PLAZMOWY ROZKŁAD LOTNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 YDZIŁ HMIZNY POLITHNIKI RSZSKIJ ZKŁD THNOLOII NIORNIZNJ I RMIKI Laboratorium PODSTY THNOLOII HMIZNJ Instrukcja do ćwiczenia pt. PLZMOY ROZKŁD LOTNYH ZIĄZKÓ ORNIZNYH Prowadzący: dr inŝ. ogdan Ulejczyk

2 STĘP Do głównych metod zmniejszania emisji toksycznych związków stosowanych obecnie w skali przemysłowej naleŝą: spalanie bezpośrednie, spalanie katalityczne, kondensacja, adsorpcja na węglu aktywnym, metody absorpcyjne oraz metody biologiczne. ymienione powyŝej metody nie gwarantują jednak całkowitego rozkładu tych substancji, a takŝe wymagają duŝych nakładów finansowych związanych z budową urządzeń i prowadzeniem procesu. łówne problemy, które występują w stosowanych metodach to duŝe przepływy masowe (metody biologiczne), niskie stęŝenia związków toksycznych w gazach i wysoka temperatura procesu (metody spaleniowe). trakcyjną metodą ze względu na moŝliwość uzyskiwania wysokiego stopnia przemiany toksycznych związków jest katalityczne spalanie na warstwie katalizatora. Zaletą tej metody jest moŝliwość stosowania niskich stęŝeń substancji rozkładanej i niska temperatura procesu, co jest bardzo waŝne z uwagi na moŝliwość powstawania innych równieŝ toksycznych produktów rozkładu. Niestety nakłady związane z produkcją i eksploatacją katalizatora jak i jego czułość na tzw. trucizny zawarte w oczyszczanym gazie powoduje, Ŝe poszukuje się innych metod. ostatnich latach pojawiło się wiele prac, w których wykorzystuje się zjawiska elektroplazmowe do zmniejszania emisji toksycznych związków chemicznych. Stosowanie tego typu metod ma w wielu przypadkach uzasadnienie ekonomiczne, mimo znacznych kosztów energii elektrycznej uŝytej do wytwarzania plazmy. Obecnie prowadzone są badania nad zastosowaniem wiązki elektronów, wyładowania jarzeniowego, koronowego, ślizgowego, cichego, mikrofalowego oraz wyładowania powierzchniowego do rozkładu zanieczyszczeń gazowych. YŁDONI KORONO 1 yładowanie koronowe powstaje w układzie, w którym występuje nierównomierność rozkładu natęŝenia pola elektrycznego, np. pręt w rurze. ówczas wokół elektrody zaczyna się jonizacja gazu, w postaci świetlistej korony. wyładowaniu tym wyróŝnia się dwie podstawowe strefy. pierwszej zachodzi jonizacja gazu w obszarze elektrody wyładowczej. Jest to tzw. strefa jonizacji. Jonizacja jest skutkiem zderzeń elektronów z cząsteczkami gazu. Drugim obszarem jest tzw. strefa dryfu, gdzie następuje przepływ nośników bez jonizacji. Hipotetyczny mechanizm zjawisk zachodzących w reaktorze moŝna w ogólnej formie przedstawić następująco. środowisku plazmy występują nośniki energii - elektrony o energii kilku elektronowoltów, które powodują powstawanie cząstek aktywnych: atomów, rodników, wzbudzonych molekuł, będących produktami przejściowymi wielu moŝliwych reakcji. 2

3 PODSTO POJĘI STOSON DO OPISU PROSÓ HMIZNYH Stopień przemiany 2 Stopień przemiany określa, jaka część początkowej ilości substratu przereagowała w czasie trwania reakcji. Rozpatrzmy proces, w którym zachodzi tylko jedna reakcja: 11 Zakładamy, Ŝe reakcja zachodzi w reaktorze zamkniętym, tzn. nie wprowadzamy, ani nie odprowadzamy Ŝadnych składników w czasie jej trwania. Reaktor taki działa w trybie okresowym. takim reaktorze stopień przemiany X substratu w produkt moŝna określić następująco: n n 0 n 0 lub m m 0 m 0 gdzie: n0, m0 początkująca liczba moli lub początkowa masa substratu, n, m liczba moli lub masa nieprzereagowanego substratu pozostającego w układzie. NiezaleŜnie od zastosowanych jednostek (mole, kilogramy lub inne) otrzymuje się taką samą wartość stopnia przemiany, który jest liczbą niemianowaną. Rozpatrzmy teŝ przypadek, kiedy wspomniana reakcja 11 zachodzi w reaktorze przepływowym, do którego w sposób ciągły doprowadza się strumień substratu i odprowadza strumień zawierający produkt. Patrz poniŝszy rysunek: y y y y ()k gdzie,, strumień substratu na wlocie do reaktora (wyraŝony odpowiednio w mol/s lub w kg/s),,,, strumień substratu i produktu w dowoln1ym miejscu wewnątrz reaktora, 3

4 4 y, y, y, y strumień nieprzereagowanego substratu i produktu odprowadzanego z reaktora, stopień przemiany, k końcowy stopień przemiany. miarę jak strumień reagentów przemieszcza się wzdłuŝ reaktora, stopień przemiany wzrasta, a jego wartość w dowolnie obranym miejscu reaktora moŝna przedstawić jako: Końcowy stopień przemiany wyraŝa się jako ) ( Y k ) ( Y k Jeśli równanie ma postać + to definiuje się stopień przemiany dla kaŝdego z obu substratów () oraz (), przy czym na ogół ) ( ) (, z wyjątkiem przypadku, gdy stosunek ilości substratów i jest stechiometryczny. Jeśli substrat maŝe ulęgać kilku równoczesnym, ale niezaleŝnym od siebie reakcjom chemicznym: to definiuje się stopień przemiany dla kaŝdej reakcji i ) ( ) (. Postęp poszczególnych reakcji wynika z ich kinetyki, a więc ich udział w procesie moŝe by róŝny, zaleŝnie od warunków procesu. Jeśli równanie ma postać + y z to zdefiniować stopnie przemiany w oraz w. Dla ogólnego wzoru na stopień przemiany współczynniki stechiometryczne równania reakcji nie maja znaczenia. JeŜeli chcemy wykorzystać przy obliczaniu stopnia przemiany strumień produktu reakcji to naleŝy uwzględniając współczynniki stechiometryczne reakcji. Y z Y

5 Y y Y z Szybkość reakcji 2 Podstawową wielkością, opisującą dynamikę procesu chemicznego jest szybkość zachodzących reakcji. Szybkość reakcji określa się jako ilość przetworzonego substratu lub ilość wytworzonego produktu, w ciągu jednostki czasu i w jednostce objętości układu. Jeśli δn R oznacza liczbę moli substratu, który przereagował w czasie δτ (lub liczbę moli produktu powstałego w tym czasie), v r jest czynną objętością reaktora m 3, to szybkość reakcji moŝna wyrazić jako 1 δnr r ± v δt r mol 3 m s dy proces biegnie w układzie przepływowym i znajduje się on w stanie stacjonarnym (wszystkie parametry są niezmienne w czasie). JeŜeli w układzie zachodzi reakcja, to ubytek substratów jest uzupełniany przez strumień (substratów) wchodzący do reaktora, a wytworzone produkty i nieprzereagowane substraty są odprowadzane w strumieniu Y wychodzącym z reaktora. takim wypadku ilość substratów w reaktorze nie zmienia się w czasie, czyli dn/dτ 0. ynika z tego, Ŝe dla układu przepływowego o zupełnym wymieszaniu reagentów w warunkach stanu stacjonarnego średnią szybkość reakcji moŝna obliczyć następującym wzorem y r v r (1 ) r v PRTUR Schemat aparatury i układu elektrycznego do prowadzenia badań rozkładu związków zawierających chlor w wyładowaniu koronowym przedstawiono na rysunku 1 r Rys. 1.Ogólny schemat aparatury: 1 masowe regulatory przepływu gazów roboczych 2 - płuczka z rozkładanym związkiem 3,6 pobór gazów do analizy; 4 reaktor; 5 filtr; 7 zawór trójdroŝny; 8 płuczka z roztworem KI do oznaczania chloru łównym elementem aparatury jest reaktor. Na rys. 2 przedstawione są dwa typy reaktorów, z których jeden będzie zastosowany do przeprowadzenia doświadczenia. 5

6 Rys. 2 Reaktory do wyładowań koronowych: 1 elektroda wysokonapięciowa, 2 elektroda uziemiona, 3 wlot gazu, 4 wylot gazu, 5 korpus kwarcowy. Proces prowadzi się pod ciśnieniem atmosferycznym. azy reakcyjne kieruje się kwarcową dyszą lub przez porowatą rurą (3) do reaktora (rys.2). Do reaktora doprowadzane jest napięcie z zasilacza impulsowego. zęstość powtarzania impulsów jest regulowana. Moc impulsu wyładowania oblicza się jako całka z iloczynu napięcia i natęŝenia prądu w impulsie. Średnią moc wyładowania oblicza się jako iloczyn częstości powtarzania impulsów i mocy impulsu. Zawartość rozkładanego związku w gazach doprowadzanych do reaktora i w gazach po reakcji oznacza się chromatografem z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym (FID). Na podstawie tych oznaczeń oblicza się całkowity stopień przemiany. StęŜeń produktów reakcji często nie moŝna określić chromatografem z FID, wówczas stosuje się inne metody określenia stęŝenia tych produktów. Na przykład, stęŝenia O i O 2 określane są chromatografem z TD lub spektroskopem FTIR. JeŜeli rozkładane są związki zawierające chlor to zawartość l 2 i Hl wyznacza się metodą jodometryczną i alkacymetryczną. Na podstawie tych oznaczeń oblicza się stopień przemiany do poszczególnych produktów. yniki otrzymanych badań naleŝy przedstawić w postaci zaleŝności stopni przemiany od wartości średniej mocy wyładowania oraz w postaci zaleŝności szybkości reakcji od mocy. 6

7 SZZÓŁOY L ĆIZNI adania prowadzone w ramach ćwiczenia są elementem prac badawczych prowadzonych w Zakładzie Technologii Nieorganicznej i eramiki nad opracowaniem technologii rozkładu lotnych związków organicznych. elem ćwiczenia jest wyznaczenie: a) całkowitego stopnia przemiany w funkcji mocy, b) stopni przemiany do poszczególnych produktów, c) wyznaczenie szybkości reakcji. SPOSÓ OPRONI I NLIZ YNIKÓ 1. Na podstawie uzyskanych wyników analizy chromatograficznej obliczyć całkowity stopień przemiany rozkładanego związku. 2. Obliczyć stopnie przemiany rozkładanego związku do poszczególnych produktów reakcji. 3. ykonać wykres zaleŝności stopni przemiany od średniej mocy wyładowania. 4. yznaczyć zaleŝność szybkość reakcji rozkładu od średniej mocy wyładowania i wykonać wykres. OMÓINI ZSD HP I PRZIPOśROYH 1. szystkie czynności związane z montaŝem aparatury naleŝy prowadzić po wyłączeniu napięcia zasilającego i przepływu gazu. 2. Szczególną ostroŝność zachować pobierając gazy do analizy. 3. szelkie usterki pracy reaktora i układu elektrycznego zgłosić prowadzącemu. 4. adania, ze względu na powstawanie toksycznego chloru naleŝy prowadzić pod sprawnym wyciągiem. 5. razie niebezpieczeństwa natychmiast wyłączyć zasilanie układu elektrycznego. LITRTUR 1 Z. eliński, Plazma, PN, arszawa K. Schmidt-Szałowski, J. Sentek, Jraabe,. obryk Podstawy technologii chemicznej, OP, arszawa

8 Data. Nr nergia zęstość Przepływ Początkowa Końcowa Temperatura impulsu gazu zawartość zawartość ścianki.. reaktora Nr Moc wyładowania, esubstratu, mol/h ysubstratu, mol/h Xcałkowity, % r, mol/dm 3