ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Transkript

1 ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUVARI -II DENEY FÖYÜ DENEY ADI KÜTLE TRANSFERİ DERSİN ÖĞRETİM ÜYESİ DENEYİ YAPTIRAN ÖĞRETİM ELEMANI

2 KÜTLE TRANSFERİ DENEYİ Deneyin Amacı: Gözenekli bir ortam içerisinden akışkan geçişi üzerinde kütle transferi kavram ve karakteristiğini incelemek, parametrik değerler yardımı ile sayısal bir kütle transferi değeri bulmak. Teorik Bilgi KÜTLE TRANSFERİ Kütle aktarımı doğada değişik biçimlerde sık karşılaşılan bir olaydır. Örneğin açık havadaki bir havuzdaki su buharlaşarak çevredeki durgun havaya geçer, bir bardak çaya eklenen şeker önce çözünür, sonra sıvı içinde yayınır, hava içerdiği kirleticilerden yağmur damlaları aracılığıyla temizlenir. Vücutta kana oksijen, kandan havaya karbondioksit aktarımları ve değişik böbrek fonksiyonları kütle aktarım olayının doğal örneklerini oluştururlar. Bilim ve uygulamada ve özellikle kimyasal proses mühendisliğinde, kütle aktarımı iki ayrı amaç için kullanılır, birincisinde bir kimyasal tepkime söz konusudur ve tepkimenin başlayabilmesi için ilgili maddelerin önce bir araya gelmesi ve daha sonra ürünlerin ortamdan uzaklaştırılması gerekir. İkincisinde ise herhangi bir karışımdan bir ya da daha fazla bileşenin istenilen saflıkta fiziksel yöntemlerle ayrılması istenir. Ayırma işlemleri olarak da adlandırılabilen damıtma, gaz soğurulması vb. gibi bu kütle aktarımı işlemleri kimyasal proses mühendisliğinin en önemli ve yoğun çalışma alanlarını oluşturur. Bütün bu kütle aktarımı olaylarında moleküller, itici kuvvet olarak adlandırılan bir potansiyel nedeniyle bir konumdan diğer bir konuma taşınırlar. Olay moleküler yayınmanın yanında, konveksiyonla (ya da yığın akımıyla) ve bazı durumlarda da türbülanslı karışma nedeniyle taşınımı da kapsar. Moleküler yayınmanın nedeni, herhangi bir bileşenin farklı konumlarda farklı kimyasal potansiyele sahip olmasıdır, diğer bir deyimle itici kuvvet kimyasal potansiyel farkıdır. Herhangi bir bileşenin kimyasal potansiyelinin değişik iki konumda farklı olması, derişim farkı, basınç farkı, sıcaklık farkı ya da etki eden dış kuvvetlerin(yer çekimi, manyetik vb.) farklı olması gibi nedenlerden oluşabilir. Örneğin bir sisteme sıcaklık değişimi uygulayarak Soret Etkisi olarak bilinen kütle aktarımını sağlayabiliriz.

3 Burada kütle aktarımının özel bir anlamda kullanıldığını belirtmekte yarar vardır. Kuşkusuz,herhangi bir yığın akımıyla tüm kütle bir konumdan diğer bir konuma taşınabilir(örneğin suyun bir boru içindeki akışı vb.). Ancak burada biz kütle aktarımını, karışımdaki herhangi bir bileşenin ya aynı faz içinde bir başka konuma ya da diğer bir faza fiziksel dengeyi sağlamak amacıyla taşınımını kapsaması amacıyla kullanıyoruz. Momentum, Isı ve Kütle Aktarımı Arasındaki Benzeşim Çoğu kimya uygulaması temelde üç aktarım olayından oluşur, bunlar momentum, ısı ve kütle aktarımlarıdır. Örneğin akışkanların akımı, karışması, sedimentasyon ve süzme tipik momentum aktarımı içeren işlemlerdir. Isı aktarımına ısı değiştiricileri örnek gösterilebilir. Kütle aktarımına ise gaz soğurulmasında, kurutmada, damıtmada ve sıvıdan ve katıdan özütlemede rastlanır. Burada kütle bir fazdan diğer bir faza ya da tek bir faz içinde taşınabilir, ve ortam gazi sıvı ya da katı olabilir, ancak tüm olaylarda temel mekanizmalar aynıdır. Her üç aktarım olayı aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir: Aktarım hızı (akısı) = İtici Kuvvet/Direnç Örneğin sabit yoğunluk ve özgül ısılı bir sistem için Fourier ısı iletim yasası; şeklindedir ve ilk denkleme uyar. = ( / )

4 Kütle aktarımında ise Fick yasası geçerlidir ve tüm derişimin sabit kalması halinde; = ( / ) şeklindedir. Burada A maddesinin z yönündeki molar akısıdır ( / / ), A maddesinin B maddesi içinde moleküler yayınırlığı ( / ) ve A maddesinin molar derişimidir( / ). Gözenekli Katılarda Difüzyon Bu tür ortamlarda normal, yüzey ve Knudsen yayınması olmak üzere üç tür difüzyon söz konusudur. Ancak üzerinde yoğunlaşacağımız difüzyon türü, Fick yasasının iki boyutlu benzeşiminden yararlanarak modellenebilen yüzey yayınmasıdır. Yüzey yayınmasında yayınan maddenin önce gözenek yüzeylerinde adsorblanması söz konusudur, daha sonra adsorplanan moleküller bir adsorpsiyon merkezinden diğerine sıçrayarak yayınabilir. Böylece mol/hacim cinsinden geleneksel derişim yerine mol/alan cinsinden yüzey derişimi kullanılır. Burada Ca1>Ca2 ise a maddesi, 1 sınırından 2 sınırına doğru yayınır. Ancak gözenekli katı yapısı nedeniyle yayınan herhangi bir molekül katı taneciklerin engelleriyle karşılaştıüından dolambaçlı bir yol izlemek zorundadır ve gerçekte katedilen yol z2-z1 den tortuosity faktörü ( ) kadar fazladır. = ç / 2 1 Ayrıca yine, inert katı tanecikler nedeniyle difüzyon yönüne dik alanın tümü yayınan moleküllerin geçişine açık değildir. Eğer ε boşluk kesri ise; = ç / = ş ( ö h )/ ( ö + )h

5 olur. Böylece difüzyon yolu ( 2 1), birim kesit alanda difüzyon alanı olduğundan; = ( )/ ( 2 1) bulunur. Burada moleküler difüzyon katsayısıdır. Gözenekli ortamı oluşturan akışkan gaz ise, molar derişimler kısmi basınca dönüştürülebileceğinden; = ( )/ ( 2 1) Burada gerçek katı taneciklerin geçirgen sayılamadığı ve inert davrandığı, yayınanın gözenekleri oluşturan gaz içinden moleküler nedenle yayındığı varsayılmıştır. Deneyin yapılışı Deney şeması aşağıdaki şekildedir.

6 Bilgisayar kontrollü sistemde bir konsantrasyon hücresi, ve bu hücrenin ikişer adet giriş-çıkış bölgeleri vardır. Yakıt hücresi içerisinde bulunan gözenekli ortamdan kütle transferi gözlenecektir. Hücreye giren suyun hücre içerisindeki gözenekli ortamdan difüzyon olması, ve difüze olan suyun azot yardımıyla hücre dışına çıkarılması esnasında teorik bilgi kısmında anlatılan difüzyon olayları geçerlidir. Ancak gerçekte gerek tortuosity faktörü veya gözenekli ortam içerisindeki polimer madde oranı gibi çok fazla değişken olması, gerekse gözenekli ortamın kalınlığının çok düşük olması nedeniyle hesaplamalar çok karmaşık olacaktır. Bunun için, hücredeki difüzyon olayı daha basit bir şekilde ele alınıp aşağıdaki formülle değerlendirilecektir. = Burada J, suyun akısını, m difüze olan su kütlesini, t difüzyon süresini, A ise difüzyonun gerçekleştiği alanı temsil etmektedir. Buna göre, hücreye gönderilen suyun difüze olma hali, süre de dikkate alınarak gözlenecektir. Burda hesaplanan değer, bir difüzyon katsayısı olmayıp, suyun akısı olarak düşünülmelidir. Raporda istenenler Kütle transfer çeşitleri hakkında bilgi Adsorption, absorption, chemisorption ve physisorption kavramlarının detaylı açıklamaları Günlük hayattan kütle transferine dair açıklamaları ile birlikte örnekler Farklı süreler ve sıcaklıklar için akı değeri hesaplamaları