1 - Určení počtu převodových jednotek absorpční kolony I Základní vztahy a definice Absorpce je proces sdílení hmoty, při kterém přechází jedna nebo i více složek z fáze plynné do fáze kapalné. Využívá se např. k čištění odpadních plynů (vypíraní chloru roztokem hydroxidu sodného, oxidu siřičitého hydroxidem amonným) nebo v potravinářském průmyslu při výrobě nápojů sycených oxidem uhličitým. Při absorpci může jít o čistě fyzikální rozpouštění plynné složky v kapalině, děj však může být provázen i chemickou reakcí absorbovaného plynu s některou složkou kapalné fáze (příkladem je např. absorpce NO2 do vody při výrobě HNO3). Zařízení pro absorpci mohou být míchané probublávané nádoby, kolony se stupňovým kontaktem fází (patrové kolony) a často používané kolony se spojitým stykem fází (sprchové, probublávané nebo výplňové kolony). Společným požadavkem na všechna tato zařízení je zajištění dostatečného kontaktu mezi plynnou a kapalnou fází, což umožní dosáhnout účinnou separaci v co nejmenším absorpčním zařízení. V laboratoři procesního inženýrství se seznámíte s výplňovou absorpční kolonou, kde dochází k absorpci oxidu uhličitého do vody. Jako výplň jsou použity Raschigovy kroužky. Kolona pracuje v protiproudém kontinuálním režimu, kdy shora dolů stéká voda, směrem vzhůru proudí směs vzduchu a oxidu uhličitého a v kapalném filmu na povrchu výplně dochází k absorpci CO2 ze vzduchu do vody. Základem výpočtu absorpčních zařízení je látková bilance, rovnovážný vztah a případně vztahy popisující kinetiku sdílení hmoty. Při výpočtech bude zanedbána rozpustnost vzduchu ve vodě a odpařování vody do vzduchu. Za tohoto předpokladu bude v absorpční koloně docházet pouze k rozpouštění CO2 ve vodě. Absorpci CO2 ve vodě lze považovat za čistě fyzikální absorpci bez chemické reakce. V dalším textu bude použito značení složek: A – CO2, B – suchý vzduch, C – voda. Popis rovnováhy Rozpustnost CO2 ve vodě je popsána Henryho zákonem
pA = H A xA
HCO2 = 1,44.108 Pa (H2O, 20°C)
(1)
kde pA je parciální tlak CO2, HA Henryho konstanta a xA rovnovážný molární zlomek CO2 v kapalné fázi. Jak je vidět z vysoké hodnoty Henryho konstanty, oxid uhličitý je ve vodě špatně rozpustný a rovnováha je popsána Henryho zákonem až do poměrně vysokých parciálních tlaků CO2 (do pA = 400 kPa) [1]. Předpokládáme-li ideální chování a platnost Daltonova zákona, lze rovnovážný vztah mezi složením kapalné a plynné fáze zapsat ve tvaru:
yA =
HA xA p
(2)
kde yA je rovnovážný molární zlomek CO2 v plynné fázi a p je celkový tlak. Henryho koeficient závisí na teplotě. Za předpokladu izotermní absorpce (předpoklad je pro malé změny koncentrace CO2 oprávněný) platí HA = konst. Pokles tlaku při průchodu plynu absorbérem je ve srovnání s hodnotou celkového tlaku malý, takže i hodnotu tlaku lze považovat za konstantní. Z toho plyne, že rovnovážný součinitel ψA =HA/p = konst. Rovnovážný vztah (2) vyjádřený pomocí relativních zlomků má tvar: 1
YA H XA = A YA + 1 p X A +1 YA = ψ A
(3)
XA 1 + X A .(1 − ψ A )
(4)
Rovnovážný vztah (4) je obecně nelineární, někdy jej lze v rozmezí koncentrací na vstupu a výstupu z absorbéru považovat za lineární tj. platí: Y A = ψ ′A X A + b XAi ≤ XA ≤ XAe
(5)
Látková bilance protiproudé absorpce Látkovou bilanci zapíšeme v relativních zlomcích. Definujeme relativní molární zlomek A v plynné fázi (YA) a kapalné fázi (XA) vztahem 6: YA =
n&A n&B
XA =
n& A n&C
(6)
Zavedené značení vyplývá z bilančního schématu protiproudé absorpční kolony (obrázek 1). YAe n& B
YAi n& B
XAe n&C
n& B
tok látkového množství suchého vzduchu
n& c
tok látkového množství H2O
XAi
relativní molární zlomek složky A v kapalině na vstupu do kolony
XAe
relativní molární zlomek složky A v kapalině na výstupu z kolony
YAi
relativní molární zlomek složky A v plynu na vstupu do kolony
YAe
relativní molární zlomek složky A v plynu na výstupu z kolony
XAe n&C
Obrázek 1. Bilanční schéma kontinuální protiproudé absorpce Látková bilance CO2 pro celý absorbér zapsaná pomocí relativních molárních zlomků má tvar: n&C X Ai + n& BYAi = n&C X Ae + n&CYAe
(7)
Vzhledem k malé rozpustnosti CO2 lze zanedbat změny průtoku obou fází kolonou a platí: n& l = konst., n& g = konst. Absorpce v koloně s výplní Množství absorbovaného CO2 je přímo úměrné hybné síle procesu (koncentračnímu gradientu), celkové mezifázové ploše a nepřímo úměrné odporu vůči přenosu hmoty. Tuto skutečnost vyjadřuje rovnice prostupu hmoty zapsaná pro diferenciální úsek absorbéru: dn& A = K Y as S (YA − YA* ) dh
YA* = ψ ′A X A
(8) 2
kde n& A je tok látkového množství přecházející složky A (CO2), KY koeficient prostupu hmoty, as hustota smočeného povrchu výplně, S průřez vrstvy výplně, YA* je relativní molární zlomek CO2 v plynu rovnovážný s koncentrací CO2 v kapalině v daném průřezu kolony, h výška výplně. Obdobný vztah lze zapsat pro koncentrační gradient vyjádřený pomocí koncentrací v kapalné fázi X A − X A* a odpovídající koeficient prostupu hmoty označit KX. Při výpočtu obvykle používáme koncentrace té fáze, v níž převládá odpor proti absorpci. V případě absorpce CO2 ve vodě je převládající odpor v plynné fázi, proto jsou v dalším použity relativní molární zlomky CO2 v plynné fázi. Odpor vůči přenosu hmoty 1/KY je součtem dílčích odporů v plynné a kapalné fázi: 1 1 ψ A/ = + KY kY k X
(9)
kde ky, kx jsou koeficienty přestupu hmoty v plynné a kapalné fázi. Pro celkovou mezifázovou plochu A v celé vrstvě výplně vyplývá z rovnice (8) vyjádření: A = as S h
(10)
Stanovit, na jaké části povrchu náplně se skutečně vytváří stékající film kapaliny a tedy jaký je skutečný povrch styku fází, je obtížné. Proto se v praxi často používá tzv. objemový součinitel prostupu hmoty KY as, ve kterém je rychlost sdílení hmoty vztažena k objemové jednotce vrstvy výplně. Lze-li rovnováhu přibližně popsat lineárním vztahem (5), lze určit výšku vrstvy výplně h ze vztahu: h = H Y NY
(11)
kde HY označuje výšku převodové jednotky a NY počet převodových jednotek. Pro určení výšky převodové jednotky a počtu převodových jednotek existuje několik postupů. Zde použijeme tzv. metodu střední hnací síly: HY =
n& B K Y as S
(12)
NY =
YAi − YAe , (YA − YA∗ )ls
(13)
kde (Y A − Y A∗ ) ls je logaritmický střed hnacích sil, který vypočteme podle vztahu: (Y A − Y A∗ ) ls =
(Y Ai − Y Ai∗ ) − (Y Ae − Y Ae∗ ) Y Ai − Y Ai∗ ln Y Ae − Y Ae∗
(14)
kde Y Ae∗ je koncentrace A ve vystupujícím plynu rovnovážná s koncentrací ve vstupující kapalině, kterou vypočteme z rovnovážného vztahu jako Y Ae∗ = ψ ′A X Ai . Analogicky Y Ai∗ je koncentrace A ve vstupujícím plynu rovnovážná s koncentrací ve vystupující kapalině, Y Ai∗ = ψ ′A X Ae . Pro výpočet objemového součinitele prostupu hmoty, jehož určení je mimo jiné cílem této úlohy, známe výšku výplně absorpční kolony h a koncentrace CO2 v obou vstupních a 3
výstupních proudech (XAi, XAe, YAi, YAe), což umožňuje stanovit počet převodových jednotek podle vztahu (13) a následně výšku převodové jednotky podle vztahu (11). Objemový součinitel prostupu hmoty KY as určíme pak ze známé hodnoty HY podle vztahu (12). Další z metod výpočtu výplňových absorpčních kolon využívá výšky ekvivalentní rovnovážnému stupni. Je to především v návaznosti na simulační programy (např. Aspen Plus, jehož licenci máme na VŠB-TUO). Tyto programy standardně charakterizují velikost separačních zařízení počtem rovnovážných stupňů. Výpočet výšky výplně h pomocí počtu rovnovážných stupňů vychází ze vztahu h=
∑
N k =1 ek
h
(15)
kde hek je výška výplně ekvivalentní k-tému rovnovážnému ( = teoretickému) stupni (označovaná také HETP - Height Equivalent to the Theoretical Plate). Hodnoty hek se odhadují z hodnot výšky převodové jednotky HYk a absorpčního faktoru ζ Y vypočtených pro průtoky, složení fází a teploty v jednotlivých rovnovážných stupních:
hek = H Yk
ζY =
ζ Y . ln ζ Y ζ Y −1
(16)
n&C ψ A/ .n& B
(17)
V našem případě předpokládáme izotermní absorpci a konstantní toky obou fází absorbérem. Absorpční faktor (17) a výšku převodové jednotky (16) lze tedy předpokládat rovněž konstantní. Pro počet rovnovážných stupňů vyplývá ze vztahu (15): N=
h hek
(18)
II Cíl práce 1. Provést látkovou bilanci procesu. Pro účel látkové bilance titračně stanovte obsah CO2 ve vodě na vstupu a výstupu z absorpční kolony. Koncentrace CO2 v plynné fázi změřte infračerveným analyzátorem. 2. Stanovit separační schopnost kolony vyjádřenou počtem převodových jednotek a výškou převodové jednotky a dále počtem rovnovážných pater a výškou ekvivalentní rovnovážnému patru. 3. Stanovit hodnotu objemového součinitele prostupu hmoty. 4. Graficky znázornit závislosti HY, hek a KYas na mimovrstvové rychlosti obou fází.
III Popis zařízení Základem stanice absorpce (obrázek 2) je náplňová kolona s potrubními linkami pro přívod vody, vzduchu a CO2 vybavená potřebnými regulačními a měřicími prvky a kontinuální 4
analýzou CO2 v plynné fázi. Stanovení rozpuštěného CO2 ve vodě je prováděno diskontinuálně odměrnou analýzou. Absorpční kolona je tvořena trubkou z průmyslového skla o délce 1,5 m a vnitřním průměru 8 cm a je vyplněna skleněnými Raschigovými kroužky (8x8x1) mm. Voda ke zkrápění kolony je přes uzavírací kohout D3 odebírána z centrálního rozvodu a vedena do zásobní nádrže Z vybavené teploměrem T. Ze zásobní nádrže je kapalina čerpána na hlavu kolony, průtok vody je regulován jehlovým ventilem C1 a měřen rotametrem F1 (110 l min-1). Tlakový vzduch je odebírán z kompresoru V, přes filtry W1 a W2 (odstraňující olej a vlhkost), jeho průtok je regulován ventilem C2 a měřen rotametrem F2 (rozsah 10-180 l min1 ). Dále do aparatury je vzduch veden přes uzavírací ventil D5. Oxid uhličitý je odebírán z tlakové láhve 1, jeho průtok je regulován jehlovým ventilem C3 a měřen rotametrem F3 (rozsah 1-15 l min-1). Oxid uhličitý je přes uzavírací kohout D4 přiváděn do potrubí se vzduchem, vzniklá plynná směs je pak vedena k patě absorpční kolony. Voda stéká kolonou směrem dolů, plyn proudí v opačném směru. Po průchodu vrstvou výplně je voda obsahující absorbovaný CO2 odváděna přes kohout D1 do kanalizace. Odběrná místa pro kapalné vzorky jsou umístěna na vstupu a výstupu z kolony a opatřena jehlovými ventily S4 (výstup) a S6 (vstup). Vzduch ochuzený o CO2 odchází z hlavy kolony do odpadu. V hlavě kolony je rovněž umístěno odběrové místo pro stanovení koncentrace CO2 ve vystupujícím vzduchu opatřené jehlovým ventilem S2. Pro analýzu CO2 v plynu vstupujícím do kolony slouží odběrové místo opatřené jehlovým ventilem D6. Plynný vzorek je dopravován čerpadlem vzorku přes úpravnu B (odstranění vlhkosti a případného aerosolu) a trojcestnými ventily G1 a G3 do infračerveného analyzátoru CO2. Trojcestný ventil G1 umožňuje přivádět do analyzátoru buď plynný vzorek k analýze, nebo kalibrační plyny pro justování analyzátoru. Trojcestný ventil G3 umožňuje přivádět do analyzátoru přes ventil G1 buď plyn vstupující do kolony nebo z kolony vystupující. Popis postupu práce s analyzátorem CO2 je uveden v Příloze 2.
IV Postup práce Příprava měření Než přistoupíme k vlastnímu měření absorpce CO2 v náplňové koloně, je třeba provést následující přípravné práce a výpočty: 1) Zapneme analyzátor CO2 a kompresorovou chladničku určenou pro sušení plynného vzorku do zásuvky (na stěně napravo vedle aparatury). Analyzátor je připraven k měření po temperaci, která trvá přibližně 20 min. 2) Ze zadané hodnoty vstupní koncentrace CO2 spočteme objemové průtoky CO2 a zapíšeme je pro jednotlivé experimenty do tabulky 2. 3) Přesvědčíme se, že kohouty C4 a D6 jsou uzavřeny a kohout D1 je otevřen. Měření absorpce CO2 v náplňové koloně Princip měření spočívá ve sledování poklesu koncentrace CO2 ve vzduchu po průchodu vrstvou zkrápěné výplně. Než se vytemperuje analyzátor CO2, připravíme stanici k experimentu při první dvojici zadaných průtoků vody a vzduchu a vypočteném průtoku CO2. 5
Pustíme do absorpční kolony vzduch. Připojíme kompresor do zásuvky. Ujistíme se, že ventil na kompresoru ukazující výstupní tlak je zavřený (tj. zcela vyšroubovaný ven). Vysuneme červený přepínač na kompresoru a kompresor se začne tlakovat. Po natlakování kompresoru otevřeme na přívodním potrubí vzduchu jehlový ventil C2 a uzavírací ventil D5. Ventil regulující výstupní tlak vzduchu z kompresoru pomalu otevíráme (= zašroubováním dovnitř) tak dlouho, až je možné jehlovým ventilem C2 na rotametru nastavit požadovaný průtok vzduchu. Pustíme do absorpční kolony vodu. Přesvědčíme se, že je povolen jehlový ventil regulace průtoku vody C1 a spustíme čerpadlo kapaliny vypínačem na přívodní šňůře. Nastavíme požadovaný průtok vody. Můžeme pozorovat postupné plnění výtlačného potrubí čerpadla a následné zkrápění výplně. Při otevřeném kohoutu D1 voda z kolony odtéká do odpadu. Nastavíme průtok vody z centrálního rozvodu kohoutem D3 tak, aby v zásobní nádrži byla udržována konstantní hladina. Odměrnou analýzou zjistíme obsah oxidu uhličitého ve vodě vstupující do kolony (odběrové místo S6). Měření provedeme 5x. Postup odměrné analýzy je uveden v Příloze 1. Pokud již je analyzátor CO2 vytemperován na provozní teplotu, můžeme zahájit jeho justování. Postup je uveden v Příloze 2. Po justování přepneme trojcestný ventil G2 do polohy „Měření“, zapneme čerpadlo plynného vzorku umístěné před vstupem do analyzátoru a nastavíme parametry snímání dat z analyzátoru dle popisu v Příloze 2. Ověříme, že jsou otevřeny ventily C3 a D4 v trase CO2 a za dozoru asistenta pustíme z tlakové láhve oxid uhličitý, po té jeho průtok nastavíme jehlovým ventilem C3 na rotametru na požadovanou hodnotu. Nejprve změříme koncentraci CO2 na vstupu do kolony. Trojcestný ventil G3 (zezadu stolku s analyzátorem) dáme do polohy KOLONA-VSTUP a otevřeme jehlový ventil D6. Po 50-100 s (dopravní zpoždění) se začne měnit koncentrační údaj CO2 v grafickém záznamu analýzy CO2 na PC. Počkáme na ustálení a zapíšeme 5 koncentračních údajů v rozmezí cca 30 s. Koncentraci CO2 na vstupu určíme jako průměr z naměřených hodnot. Po té změříme koncentraci na výstupu z kolony. Uzavřeme jehlový ventil D6 a trojcestný ventil G3 dáme do polohy KOLONA-VÝSTUP. Po ustálení hydrodynamických poměrů v koloně, které trvá 2-3 min (a je mimo jiné indikováno ustálením poloh hladin v manometru U), počkáme na ustálení signálu CO2 na analyzátoru a zapíšeme 5 koncentračních údajů v rozmezí cca 30 s. Koncentraci CO2 na výstupu určíme jako průměr z naměřených hodnot. Základní podmínkou pro dosažení ustáleného stavu je konstantnost vstupních parametrů. Dané průtoky médií je proto třeba po celou dobu měření pečlivě sledovat a udržovat! Odebereme vzorek kapaliny na výstupu z kolony (odběrné místo S4) a stanovíme odměrnou analýzou koncentraci CO2 postupem uvedeným v Příloze 1. Stanovení provedeme 5x. Tímto je ukončeno měření pro první trojici hodnot průtoků vody, vzduchu a CO2 (měření č. 1). Nastavíme další trojici hodnot průtoků vody, vzduchu a CO2 a měření opakujeme s výjimkou odměrného stanovení obsahu CO2 ve vodě na vstupu a výstupu z kolony.
6
Ukončení měření Po skončení měření zavřeme tlakovou láhev s CO2 a uzavřeme jehlový ventil C3 a uzavírací ventil D4. Vypneme čerpadlo plynného vzorku. Zastavíme přítok vody do stanice, vypneme čerpadlo vody a vypustíme zbylou vodu z nádrže. Uzavřeme kohout D1. Vypneme kompresor a uzavřeme jehlový ventil C2 a uzavírací ventil D5. Vypneme nejdříve PC a pak analyzátor CO2 a kompresorové sušení.
V Bezpečnostní opatření 1. Spuštění kompresoru vzduchu je možné provést pouze v přítomnosti asistenta. 2. Manipulaci s redukčními ventily tlakových lahví provádí asistent. 3. Před vpuštěním CO2, vzduchu a vody do aparatury vždy zkontrolujte, že tekutiny mají kam téci tzn., že jsou otevřeny jehlové ventily C1, C2, C3 na rotametrech a uzavírací ventily D4, D5. V opačném případě hrozí PRASKNUTÍ SKLENĚNÝCH TRUBIC ROTAMETRŮ! 4. V průběhu měření vizuálně kontrolujte případný únik vody, který ihned ohlaste.
VI Zpracování naměřených hodnot Naměřené hodnoty se zapisují průběžně do tabulky 2 a použijí se ke zpracování následujících úkolů: 1. Sestavení látkové bilance procesu pro první měřenou trojici hodnot průtoků vody, vzduchu a CO2 (měření č. 1). Naměřenou koncentraci CO2 ve vodě vystupující z kolony (XAe) porovnáme s koncentrací CO2 vypočtenou z látkové bilance. Výsledky výpočtu zaznamenejte do tabulky 3, příklad výpočtu uveďte v tabulce 4. 2. Určení rovnovážného součinitele ψ ′A v rozmezí koncentrací XAi ≤ XA ≤ XAe graficky lineární regresí. 3. Pro absorpci CO2 při dalších zadaných hodnotách průtoků vody, vzduchu a CO2, stanovte: −
Separační schopnost kolony vyjádřenou počtem převodových jednotek a výškou převodové jednotky.
−
Separační schopnost kolony vyjádřenou počtem rovnovážných pater a výškou ekvivalentní rovnovážnému patru.
−
Hodnotu objemového součinitele prostupu hmoty.
4. Při těchto výpočtech použijte hodnotu koncentrace CO2 ve vodě na vstupu do kolony (XAi) stanovenou odměrnou analýzou na začátku měření. Koncentraci CO2 v plynu na vstupu (YAi) a výstupu z absorpční kolony (YAe) určete z naměřených údajů analyzátoru CO2. Koncentraci CO2 ve vodě na výstupu (XAe) dopočtěte z látkové bilance a porovnejte s hodnotou určenou pomocí odměrné analýzy. Výsledky výpočtu zaznamenejte do tabulky 3. 5. Závislosti HY, hek a KYas na mimovrstvové rychlosti vzduchu a vody znázorněte graficky. Vyhodnoťte vliv změny průtoku obou fází na separační schopnost absorpční kolony. 7
Součásti protokolu: • tabulky 2, 3 a 4, • grafy - rovnováha YA = fce (XA) pro XAi ≤ XA ≤ XAe, HY = fce (vg), HY = fce (vl), hek = fce (vl), hek = fce (vg), KY as = fce(vg), KY as = fce (vl), • závěr.
VII Symboly A as b h hek HX, HY HA kY, kX KY, KX n& A n& B
celková mezifázová plocha hustota smočeného povrchu konstanta lineární rovnováhy výška absorbéru výška výplně ekvivalentní k-tému rovnovážnému stupni výška převodové jednotky prostupu hmoty Henryho konstanta koeficient přestupu hmoty koeficient prostupu hmoty tok látkového množství CO2 tok látkového množství vzduchu
(m2) (m-1) (-) (m) (m) (m) (Pa) (mol.m-2.s-1) (mol.m-2.s-1) (mol.s-1) (mol.s-1)
n& c
tok látkového množství H2O
(mol.s-1)
n& g , n&l
celkový tok látkového množství plynu a kapaliny
(mol.s-1)
N NY, NX p pA S t V&A , V&B , V&C xA XA XAi XAe yA YA Y A* YAi YAe
počet teoretických (rovnovážných) pater počet převodových jednotek prostupu hmoty atmosférický tlak parciální tlak složky A průřez kolony (vrstvy výplně) teplota objemový průtok CO2, vzduchu a vody
(-) (-) (Pa) (Pa) (m2) (°C) (m3.s-1)
ζY , ζ X
molární zlomek složky A v kapalině relativní molární zlomek složky A v kapalině relativní molární zlomek složky A v kapalině na vstupu do kolony relativní molární zlomek složky A v kapalině na výstupu z kolony molární zlomek složky A v plynu relativní molární zlomek složky A v plynu relativní molární zlomek A v plynu rovnovážný s koncentrací A v kapalině relativní molární zlomek složky A v plynu na vstupu do kolony relativní molární zlomek složky A v plynu na výstupu z kolony rovnovážný koeficient pro rovnováhu vyjádřenou v relativních zlomcích rovnovážný koeficient pro lineární rovnováhu vyjádřenou v relat. zlomcích absorpční faktor
(-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-)
Dolní indexy A B C e g i k l X Y
CO2 vzduch H2O výstup plyn vstup vztaženo ke k-tému rovnovážnému stupni kapalina vztaženo ke kapalné fázi, jejíž složení je vyjádřeno relativním molárním zlomkem složky A vztaženo k plynné fázi, jejíž složení je vyjádřeno relativním molárním zlomkem složky A
ψA ψ ′A
8
VIII Použitá literatura [1] [2] [3]
Holeček O. Chemicko-inženýrské tabulky, VŠCHT, 2001. on-line: http://www.vscht.cz/uchi/e_tabulky/index.html Míka, V. a kol. Příklady a úlohy z chemického inženýrství I. a II. díl, VŠCHT Praha, 1997. Danckwerts, P. V. Reakce v soustavě plyn-kapalina, New York: McGraw-Hill, 1970.
IX Kontrolní otázky 1)
Ukažte, kudy v aparatuře teče voda a plyn.
2)
Ukažte kulové kohouty a jehlové ventily, které musí být otevřeny než zapneme čerpadlo skrápěcí kapaliny (vody), kompresor a než otevřeme tlakovou láhev s CO2.
3)
Jaký je cíl práce?
4)
Definujte teoretické patro, HETP, převodovou jednotku.
9
odpad vzduch
voda
D3
D6
D4
D5 S4
G3
C4
G1
G2
odpad voda
Obrázek 2. Schéma stanice absorpce 1 tlaková láhev s CO2 2 tlaková láhev se vzduchem 3 tlaková láhev s kalibračním plynem G1, G2, G3 trojcestný ventil F1 rotametr pro měření průtoku vody F2 rotametr pro měření průtoku vzduchu F3 rotametr pro měření průtoku čistého CO2 C1, C2, C3 jehlové ventily pro regulaci průtoku vody, vzduchu a CO2 (mohou být součástí rotametrů) C4 jehlový ventil S2 jehlový ventil pro odběr plynných vzorků na výstupu z kolony S4 jehlový ventil pro odběr kapalných vzorků na výstupu z kolony S6 jehlový ventil pro odběr kapalných vzorků na vstupu do kolony T teploměr D1 uzavírací kohout s teflonovou kuželkou pro odtok vody D2 uzavírací kohout s teflonovou kuželkou pro vypouštění nádrže D3 uzavírací kohout s teflonovou kuželkou pro přívod vody D4, D5 kovový uzavírací kohout pro CO2 a vzduch D6 jehlový ventil pro odběr plynných vzorků na vstupu do kolony Z zásobník na vodu K skleněná kolona V kompresor pro vzduch W1, W2 filtry na vzduch Č čerpadlo pro vodu U manometr A analyzátor CO2 B úpravna vzorku plynu před analýzou CO2
10
Příloha 1 – Stanovení koncentrace CO2 ve vodě odměrnou analýzou Stanovení rozpuštěného oxidu uhličitého ve vodě se provádí titrací vzorku vody roztokem NaOH o přesné koncentraci. Jako indikátor se používá fenolftalein, který se při titraci obarví do růžova. Přesná koncentrace odměrného činidla NaOH je uvedena na zásobní láhvi. Pro výpočet koncentrace CO2 ve vodě se vychází z reakce: CO2
+
H2O
+
NaOH
→ NaHCO3
+
H2O
Pro přesnost analýzy je důležité pečlivé provedení titrace. Titrujeme za neustálého míchání, louh připouštíme z byrety pokud možno pomalu až do okamžiku, kdy se celý objem roztoku zbarví růžově. Před bodem ekvivalence kapka, která padne do roztoku, vytvoří růžový obláček a při zamíchání roztoku zmizí, v bodě ekvivalence se jednou kapkou zbarví růžově celý roztok. Růžové zbarvení vydrží cca 5 s a pak zmizí, neboť roztok absorbuje vzdušný CO2. Pokud připouštíme louh pomalu, je nebezpečí, že se v titrovaném roztoku bude absorbovat vzdušný CO2 a spotřeba louhu je pak značně vyšší než odpovídá skutečnosti. Je tedy nutné, abyste titraci prováděli okamžitě po odběru vzorků.
11
Příloha 2 – Analýza CO2 v plynné fázi infračerveným analyzátorem ULTRAMAT 23 Pro měření koncentrace CO2 ve vzduchu se používá jednosložkový analyzátor Ultramat 23 se software pro snímání a zobrazení naměřených dat Siprom GA. Analýza je založená na absorpci nerozptýleného infračerveného záření. Zeslabení záření, které závisí na vlnové délce, je mírou příslušné koncentrace plynu. Displej analyzátoru je uveden na obrázku P - 1. Při měření se na pravé straně displeje mohou objevit symboly, jejichž význam je vysvětlen v tabulce P - 1. Analyzátor je nastaven na rozsah 0 - 10 mol% CO2. Optimální průtok plynného vzorku do analyzátoru je 1 l/min.
Klávesa MEAS k okamžitému návratu do měřícího módu
Klávesa PUMP k zapínání a vypínání vnitřního čerpadla – NEPOUŽÍVAT!! Průtokoměr
Klávesy ↑→↓ pro pohyb v menu, zvyšování, snižování číselných hodnot
Klávesa CAL k justování nulového bodu vzduchem
Klávesa ENTER k vyvolání hlavního menu nebo k uložení vložených hodnot
Klávesa ESC pro posuv zpátky v menu
Obrázek P - 1. Displej analyzátoru CO2 Ultramat 23 Tabulka P - 1. Význam symbolů na displeji analyzátoru Ultramat 23 Symbol M F L ! R C P U
Význam symbolu Požadavek na údržbu Porucha, chyba Překročení mezní hodnoty Zápis poruchy, která se již nevyskytuje Provoz přes počítač Kontrolní funkce autokalibrace Čerpadlo běží Nezakódováno 12
Tento průtok je měřen rotametrem umístěným na čelním panelu přístroje. Vzorek plynu pro analýzu musí být suchý, proto před zapnutím vzorkovacího čerpadla vždy zkontrolujte, že je zapnuto kompresorové chlazení vzorku. JINAK HROZÍ POŠKOZENÍ ANALYZÁTORU. Pro správnou komunikaci analyzátoru s PC je nutnou zapnout vždy nejdříve analyzátor, pak PC. Před zahájením měření je potřeba analyzátor vždy justovat. Jedná se o nastavení přístroje tak, aby správně měřil v potřebném rozsahu v prostředí, kde má měření probíhat. V našem případě provádíme justování nulové hodnoty koncentrace a koncentrace cca 7 mol% CO2 pomocí čistého vzduchu a certifikovaného kalibračního plynu o známé koncentraci CO2. Přesná koncentrace CO2 v certifikovaném kalibračním plynu je uvedena na tlakové láhvi. Postup justování analyzátoru CO2 1.
Pokud není analyzátor zapnut, zapneme do sítě a vyčkáme, až se analyzátor nahřeje na pracovní teplotu (30 – 45 min).
2.
Po nahřátí se na displeji objeví AUTOCAL a požadavek na puštění plynu pro justování: Flow?
3.
Trojcestný ventil G2 dáme do polohy „Justování“ (obrázek P - 2).
CO 2 / N2
Justování
G1
G2
Vzduch Měření
Obrázek P - 2. Nastavení trojcestných ventilů G1 a G2 při justování nulového bodu Nejprve provedeme justování nulového bodu. 4.
Trojcestný ventil G1 přepneme do polohy „Vzduch“ (obrázek P - 2).
5.
Otevřeme hlavní uzávěr na tlakové láhvi se vzduchem a výstupní přetlak nastavíme redukčním ventilem těsně nad nulu. Jehlovým ventilem nastavíme průtok vzduchu z tlakové láhve na 1 l/min podle rotametru na čelní straně analyzátoru. 13
6. 7.
Analyzátor zaznamená průtok plynu a začne automatická kalibrace. Na displeji se objeví AUTOCAL a automatické odpočítávání času do konce kalibrace Time left Po té, co se objeví na displeji 0 % CO2, je justování nulového bodu dokončeno.
Nyní provedeme justování kalibračním plynem o známé koncentraci CO2 v N2. 8.
Trojcestný ventil G1 přepneme do polohy „CO2/N2“.
9.
Otevřeme hlavní uzávěr na tlakové láhvi se směsí CO2/N2 a výstupní přetlak nastavíme redukčním ventilem těsně nad nulu. Jehlovým ventilem nastavíme průtok vzduchu z tlakové láhve na 1 l/min podle rotametru na čelní straně analyzátoru.
10. Na klávesnici přístroje vstoupíme do MENU přes klávesu ENTER. 11. V rozbalovacích nabídkách postupně vybereme: Calibration, potvrdíme klávesou ENTER, Odkódujeme analyzátor: zadáme kód 111 a potvrdíme klávesou ENTER, Calibration IR-Chanels , potvrdíme klávesou ENTER, Calibration CO2 Start calibration MR1 +2, M1 potvrdíme klávesou ENTER. 12. Pokud je hodnota koncentrace CO2 stabilní, stiskneme ENTER, čímž je justovaní hotovo. 13. Tlačítkem MEAS se vrátíme do režimu měření, uložíme kalibraci výběrem YES a potvrdíme klávesou ENTER. 14. Zakódujeme přístroj tak, že stiskneme 2x MEAS. Analyzátor je připraven k měření. 15. Přesvědčíme se, že jsou uzavřeny tlakové láhve se vzduchem a kalibrační směsí. Nastavení parametrů snímání dat a analýza CO2 1.
Zapneme PC a otevřeme program Siprom GA V1.10.5. Z nabídky Access Authorization vybereme Maintance.
2.
V rozbalovacím menu Display zvolíme záložku Protocol Parameters, kde zadáme název souboru (např. číslo měření) a frekvenci snímání dat (2000 ms), zaškrtneme Start protokol a potvrdíme tlačítkem Ok.
3.
Pro zobrazení měřených dat na PC ve formě grafu přepneme v rozbalovacím menu Display na záložku Curve View a zvolíme záložku Curve. V tomto okamžiku začne grafické zobrazení snímaných dat, data se současně ukládají do zvoleného souboru typu .txt (na ploše PC).
4.
Po skončení měření při první trojici hodnot průtoků ukončíte snímání dat do zvoleného souboru zavřením okna s grafem naměřených dat.
5.
Pro další trojici hodnot zvolíme nový soubor podle bodu 2. POZOR, NOVÝ SOUBOR MUSÍ MÍT JINÝ NÁZEV, JINAK DOJDE K PŘEPISU DAT.
14
