όγκο υγρού μέσα στο υγρό υμένιο. Αν λύσουμε τις εξισώσεις αυτές θα έχουμε την μορφή του προφίλ των συγκεντρώσεων των Α και Β μέσα στο υμένιο δηλ. τις ακριβείς μορφές των συναρτήσεων CA(y και CB(y) (Οι οποίες παρουσιάζονται πρόχειρα σχεδιασμένες και στο σχήμα.) Tην τιμή του Ε μπορούμε να την συσχετίσουμε με το προφίλ συγκέντρωσης του Α μέσω της (14), διότι :

0y

AAυA y

CDN

(18)

Oι οριακές συνθήκες για την λύση των διαφορικών εξισώσεων (16) και (17) είναι οι εξής :

38

bulkBBA

BiAA

CC0Cy

);(0y

C καιCC0y

Με βάση την θεωρία των δύο υμενίων οι Hikita και Asai έκαναν όλη αυτή την εργασία που περιγράφεται παραπάνω, και προσδιόρισαν ότι ο παράγοντας ενίσχυσης για την περίπτωση που εξετάζουμε, θα δίνεται από τον τύπο :

:

Aυ

1niAn

oL

Aυ

D1)(n

Ck2

k

Dγ

γtanh

γE

Από τη βιβλιογραφία (He: Perry 6th edition solubilities) αντλούμε τις ακόλουθες εμπειρικές σχέσεις που ισχύουν για τη θερμοκρασία και τις λοιπές συνθήκες του πειράματος.

kLo * α = 0.002*(W / VL)0.7 * Vg

0.2

όπου: α η ειδική διαφασική επιφάνεια σε (m2/m3) W η ισχύς που παρέχεται από τον αναδευτήρα στο διάλυμα σε (Watt) VL ο όγκος του διαλύματος σε (m3) Vg η φαινόμενη ταχύτητα του αέρα σε (m/s,. Vg=Q/(π r2). kL

o συντελεστής μεταφοράς μάζας σε συνθήκες φυσικής απορρόφησης σε (m/s).

0.6AB

1/28

V*n

TMB)*(φ10*7.4

2OD

2OD συντελεστής διάχυσης του Ο2 cm2/s

MB μοριακό βάρος διαλύτη (Η2Ο) Τ θερμοκρασία σε Κ ηΒ ιξώδες διαλύτη (H2O) σε cP στη θερμοκρασία πειράματος (Perry 6th edition) VA μολαρικός όγκος του διαλελυμένου σώματος στο κανονικό σημείο βρασμού (25.71 cm3/mol) φ σταθερά που καλείται παράγων συσχέτισης για τον διαλύτη (2.6 για το νερό)

Documents

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ FYLLADIO_2015_re… · J.M. Smith «Μηχανική Χημικών ... Mc Graw - Hill, New York, 1970 3. Shah Y.T ... 3. O. Levespiel,