ANKARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
KALORİMETRE
GRUP 6A
00-143 Hilal ALTINDİŞ (Raportör) 00-146 Soner TURGUT
KM 453 Kimya Mühendisliği Laboratuarı II Deney Raporu
ARALIK 2003 ANKARA
SUNUŞ: KM 453 Kimya Mühendisliği Laboratuarı II dersi kapsamında yapılmış olan“ Kalorimetre” deneyi, 12.12.2003 tarihinde 6A grubu tarafından Kimya Mühendisliği Bölümüne sunulmuştur.
00-143 Hilal ALTINDİŞ 00-146 Soner TURGUT
-i-
İÇİNDEKİLER
1.
Özet………………………………………………………….. 1 Giriş.......................................................................................... 2 2. Kuramsal Temeller................................................................. 3 3. Denel Yöntem.......................................................................... 5 3.1. Deney Sistemi….............................................................. 5 3.2. Analiz Yöntemi................................................................ 6 4. Hesaplama ve Sonuçlar............................................................ 8 4.1. Deney Verileri….............................................................. 8 4.2. Hesaplamalar.................................................................. 9 5. Tartışma ve Yorum...............................................................… 12 Kaynaklar.....................................................................................…13
-iii-
ÖNSÖZ: KM 453 Kimya Mühendisliği Laboratuarı dersi kapsamında, 05.12.2003 tarihinde yapılan “Kalorimetre” deneyi Doç.Dr. Zeki AKTAŞ ve Araş.Gör.Meryem OZMAK gözetiminde gerçekleştirilmiştir. Deneye ait veriler kullanılarak hazırlanan bu rapor, Hilal ALTINDİŞ tarafından yazıya geçirilmiştir. Raporun hazırlanması sırasında, 9 ve 11 Aralık tarihlerinde, raporun hazırlanması amacıyla grup üyeleri bir araya gelerek ortak çalışma yapmışlar ve eksiklerin giderilmesi konusunda Araş.Gör.Meryem OZMAK’a başvurmuşlardır. Hazırlanan rapor 12.12.2003 tarihinde Kimya Mühendisliği bölümüne sunulmuştur. ARALIK 2003
-ii-
2.KURAMSAL TEMELLER : Kalorimetre deneyinde yapılacak hesaplamalar için kullanılan eşitlikler aşağıda verilmiştir[1]. Üst Isı : Yakıtın yanması sonucu oluşan su yoğunlaşıp sıvı haline geçmiş ise yakıtın verdiği ısıya üst ısı denir.
H o
=
W * (t m
+ c − t b
) −b
...................................................................................
G
(2.1)
Ho : üst ısı değeri W : Kalorimetrenin su değeri t : Yakma safhasında ilk ve son okunana sıcaklıkların dışındaki, sıcaklıkların toplamı to : Yakma safhasından önce kaydedilen son sıcaklık tM : Yakma safhasında kaydedilen son sıcaklık b : Numune dışındaki maddelerin (yakma teli,kükürt, azot) yanması ile oluşan ısı değişimleri toplamı b= bo +b N + bs …...……………………………………………(2.2) bo : Numuneyi komprime haline getirirken konulan telin yanması ile açığa çıkan ısı miktarı . Bu miktar, 0,1mm çaplı 1 mg çelik tel için 1.6 kaloridir. bN : Numunedeki azotun yanarak N 2O5 ‘e dönüşmesi ile açığa çıkan ısı miktarı. 0.1 N HNO3 ün 1 ml si başına 1.45 kaloridir. bS : Numunedeki kükürdün yanarak SO 3 dönüşmesi ile açığa çıkan ısı miktarı. 0.1 N H 2SO4 ün 1 ml si başına 3.6 kaloridir. G : Havada kurutulmuş yakıt numunesi tartımı c : Kalorimetre ile dış ortam arasındaki ısı alışverişi düzeltme faktörü c= m*n –(n+V)* F F
= m−
1 t n
− t
+ t + t − m * t 2
* t
v
………………………………………………………….(2.3)
o
m
v
.……………………………………...………(2.4)
m :Deney için geçen toplam zaman V: ilk safhada dakikadaki sıcaklık düşüşlerin ortalaması n : Son safhada dakikadaki sıcaklık düşüşlerin ortalaması tV : ilk safhada kaydedilen sıcaklıkların ortalaması tN :son safhada kaydedilen sıcaklıkların ortalaması Alt Isı : Yakıtın yanması sonucu oluşan su buhar haline geçmiş ise yakıtın verdiği ısıya alt ısı denir.
Hu = Ho – 5,85 (9H + K)
Hu : Alt ısı değeri Ho : Üst ısı değeri
…………………………………………………(2.5)
H : Yakıt örneğinin elementel analizinde bulunan hidrojen miktarına karşı gelen %H 2O miktarı K : Yakıt numunesinin %nem miktarı 3 Standart Oluşum Entalpisi : Bir mol bileşiğin elementlerinden oluşumunu veren tepkimelerin standart koşullardaki entalpileridir [4].
ΔH f = ∑(m*ΔH )çıkan- ∑(m*ΔH )giren ο
o
o
……….………………………..……....
(2.6) Sapma Değeri : Deneysel ve kuramsal ısı değerlerinin farkının kuramsal değere oranıdır.
% Sapma =
H d
− H
H k
(2.7)
Hd : Deneysel ısı değeri Hk : Kuramsal ısı değeri
k
*100
……………………………………………………
4
3.DENEL YÖNTEM : 3.1 Deney Sistemi: Kalorimetre deneyinin gerçekleştirildiği kalorimetre kabı ve kalorimetre bombası Şekil 3.1 ve Şekil 3.2’de verilmiştir.
Şekil 3.1 Kalorimetre kabı [1] Kalorimetre bombasında, paslanmaz V 2A çeliğinden (veya fonttan) yapılmış kapak ve gövde, O2 gazının girdiği ve yanma gazlarının çıktığı yol için sübap, ayrıca numunenin yakılmasında elektrik akımı geçişini sağlayan kutuplar bulunur. Bununla birlikte, sıvı yakıtlar için kuartz kroze, gazların kaçmasını önleyecek şekilde gövde ve kapağı sıkıca birbirine bağlayan ince dişli bilezik ve bombayı tutan ayaklar vardır.
Kalorimetre kabı ise çift cidarlıdır.Kalorimetre kabının içinde, kalorimetre bombası, ısıl iletkenliği az olan ayaklar üzerine oturtulmuş nikelanjlı kap, motor, karıştırıcı, Beckmann termometresi ve kalorimetre kabındaki suyun sıcaklığını ölçmeye yarayan termometre bulunur [1].
5
Şekil 3.2 Kalorimetre bombası [1] 3.2 Analiz Yöntemi: Kalorimetre deneyi üç aşamada gerçekleşir [1]: 1. Numunenin Hazırlanması :0,1 mm incelikteki yakma telinden uygun uzunlukta bir parça kesilir ve hassas olarak tartılır. Tel komprime makinesindeki yerine yerleştirilir. Üzerine toz halindeki numuneden bir miktar konur; teli koparmadan sıkıştırılır ve tartılır. Eğer numune sıvı ise tartım doğrudan kuartz kroze içine alınır. Tel kroze içindeki sıvıya batırılır. 2. Kalorimetre Bombası ve Kabının Hazırlanması: Hazırlanmış olan numune bombanın kapağında bulunan iki kutup arasına demir telin iki ucundan bağlanır. Kapak gövdeye takılır ve sıkıştırılır. Bombaya oksijen tüpünden gelen rekor bağlanır ve bombadaki hava tamamen boşalıncaya kadar oksijen geçirilir. Oksijen tüpünden gelen boru sökülerek kalorimetre bombasından ayrılır. Son olarak kalorimetre kabının içine başka bir kaba konmuş kalorimetre bombası yerleştirilir. Elektrik bağlantıları yapılır. Ayarlanmış Beckmann termometresi ve karıştırıcı yerlerine yerleştirilip kapak kapatılır.
3. Yakmanın Yapılması ve Sıcaklık Okunması : bu işlem üç aşamada gerçekleştirilir. 1) İlk Aşama: Motor çalıştırılır ve karıştırıcı harekete geçirilir. Beckmann termometresindeki sıcaklık düşüşü dikkatle izlenerek dakikada bir kaydedilir. İşleme sıcaklık sabit kalana yada değişme çok az olana kadar devam edilir. 2) Yakma Aşaması: Sıcaklığın sabit kaldığı andan 1 dakika sonra yakma devresinin 6 şalteri kapatılarak numune yakılır. Bu anda işaret lambası da yanıp sönmelidir. Sıcaklık yükselmesi gözlenir ve sabit kalana kadar dakikada bir kaydedilir. Sıcaklık maksimuma ulaştıktan sonra tekrar düşmeye başlar. 3) Son Aşama : Beckmann termometresindeki sıcaklık düşüşü sabit kalana yada değişme çok az olana kadar her dakikada bir kaydedilir.
7
4.HESAPLAMALAR ve SONUÇLAR: 4.1.Deney Verileri: "Kalorimetre Deneyi" ne ait deney verileri Tablo 4.1 'de verilmiştir.
Tablo 4.1. "Kalorimetre Deneyi" ne ait deney verileri Zaman
İlk Aşama o
(dk)
( C)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
18.29 18.29 18.28 18.28 18.275 18.32 18.32 18.315 18.31 18.31 18.31 18.30 18.30 18.30 18.30 -
m Tel 1 m Tel 2
∆T ilk
İkinci Aşama
0 0.01 0 0.005 0.045 0 0.005 0.005 0 0 0.01 0 -
o
Üçüncü Aşama o
( C)
( C)
18.60 19.08 19.26 19.325 19.35 19.365 19.375 19.375 19.375 19.375 -
19.375 19.375 19.370 19.365 19.360 19.360 19.355 19.35 19.34 19.34 19.335 19.33 19.325 19.32 19.32 19.31 19.31 19.305 19.30 19.295 19.295
∆T son 0 0.005 0.005 0.005 0 0.005 0.005 0.005 0 0.005 0.005 0.005 0.005 0 0.01 0 0.005 0.005 0.005 0.005 -
: 0,00227 g (Yanmadan önce) : 0,00167 g (Yanmadan sonra) 8
mTel+ Num : 0,4651 g Numune olarak %7.1 kül ve %1.0 oranında nem içeren Zonguldak kömürü kullanılmıştır. Numunenin elementel analizi aşağıdaki gibidir:
• • • • •
% 5.24 H % 0.5 S % 88.29 C % 1.01 N % 4,96 O Benzoik asit ile bulunan kalorimetre su değeri (W) : 3300 cal ‘dir.
4.2.Hesaplamalar: Yapılan hesaplamalardan elde edilen sonuçlar Tablo 4.2’de verilmiştir.
Üst Isı Değeri hesabı: tm : 19.375 °C m :10 to : 18.30 °C
v değerini hesaplamak için gerekli ∆T değerlerine ait örnek hesaplama aşağıdaki gibidir. Benzer şekilde hesaplanan diğer değerler Tablo 4.1’de verilmiştir. ∆ T1 = 18.29 – 18.29 = 0 Bu değerlere göre v değeri aşağıdaki gibi hesaplanmıştır: v = (∆ T1+∆ T2+∆ T3+ ∆ T4+∆ T5+∆ T6+∆ T7+∆ T8+∆ T9+∆ T10+∆ T11+∆ T12) /12 = 0,0067 n değerinin hesaplanması için gerekli ∆T değerlerine ait örnek hesaplama aşağıdaki gibidir. Benzer şekilde hesaplanan diğer değerler Tablo 4.1’de verilmiştir. ∆ T1 = 19.375 – 19.375 = 0 Bu değerlere göre n değeri aşağıdaki gibi hesaplanmıştır: n = (∆ T1+∆ T2+∆ T3+∆ T4+∆ T5+……+∆ T16+∆ T17+ ∆ T18+∆ T19+∆ T20) /20 = 0.004 F değeri hesaplanırken pratikte, yakma aşamasında ilk dakikadaki sıcaklık yükselmesi ile ikinci dakikadaki sıcaklık yükselmesi birbiri ile kıyaslanır. Eğer ilk dakikadaki sıcaklık yükselmesi ikinci dakikadakinden büyük ise F değeri 1.0 , durum bunun tam tersi ise F değeri 1.5 ve eğer bu farklar birbirine eşit ise F değeri, 1.25 olarak alınır.Buna göre; ∆ ∆ ∆
T1 = 19.08 – 18.60 = 0.48 T2 = 19.26 – 19.08 = 0.18
T1 >
∆
T2 olduğundan F=1.0 alınabilir.
Buna göre c değeri (2.3) denkleminden aşağıdaki gibi hesaplanır. c = m*n –(n+V)* F c = 10* 0,004 - (0,004+0,0067)*1,0 = 0,0293 9 b değeri hesaplanırken örnek dışındaki maddelerin yanması ile oluşan ısı değişimleri toplamında azotun ve kükürdün yanması ihmal edilmiştir.
Yanan tel miktarı = 0.0227-0.0167 = 0,006 g = 6 mg b = bD = 6 mg *1,6 cal / mg = 9.6 cal m Num = 0,4651 – 0,0227= 0,4424 g Kuru külsüz temel üzerinden; G = m Num’ = 0.4651 – 0.4424*(0,071+0,01) = 0,4066 g H o
=
W * (t m
+ c − t b
) −b
G
H o = 3300*(19.375+0.0293-18.30)-0.96/0.4066 = 8939.7 cal/g
Alt Isı Değeri hesabı: H u = H o – 5,85*(9H + K) H u = 8939.7 – 5,85*(9*5,24+1.0) = 8657.67 cal/g
Kuramsal Hesaplamalar:
Kuru külsüz temel üzerinden kömürün elementel analizine göre her bir elementin kütlesi aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. Hesaplamalar sırasında azot (N) ve kükürtün (S) kütleleri çok düşük olduğundan ihmal edilmiştir. mC = 0.4066 * 88,29 / 100 = 0,3589 g mH = 0,4066 * 5,24 / 100 = 0,0213 g mO = 0,4066 * 4,96 / 100 = 0,02017 g m N = 0,4066 * 1,01 / 100 = 0,00411 g mS = 0,4066 * 0,5 / 100 = 0,00203 g Kalorimetrede yakılan yakıtın yanması sonucu oluşan tepkimelerin oluşum ısıları ile yakıtın ısı değeri kömürün yanma reaksiyonlarına göre teorik olarak aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. Kömürün yanma reaksiyonları [2] : o C(k) + O2 → CO2 (g) ∆ H = - 94052 cal/mol o H2 + ½ O2 → H2O (g) ∆ H = - 57798 cal/mol o H2 + ½ O2 → H2O (s) ∆ H = - 68317 cal/mol N2 + 5/2 O2 → N2O5 N2O5 + H2O → 2HNO3 S + 3/2 O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4 nC = nCO2 = 0,3589 g / 12 g/mol =0,0299 mol CO 2 nH = 2*nH2O → nH20 = nH /2 = (0,0213g / 1 g/mol) = 0,01065 mol H 2O ΔH f = ∑(m*ΔH )çıkan- ∑(m*ΔH )giren ο
o
o
10 C, H, O elementlerinin standart oluşum entalpileri “0” olduğundan; ΔH f = ∑(m*ΔH )çıkan ο
o
Buna göre; Hu = ΔHu = [0,0299 mol*(-94052 cal/mol)+0,01065 mol*(-57798 cal/mol)] / 0,4066 g = 8430.16 cal/g Ho = ΔHo = [0,0299 mol*(-94052 cal/mol)+0,01065mol*(-68317 cal/mol)] / 0,4066 g = 8705.68 cal/g
Sapma Değerlerinin hesaplanması: (2.7) denkleminden üst ısı ve alt ısı değerlerin için ayrı ayrı hesaplamalar aşağıdaki gibi
yapılmıştır.
H deneysel − H kuramsal
*10 0
% Sapma =
H kuramsal
% Sapma (Alt Isı) = (8657.67-8430.16 / 8430.16)*100 =% 2.69 % Sapma (Üst ısı) = (8939.74-8705.68 / 8705.68)*100 =% 2.62
Tablo 4.2. "Katı Yakıtlar Deneyi" ne ait deney verileri Deneysel sonuçlar Kuramsal sonuçlar Üst ısı değeri (cal/g) Alt ısı değeri (cal/g)
8939.74 8657.67
8705.68 8430.16
11
% Sapma 2.62 2.69
5.TARTIŞMA ve YORUM: Yapılan deneyde amacımız, verilen kömür numunesinin alt ısı ve üst ısı değerlerinin belirlenmesidir. Yakıtın ısı değerinin bulunması , ekonomik açıdan , o yakıtın kullanımı tercih edildiğinde ne kadar ısı elde edileceğinin bilinmesi bakımından çok önemlidir. Bu nedenlere bağlı olarak yapılan Kalorimetre deneyinde, üçüncü aşamada, sıcaklık düşüşünün çok yavaş gerçekleştiği gözlenmiştir.Bunun, kalorimetreden suya ve sudan da atmosfere ısı aktarımının çok yavaş olmasından kaynaklandığı düşünülmüştür. Ayrıca ısı aktarımının yavaş olmasının sebebinin de ortam sıcaklığının sabit kalmasından kaynaklandığı düşünülmüştür. Teorik ile deneysel sonuçlar arasındaki fark %sapma değeri olarak hesaplanmış ve sırasıyla alt ısı ve üst ısı değerleri için %2.69 ve %2.62 olarak bulunmuştur. Bu farkların oluşmasının sebebi, deney sırasındaki sıcaklık değişimlerinin sağlıklı alınamamış ve standart koşulların tamamen sağlanamamış olması olabilir diye düşünülmüştür. Ayrıca kalorimetre bombasının içindeki yanma sırasında ara yüzeylerde gerçekleşen reaksiyonlar sonucu oluşan NO x ve SO2 gazlarının absorbladıkları ısı değerlerinin, yakıtın ısı değeri bulunurken ihmal edilmiş olmasının ve üçüncü aşamada sıcaklık değerinin çok yavaş da olsa düşmeye devam ettiği halde sabit olarak kabul edilip 21. dakikada değer okunmasının bırakılmış olmasının da hataya neden olabileceği düşünülmüştür.
12
ÖZET: KM 453 dersi kapsamında yapılan Kalorimetre deneyinde amacımız, numune olarak verilen kömürün alt ısı ve üst ısı değerlerinin hesaplanmasıdır. Bu amaçla deney sırasında kalorimetre bombası kullanılmıştır. Bu amaçla yapılan deneyde, kömür numunesi, içinde iletken tel bulunan bir tablet haline getirilmiş ve kapalı bir ortam olan yüksek basınçlı kalorimetre bombasına konarak saf oksijen ile yakılmıştır. Yanma tepkimesinden yola çıkarak alt ısı ve üst ısı değerlerinin hesaplanabilmesi için, açığa çıkan ısı nedeniyle kalorimetre kabı içinde, yükselen sıcaklık değerleri tespit edilmiştir. Deney üç aşamalı gerçekleştirilmiş ve her aşamada Beckmann termometresi yardımıyla sıcaklık değişimleri birer dakika arayla kaydedilmiştir. Alınan bu değerlerle kuru külsüz temel üzerinden alt ve üst ısı hesaplanmıştır [1]. Ayrıca deneysel verilerden elde edilen değerler ile kuramsal değerlerin karşılaştırılması amacıyla, kuramsal olarak, kömür numunesinin elementel analizinden yola çıkarak, yine kuru külsüz temel üzerinden alt ve üst ısı değerleri hesaplanmıştır. Deneysel olarak alt ve üst ısı değerleri sırasıyla 8657.67 cal/g ve 8939.74 cal/g olarak, kuramsal hesaplama sonucu ise sırasıyla 8430.16 cal/g ve 8705.68 cal/g olarak bulunmuştur. Kuramsal ve deneysel olarak hesaplanan alt ve üst ısı değerleri arasındaki sapma değerleri ise alt ısı için %2.69 , üst ısı için %2.62 olarak bulunmuştur.
1
1.GİRİŞ: Prosesin tasarımı sırasında yüksek verim eldesinin nasıl sağlanacağı konusunda yardımcı olması açısından, prosese enerji üretmek için yakıt olarak kullanılan hidrokarbonların ısı değerlerinin belirlenmesi önemlidir. Yakıtın ısı değeri; birim miktardaki yakıtın belirli koşullarda tam olarak yanması sonucunda oluşan ısı değeridir. Bu ısı değerinin belirlenmesinde kullanılan en yaygın yöntem de “Kalorimetre” deneyidir. Kalorimetre ; ısı aktarımına bağlı olarak sıcaklık değişiminin gözlenmesi yoluyla, açığa çıkan veya absorbe edilen ısı miktarının belirlenmesini sağlayan bir cihazdır [1]. Kimya mühendisliği açısından bakıldığında amaç, proses için gerekli olan enerjinin en optimum kaynaktan sağlanmasıdır. Elde edilecek ısı enerjisi yakıta ve proses ekipmanlarının verimlerine göre farklılık gösterebilir. Bu farklılıkları göz önünde bulundurarak doğru yakıt seçimi yapılabilmesi için laboratuarda belirlenen bir özellik olan “ Kalorifik Değer” özelliği kullanılır. Bu değer bir kilogram veya benzeri birim yakıttan elde edilebilecek enerji olarak ifade edilir. Birim yakıtın yanmasıyla açığa çıkan ısının belirlenmesi için yapılan deneylerde kalorimetre genellikle 20 °C ortam sıcaklığına ayarlanır. Birçok yakıt, yanma sırasında su buharı haline dönüşen hidrojen içerir. Eğer yanma gazı 20 °C ye soğutulursa su buharı sıvı hale geçer ve bu esnada buharlaşma gizli ısısı açığa çıkar. Bu şekilde yapılan deney üst kalorifik değeri verir. Uygulamada ise yanma gazları yüksek sıcaklıktadır. Bu durumda gazın gizli ısısı açığa çıkmaz. Bu şekildeki bir yanmada elde edilen ısı ise alt kalorifik değeri ni ifade eder. Katı ve sıvı yakıtlarda, kcal/kg, gaz yakıtlarda kcal/m 3 olarak ifade edilen kalorifer değeri, hafif sıvı yakıtlarda genellikle kcal/litre olarak verilir. Pratikte alt kalorifik değer kullanımı daha faydalıdır. Fakat bazı durumlarda üst kalorifik değerin kullanımına da rastlanabilir. Bu nedenle yakıtların seçiminde veya iki yakıtın karşılaştırılmasında kalorifik değerlerden hangisinin kullanıldığına dikkat edilmelidir. Örneğin, Avrupada diğer yakıtlarda alt kalorifik değer kullanımının yaygın olmasına rağmen doğal gazda üst kalorifik değerin kullanılması konusunda bir anlaşmaya varılmıştır. Ayrıca, yakıtın yanması sonucu ortaya çıkan faydalı ısı miktarı yakıtın nem miktarı ile doğrudan ilişkilidir. Bu sebeple her yakıt alınırken dikkatle kontrol edilmeli, içerdiği nem miktarı belirlenmeli, olması gerekenden fazla nemli yakıt alınmamalıdır [3]. Kalorimetre deneyinin amacı; verilen bir katı yakıt örneğinin, üst ve alt ısı değerlerinin belirlenmesidir.
2
KAYNAKLAR: 1. “KM 453 Kimya Mühendisliği Laboratuarı II Deney Bilgileri” , A.Ü. Mühendislik Fakültesi, Ankara, 2003. 2. Y.Sarıkaya, “Kimya Mühendisliği Termodinamik Diyagramlar ve Nomogramlar”
3. http://www.eie.gov.tr/turkce/en_tasarrufu/uetm/teknik_bilgi_serisi.html
13
