 |
خنثی سازی کلر در اسکرابر
معرفی
این نرم افزار سینتیک خنثی سازی گاز کلر در محلول آب را مطالعه می کند. فرض بر این است که حجم سیال کاملاً مخلوط و ثابت است. این بدان معنی است که کلر به حالت تقریباً اشباع شده (1 × 10-2 mol/m3 ) حل شده است و هیدروکسید نیز به خوبی مخلوط شده است، همانطور که برای مقدار بسیار کمی از مایع در یک اسکرابر صدق می کند . این مطالعه امکان بررسی مقیاس زمانی واکنش ها و غلظت محصولات حاصل را فراهم می کند. مطالعه ای از این نوع می تواند برای تعیین مقدار هیدروکسید مورد نیاز برای خنثی کردن کلر و اندازه گیری یک اسکرابر کلر مفید باشد.
این مثال عملکرد رابط مهندسی واکنش موجود در ماژول مهندسی واکنش شیمیایی برای مطالعه فرآیندهای شیمیایی شامل چندین واکنش تعادلی را نشان می‌دهد.
تعریف مدل
این مدل شامل چهار واکنش است که در یک راکتور دسته ای با حجم ثابت انجام می شود. سرعت واکنش برای این واکنش ها بسیار سریع است و می توان آنها را به عنوان واکنش های تعادلی دید.
خنثی سازی کلر توسط یون های هیدروکسید:
(1)
اتویونیزاسیون آب:
(2)
تشکیل اسید هیپوکلرو در واکنش با یون های هیدروکسید:
(3)
واکنش کلر با آب:
(4)
به طور سنتی، هنگام تنظیم شرایط واکنش و موازنه جرم یک طرح واکنش، شرح کامل قانون عمل جرم مورد نیاز است. این شامل ثابت های سرعت واکنش برای هر دو واکنش رو به جلو و معکوس در مدت واکنش و توازن جرم بعدی است. در مثال حاضر، می‌توانید فرض کنید که ثابت‌های سرعت واکنش رو به جلو و معکوس برای معادله 2 و معادله 3 در دسترس نیستند و به جای آن باید از ثابت‌های تعادل استفاده کنید. این به راحتی با استفاده از رابط مهندسی واکنش به دست می آید.
داده های ترمودینامیکی و جنبشی برای سیستم در Ref. 1 و رفر. 2 . این موارد در جدول 1 در زیر آمده است .
واکنش | k f | k r | K معادله |
معادله 1 | 1.565·10 6 | 3.485·10 -5 | |
معادله 2 | 1·10 8 | ||
معادله 3 | 2.79·10 3 | ||
معادله 4 | 16.48 | 3.7·10 -10 |
هشت گونه در واکنش‌ها شرکت می‌کنند که یکی از آنها – H 2 O حلال است. پارامترهای جدول 1 برای غلظت حلال که روی واحد تنظیم شده است معتبر هستند. تنها غلظت اولیه ناپدید نشدن دیگر برای کلر در آب است که روی مقدار 1·10-2 mol /m3 تنظیم شده است . با این حال، اجتناب از غلظت صفر در طول یک مدل واکنش مشخص، همیشه مفید است، زیرا آنها اغلب در معادلات شرکت‌کننده، مانند معادلاتی که تعادل را توصیف می‌کنند، نشان داده می‌شوند. بنابراین، برخی از غلظت های دلخواه ردیابی برای گونه های دیگر وارد می شود.
نتایج
شکل 1 نمایه غلظت را در ثانیه اول واکنش نشان می دهد.
شکل 1: غلظت کلر محلول (aq)، یون هیدروژن و یون هیدروکسید در مقیاس لگاریتم در مقابل نمودار زمان لگاریتمی.
در ابتدا، کلر به سرعت از طریق فراوانی آماده یون های هیدروکسید تجزیه می شود. از طریق واکنش با یون های هیدروکسید که به نوبه خود از طریق واکنش تفکیک آب تولید می شوند، با سرعت کمتری کاهش می یابد. غلظت اولیه یون های هیدروکسید به اندازه کافی زیاد است تا محلول نهایی قلیایی را تضمین کند.
یک نتیجه اساسی که می توان از این شکل گرفت، این است که زمان تماس حداقل 150 میلی ثانیه برای کاهش غلظت کلر به سطوح زیر 10-6 mol/m3 لازم است . این مدت زمان بسیار کوتاهی در مقایسه با مقیاس زمانی مربوط به انتقال کلر به آب است.
منابع
1. CW Spalding، “سینتیک واکنش در جذب کلر به محیط آبی،” AIChE J. ، جلد. 8، نه 5، صفحات 685-689، 1962.
2. SS Ashour، EB Rinker و OC Sandall، جذب کلر به محلول های آبی بی کربنات و محلول های آبی هیدروکسید ، AIChE J.، 42، 671، 1996.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/رآکتورهای_مخزن_ایده‌آل/اسکرابر_کلرین
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، مدل از رابط مهندسی واکنش با یک مطالعه وابسته به زمان استفاده می کند. |
2 |  روی 0D کلیک کنید . |
3 | در درخت Select Physics ، Chemical Species Transport>Reaction Engineering (re) را انتخاب کنید . |
4 | روی افزودن کلیک کنید . |
5 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
6 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
7 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
با خواندن مجموعه ای از پارامترهای جهانی شروع کنید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل chlorine_scrubber_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
در این مطالعه از نوع پیش‌فرض راکتور، Batch، حجم ثابت استفاده شده است. واکنش ها برای شرایط همدما بررسی می شوند.
مهندسی واکنش (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Reaction Engineering (re) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مهندسی واکنش ، بخش تعادل انرژی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، Temp را تایپ کنید . |
4 | کلیک کنید تا قسمت Mixture Properties گسترش یابد . از لیست فاز ، مایع را انتخاب کنید . |
هر یک از واکنش ها را تنظیم کنید و پارامترهای واکنش را وارد کنید. از عبارات سرعت واکنش پیش فرض استفاده کنید.
واکنش 1
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Formula text Cl2+OH-<=>HClO+Cl- را تایپ کنید . |
4 | روی Apply کلیک کنید . |
5 | روی Balance در گوشه سمت راست بالای بخش Reaction Formula کلیک کنید . |
6 | قسمت Rate Constants را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، kfreac_1 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن k r ، krreac_1 را تایپ کنید . |
واکنش 2
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Formula text OH-+H+=H2O را تایپ کنید . |
4 | روی Apply کلیک کنید . |
5 | روی Balance در گوشه سمت راست بالای بخش Reaction Formula کلیک کنید . |
6 | قسمت تنظیمات تعادل را پیدا کنید . در قسمت متنی K eq0 ، Kequi_2 را تایپ کنید . |
گونه: H2O
H2O بیش از حد زیاد است و به عنوان حلال عمل می کند.
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: H2O کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش Type را پیدا کنید . |
3 | از لیست، حلال را انتخاب کنید . |
واکنش 3
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، HClO+OH-=ClO-+H2O را تایپ کنید . |
4 | روی Apply کلیک کنید . |
5 | روی Balance در گوشه سمت راست بالای بخش Reaction Formula کلیک کنید . |
6 | قسمت تنظیمات تعادل را پیدا کنید . در قسمت متنی K eq0 ، Kequi_3 را تایپ کنید . |
واکنش 4
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، Cl2+H2O<=>ClO-+Cl-+H+ را تایپ کنید . |
4 | روی Apply کلیک کنید . |
5 | روی Balance در گوشه سمت راست بالای بخش Reaction Formula کلیک کنید . |
6 | قسمت Rate Constants را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، kfreac_4 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن k r ، krreac_4 را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
شرایط اولیه را تنظیم کنید. به دلایل پایداری، برای گونه هایی که در ابتدا نباید در سیستم وجود داشته باشند، به جای غلظت صفر، غلظت بسیار کم را تعیین کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه گونه های حجمی را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
Cl- | cCl_0 |
Cl2 | cCl2_0 |
ClO- | cClO_0 |
H+ | cH_0 |
H2O | cH2O_0 |
HClO | CHClO_0 |
اوه- | cOH_0 |
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
تمرکز (دوباره)
این مراحل را برای ایجاد شکل 1 دنبال کنید .
1 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Axis را پیدا کنید . |
2 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور x را انتخاب کنید . |
3 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور y را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست Layout ، ناحیه محور گراف بیرونی را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Concentration (re) را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering>re.c_Cl2 – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
3 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering>re.c_OH_1m – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering>re.c_H_1p – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
Cl<sub>2</sub> |
OH<sup>-</sup> |
H<sup>+</sup> |
تمرکز (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Concentration (re) کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار Concentration (re) روی  Plot کلیک کنید . |
3 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
