Содержание
Введение
2
Пояснительная записка
3
1.
Техника и методика выполнения лабораторных работ
6
2.
Состав и работа лабораторной установки 8
3.
Порядок проведения эксперимента
13
4.
Лабораторная работа №1 «Определение коэффициента массопередачи в процессе
физической абсорбции»
14
Литература
25
Введение
Рабочая программа
профессионального модуля ПМ.05 «Химическая технология органических веществ»
является частью основной образовательной программы в соответствии с ФГОС по
специальностям СПО 240113 Химическая технология органических веществ,
включенного за счет вариативного объема часов и СПО 240134 Переработка нефти и
газа.
В рамках программы
профессионального модуля проводится подготовка специалиста, который выбирает оборудование, на котором следует
осуществлять технологический процесс, участвует в проведении экспериментальных
работ по освоению новых технологических процессов и внедрению их в производство
в организационно-технических мероприятиях по своевременному освоению
производственных мощностей. Сферой деятельности специалиста является разработка новых и совершенствование действующих
технологических правил производства продукции.
С
целью освоения профессионального модуля ПМ.05 студент должен уметь:
- устанавливать
порядок выполнения работ и пооперационной маршрут обработки продукции;
- рассчитывать
производственные мощности и загрузку оборудования;
- вносить изменения в
техническую документацию в связи с корректировкой технологических процессов и
режимов производства;
- осуществлять контроль
за соблюдением технологической дисциплины в производстве и правильной
эксплуатацией технологического оборудования;
- анализировать причины
брака, принимать участие в разработке мероприятий по их предупреждению и
устранению;
- правила техники
электро- и пожаробезопасности при проведении всех видов работ.
Пояснительная
записка
Принцип постоянной
связи теории и практики получает непосредственное осуществление на лабораторных
занятиях. Они активизируют познавательную деятельность студентов, так как
требуют личного участия в проведении различного рода исследований. Студенты
получают необходимые знания, навыки и умения.
При изучении
профессионального модуля ПМ.05 обязательно проведение лабораторных работ.
Рабочей программой предусмотрено выполнение 14-ти лабораторных работ. На каждую
работу составлено задание: порядковый номер и название работы, её цель,
оборудование, основные теоретические положения, порядок выполнения работы,
задание в нескольких вариантах. Каждой лабораторной работе предшествует
теоретическое занятие, на котором студентам необходимо изучить основные
Цели и задачи
лабораторных работ:
Основная
задача – закрепление и углубление теоретических знаний студентов.
Основная цель
работ:
1.
связать теорию с практикой – подтвердить теорию опытом;
2.
привить навыки научно-исследовательской работы;
3.
проверить уровень понимания вопросов, пройденных на уроках
теоретического обучения.
В процессе
выполнения лабораторных работ студент должен:
1.
стремиться к самостоятельности в решении всех вопросов;
2.
показать способность правильного применения теоретических
положений;
3.
организовывать свою работу так, чтобы с наименьшей затратой
времени и труда найти наилучшее техническое решение.
При подготовке к
лабораторным работам, студент должен знать какую именно работу он будет
выполнять, повторить теоретический материал, ознакомиться с описание работы и
порядком её выполнения.
Лабораторная работа
рассчитана на 2 часа и за это время студент должен: получить допуск к работе,
выполнить задание, оформить отчёт.
Контролем в
лабораторном практикуме является защита отчётов по лабораторным работам.
Оформление
отчета:
1.
отчёт оформляется на листе формата А4 черной пастой;
2.
переписать в отчёт номер, тему, наименование и цели работы;
3.
изучить пояснение к работе;
4.
выполнить задание, написать выводы;
5.
сдать отчёт на проверку преподавателю.
Отчёт
по лабораторным работам является техническим документом и оформляется в
соответствии с ГОСТ 2,104-95 и 2,105-95 ЕСКД.
·
Поясняющий текст и расчёты помещаются на одной стороне листа.
·
Текст пишется аккуратно и разборчиво, сокращение слов не
допускается.
·
Каждый лист должен иметь рамку и основную надпись.
·
При заполнении граф основной надписи указывается обозначение
документа (ЛР – лабораторная работа), шифр специальности (240113, 240134), далее
через точку номер группы, номер работы, год выполнения работы, тип работы (О –
отчёт).
Например: ЛР 240113.111.1.14 О
·
Рисунки и схемы должны выполняться карандашом с использованием
чертёжных инструментов.
Отчёт
должен содержать:
·
Номер, тему и цель работы.
·
Условия задачи по варианту, принятые обозначения переменных,
логические функции для выходных и промежуточных переменных.
·
Описание установки, все необходимые расчёты, графики, таблицы,
рисунки.
·
Выводы по работе.
1.
Техника и методика выполнения лабораторных работ
Основные
задачи лабораторного практикума:
·
Знакомство
с устройством абсорбционной установки.
·
Определение
объемного коэффициента массоотдачи для случая физической абсорбции и средней
движущей силы процесса.
·
Изучение
принципов управления абсорбционной установкой.
Порядок
допуска к лабораторным работам:
К выполнению работы
допускаются студенты, выполнившие в полном объёме задание для домашней
подготовки к лабораторной работе, знающие правила техники безопасности.
Степень подготовленности
к выполнению лабораторной работы проверяется преподавателем в беседе со
студентами.
В случае
недостаточной подготовленности к лабораторной работе студент не допускается к
её выполнению.
Проведение
лабораторной работы:
Лабораторные работы
студенты выполняют единолично или бригадами, состав которых определяется
преподавателем.
После
получения разрешения на выполнение лабораторной работы студенты:
·
Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе.
·
Подготовить установку к испытаниям.
·
Провести необходимые работы и измерения.
·
Результаты измерений и вычислений занести в таблицы.
Во время
лабораторной работы запрещается покидать учебную лабораторию без разрешения
преподавателя.
Работа
считается выполненной, если студент:
·
Предъявил преподавателю бланк отчёта с результатами работы.
·
После разрешения преподавателя привёл в порядок рабочее место.
Если работа не
закончена в предусмотренное расписанием время, то работа прекращается и
подлежит повторению в назначенное преподавателем время.
При выполнении
лабораторных работ предполагается индивидуализация обучения по принципу
«каждому студенту (бригаде студентов) свой вариант задания». Поэтому в каждой
лабораторной работе предусмотрено несколько вариантов индивидуальных заданий.
По своему усмотрению преподаватель может упростить задачу варианта в
зависимости от подготовки обучаемого.
Все лабораторные
задания рассчитаны на 2 академических часа работы в лаборатории и 2 часа
самостоятельной работы при домашней подготовке и оформлении отчёта по работе.
Правила техники
безопасности:
·
При эксплуатации и техническом обслуживании установки необходимо
соблюдать требования ГОСТ 12.3.019-80, «Правил эксплуатации электроустановок
потребителей» и «Правил охраны труда при эксплуатации электроустановок
потребителей».
·
Любые подключения установки и работы по ее техническому
обслуживанию производить только при отключенном питании и исполнительных
механизмов.
·
Не допускается попадание влаги на контакты разъемов и внутренних
элементов установки.
·
Подключение, регулировка и техобслуживание прибора должно
производиться только квалифицированными специалистами.
Категорически
запрещено выполнять или продолжать работу на неисправном оборудовании
(при появлении искрения, специфического запаха нагретой изоляции и т.д.)
2. Состав и работа лабораторной установки
Принцип работы струйно-инжекционного кожухотрубного
сатуратора
Струйно-инжекционный
кожухотрубный сатуратор (СИ– сатуратор) предназначен для одновременного
проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью.
Принцип работы
сатуратора прост и основан на уносе (инжекции) струей жидкости газа, дроблении
его в жидкости и образовании в трубах газожидкостной смеси (рис. 1).
Струя жидкости 1
выходит с большой скоростью (от 2 до 20 м/с) из сопла 2 и поступает в
расположенную соосно-вертикальную трубу 3, которая заполняется газожидкостной
смесью 4. Газ, окружающий струю, уносится ею за счет неровностей, образуемых на
поверхности самой струи и трения газа о нее. Далее происходит интенсивное
дробление газа за счет турбулентных пульсаций в жидкой фазе и образование
пузырьков, через которые и происходит массоперенос из газовой фазы в жидкую.
Образовавшаяся газожидкостная смесь движется нисходящим потоком по трубе 5 и, достигнув
ее конца, поступает в следующую трубу 6. В этой трубе газожидкостная смесь
движется восходящим потоком и поступает в пространство 7, где происходит
частичное отделение не прореагировавшего газа от жидкости. Последняя удаляется
из аппарата через сливную трубу 8. Подавая в межтрубное пространство тепло- и
хладоноситель, можно нагревать или охладить газожидкостную смесь. В лаборатории
представлена экспериментальная прозрачная модель сатуратора, позволяющая
наблюдать гидродинамическую обстановку и исследовать процесс массообмена в
каждой из труб в отдельности.
Рис. 1 Схемы образования газожидкостной смеси в
СИ – сатураторе (а) и устройстве СИ – сатураторе (б)
Описание
экспериментальной установки
Экспериментальная
установка (рис.2) состоит из сатуратора 1, центробежного насоса 2, ротаметра 4,
приемного бака 5, баллона с СО2 6, расширительной емкости 8,
регулирующих вентилей 3 ,9, 10, 18, манометров 11, 12, пробоотборников 13 - 16.
Установка
работает следующим образом: вода из водопровода подается насосом 2 через
вентиль 3 к соплу 17 с известным диаметром проходного сечения. Необходимый
расход определяется по ротаметру 4 и регулируется вентилем 3.
Газ подают из
баллона 6 с жидким диоксидом углерода через редуктор 7 и вентиль 10 в
расширительную емкость 8, давление в которой контролируют манометром 11 и
регулируют вентилем 10. Жидкость, выходя из сопла, инжектирует газ в трубы, где
и происходит основной процесс абсорбции. Затем насыщенная газом жидкость
сливается в приемный бак 5 и удаляется из установки в канализацию. Часть не
прореагировавшего диоксида углерода возвращается из бака 5 в аппарат по
уравнительной линии 23. Давление в аппарате контролируют манометром 12. При
избыточном давлении более 0,05 МПа (0,5 атм) работать запрещается!
Температуру жидкости
определяют тарированным микротерморезистором, установленным на сливной трубе
между аппаратом 1 и приемным баком 5. Показания с микротерморезистора снимаются
цифровым вольтметром 20. Для определения концентрации растворенного газа в
жидкости в каждой из труб установлены пробоотборники 13 и 14 для нисходящего
потока и 15, 16 для восходящего потока.
Рис. 2 Схема экспериментальной установки
Требования
безопасности
·
К выполнению
лабораторной работы студенты допускаются только после прохождения инструктажа
по охране труда и пожарной безопасности в лаборатории и на рабочем месте.
·
В
соответствии с ними перед пуском установки нужно ознакомиться с ее устройством
и наружным осмотром проверить исправность.
·
Пуск
установки проводить в присутствии учебного мастера и под его непосредственным
руководством.
·
При
работе на установке проявлять осторожность и аккуратность. Помнить, что при
работе некоторые из ее элементов и устройств могут перегреваться.
3. Порядок
проведения эксперимента
1. Закрыть все вентили (3, 7, 9, 10, 21 и 22), кроме вентиля
18.
2.
Включить в сеть цифровой вольтметр 20.
3.
Удалить воздух из труб сатуратора 1 и бака 5, для чего закрыть вентиль 18,
открыть вентили 3, 21 и 22 и включить насос 2. Заполнить установку водой до
среза сопла, после чего закрыть вентили 3, 21 и 22 и выключить насос 2.
4. Подать диоксид углерода в
установку, для чего открыть вентили 7 и 10, установить по манометру 11 давление
в промежуточной емкости 8 не более 1 МПа, открыть вентиль 9 и подать диоксид
углерода в сатуратор. Давление в сатураторе не должно превышать 0,05 МПа.
5. Открыть вентиль 18 и
удалить из установки воду до половины высоты сливного бака 5 (по уровнемеру
19).
6. Включить насос 2, по
ротаметру 4 вентилем 3 установить заданный расход жидкости.
После окончания опыта необходимо:
1. Закрыть вентили 7 (на баллоне
с диоксидом углерода) и 9.
2. Закрыть вентили 3 и 22, после
чего выключить насос 2 и вольтметр 20.
Лабораторная
работа 1 «Определение
коэффициента массопередачи в процессе физической абсорбции»
Цель работы:
1.
Определение
объемного коэффициента массоотдачи для случая физической абсорбции диоксида
углерода в различных гидродинамических режимах движения газожидкостной смеси в
модели струйно-инжекционного кожухотрубного сатуратора.
2.
Оценка
тепловой и гидродинамической обстановки в аппарате.
Задачи работы:
1. Рассчитать среднюю движущую силу
процесса абсорбции
2. Построить рабочую и равновесную линии
процесса
Основные
сведения
Абсорбция -
процесс избирательного (селективного) поглощения газа или пара жидкостью.
Абсорбция бывает двух видов: физическая и хемосорбция. При физической абсорбции
молекулы газа не вступают в химическую связь с молекулами жидкости, а лишь
располагаются в межмолекулярном пространстве между ними. Процесс физической
абсорбции обратим. При изменении внешних условий (температуры и давления)
наблюдается как процесс поглощения (абсорбция), так и процесс выделения
(десорбция) растворенного газа из жидкости. При хемосорбции молекулы газа
вступают полностью (или частично) в химическую реакцию с молекулами жидкости,
образуя одно или несколько новых веществ.
Наиболее широкое
применение процессы физической абсорбции получили в химической и пищевой
промышленностях например, процесс насыщения прохладительных напитков диоксидом
углерода (углекислым газом), процесс аэрации в дрожжевой и микробиологических
промышленностях, и другие.
Как и в любом
массообменном процессе между газом и жидкостью, при физической абсорбции,
скорость переноса массы определяется скоростью переноса молекул газа из газовой
фазы в жидкую, и скоростью накопления их в жидкости. Количество вещества М,
переносимого в единицу времени из газовой фазы в жидкую, определяется
уравнением массопередачи
где – коэффициент массопередачи, м/с; F –
площадь поверхности контакта фаз, м2; ∆Сср – средняя движущая
сила, кг/м3.
Число молекул (или их масса),
содержащихся в единице жидкой фазы, определяется концентрацией растворенного
газа.
Максимальная
концентрация данного газа, возможная в данной жидкости при данной температуре и
давлении, носит название равновесной концентрации x* и для случая абсорбции чистых газов
зависит от общего давления Р. Если физическая абсорбция носит
избирательный характер, то x* для
поглощаемого газа будет зависеть от парциального давления данного газа в смеси.
Для
труднорастворимых газов зависимость x* от давления Р определяется законом Генри
где Е – константа
Генри, зависящая от температуры и физических свойств газа и жидкости, Па.
Значения
константы Генри при различных температурах для
системы СО2 – вода
приведены в табл. 1
табл. 1
Расчет любого
абсорбционного аппарата заключается в определении его основных габаритных
размеров. Для этой цели используют уравнение, в которое входят две наиболее
важные характеристики k и F.
При определенных допущениях
(отсутствии диффузионного сопротивления при переходе молекул газа через
поверхность контакта фаз, существовании равновесия на этой поверхности и
других) коэффициент k определяется по формуле
где m – тангенс
угла наклона линии равновесия; βг ; βж – коэффициенты
массоотдачи в газовой и жидкой фазах соответственно, м/с.
Если основное
сопротивление массопереносу лежит в жидкой фазе, то (случай абсорбции труднорастворимых газов).
Следовательно уравнение можно
представить в виде
Определение коэффициента
массоотдачи в жидкой фазе βж и площади поверхности контакта фаз F как
теоретическими, так и экспериментальными методами сложно и трудоемко, поэтому
уравнение часто приводят к виду
(1)
где βVж
– объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, с-1.
Значение βVж
находится из уравнения
(2)
где Vр
– рабочий объем абсорбера, м3; α – удельная поверхность контакта
фаз, т.е. площадь поверхности контакта фаз, приходящейся на единицу рабочего
объема абсорбера, м2/м3.
Определение средней движущей силы ∆Сср
Рассмотрим схему
движения фаз (рис.3,а) и диаграмму процесса абсорбции (рис.3,б) для случая
нисходящего прямоточного потока газожидкостной смеси.
Рис.
3. Схема движения фаз (а) и диаграмма (б) процесса физической абсорбции чистого
газа в прямоточном газожидкостном аппарате (поверхность массопереноса
определяется поверхностью пузырей): АВ - рабочая линия, ОС - равновесная линия
Массовую среднюю
движущую силу абсорбции находят по формуле
Так как средняя
движущая сила ∆Сср в уравнениях (1), (2) выражена в килограммах на
кубический метр, то
(3)
где – плотность жидкости, кг/м3.
Для рассмотренной
выше схемы процесса величину М определяют из материального баланса по
растворенному газу по уравнению, кг/с
Отсюда
Методика отбора проб из газожидкостной смеси и расчет
концентрации растворенного газа в жидкости
Отбор проб
После
трехминутной работы сатуратора на заданном режиме приступить к снятию показаний
и отбору проб.
На рис. 4
представлена система для отбора проб из газожидкостной смеси под давлением.
Стеклянные трубы
верхним и нижним концами установлены в металлические втулки 2 с отводом 3,
соединенным через кран 4 с сепаратором 5, который имеет два ответвления. Одно с
краном 6 для отвода газа, второе – с винтовым зажимом 7 для отбора жидкости.
Для уравнивания
температуры стенок трубок и сепаратора с температурой газожидкостной смеси
открыть кран 7 и кран 4 и часть газожидкостной смеси пропустить через
сепаратор.
Через 1 - 2
минуты зажим 7 закрыть, открыть кран 6 и произвести заполнение сепаратора
жидкостью на 2/3 его объема. После заполнения открыть зажим 7 и часть жидкости
(50 мл) слить в пробирку, специально охлажденную до температуры подаваемой в
сатуратор воды. После заполнения пробирки закрыть краны 7, 4 и 6.
Рис. 4 Схема отбора проб из газожидкостной смеси под давлением
Определение концентрации растворенного диоксида
углерода в воде
Для определения
малых концентраций растворенного в воде диоксида углерода (менее 1%)
рекомендуется применять "бариевый" метод, который успешно
используется при определении концентрации растворенного диоксида углерода в
кефире, кисломолочных заквасках, пивобезалкогольных напитках.
Схема установки
для определения концентрации диоксида углерода в пробе жидкости показана на
рис. 5. Она состоит из пробирки 1 с 0,1 н. раствором гидрата окиси бария Ва(ОН)2,
пробирки 2 с исследуемой пробой и микрокомпрессора 3.
В тщательно промытую пробирку 1
наливают 40 мл 0,1 н. раствора Ва(ОН)2 и закрепляют в установке.
Затем в пробирку 2 переносят 16 мл отобранной жидкости, закрепляют эту пробирку
на установке и пускают микрокомпрессор 3. Воздух, нагнетаемый
микрокомпрессором, барботирует через пробу жидкости и вызывает десорбцию
диоксида углерода из раствора, который вместе с воздухом поступает в пробирку с
Ва(ОН)2. Здесь диоксид углерода поглощается раствором, вступая с ним
в химическую реакцию, Ва(ОН)2+СО2=ВаСО3+Н2О.
Рис. 5 установка для определения растворенного диоксида углерода в воде
Барботаж
производится в течение 20 мин. После этого пробирку 1 снимают, а остаток Ва(ОН)2
оттитровывают раствором соляной кислоты в присутствии фенолфталеина (перед
титрованием в пробирку 2 необходимо добавить две капли фенолфталеина для
окраски раствора в ярко-малиновый цвет). Кислота добавляется до тех пор, пока
раствор в пробирке 2 не обесцветится. Количество миллилитров кислоты, пошедшей
на титрование V1, записывают.
Для определения
концентрации диоксида углерода в пробе не- обходимо знать, какое количество
кислоты идет на титрование 40 мл чистого раствора Ва(ОН)2 без
углекислоты, т.е. объем холостой пробы Vx. Содержание
диоксида углерода в пробе определяют по формуле, кг/кг.
(4)
где – титр соляной кислоты; 16 – объем жидкости в
пробирке 2, мл.
Методика определения
объемного коэффициента массоотдачи в жидкой фазе в нисходящем потоке
1. Объемный
коэффициент массоотдачи, соответствующий заданному режиму работы, определяют по
уравнению, с-1
2. Количество
поглощенного газа в единицу времени (скорость абсорбции) находят по уравнению,
кг/с
3. Среднюю
движущую силу определяют по уравнению (3).
4. Объем
газожидкостной смеси
где Нсм –
высота газожидкостной смеси от точки входа струи в смесь до точки отбора пробы,
или расстояние между двумя последовательными точками отбора проб (измеряется
линейкой), м; –
внутренний диаметр трубы, м.
5. Равновесные
концентрации определяются по уравнению, кмоль/кмоль
6. Константу Генри Е находят
из табл. 1 в зависимости от температуры
7. Давление газа начальное
где Р0 и Ризб
– атмосферное и избыточное давление (Р0 – определяют по
барометру, а Ризб – по манометру 12, Па.
8. Давление в газовой фазе конечное,
Па
где ρж
– плотность жидкости, кг/м3; g – гравитационная постоянная ( g = 9,81), м/с2; HСМв– высота слоя жидкости в восходящем
потоке.
Учитывая
незначительное газосодержание в восходящем потоке, для упрощения, принимают где – высота столба газожидкостной смеси от сечения в
месте установки пробоотборной трубки до выхода смеси из восходящей трубы.
9. Равновесная
концентрация (в массовых долях), кг/кг:
Начальная:
Конечная:
где – молекулярная масса диоксида
углерода, кг/кмоль; –
сумма молекулярных масс воды и диоксида углерода, кг/кмоль
здесь – молекулярная масса воды,
равная 18.
Начальная и
конечная рабочие концентрации XH и XK
находятся по уравнению (4).
В нисходящем
потоке начальная концентрация XH равна концентрации
растворенного в водопроводной воде диоксида углерода, т.е. XH=XB
.
Необходимо
учесть, что в водопроводной воде всегда содержится определенное количество
растворенного газа, поэтому следует оттитровать пробу воды.
Результаты
измерений вписать в табл.1, а результаты расчетов – в табл.2
Контрольные
вопросы
1. В чем отличие
химической абсорбции от хемосорбции?
2. Что понимается
под равновесной концентрацией и от чего она зависит?
3. Что понимается
под величинами поверхности контакта фаз и удельной поверхности контакта фаз?
4. Какова цель
данной работы?
5. Что такое
движущая сила процесса? Как ее определить?
6. Объясните
принцип работы кожухотрубного СИ-сатуратора? Как в нем осуществляется процесс
насыщения жидкости газом?
7. Как определить
объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, используя данные опыта?
8. В чем отличие
коэффициента массопередачи от коэффициента массоотдачи?
9. Как определить
давление, температуру и концентрацию растворенного газа в жидкости? В каких
единицах выражаются эти параметры в международной системе (СИ)?
Таблица 1
Таблица 2
Литература
1.
Федоров
К.М., Гуляева Ю.Н., Дужий А.Б. Процессы и аппараты пищевых производств. Учеб.-метод.
пособие. СПб, 2014. 67 с.
2.
Гринберг Я.И.
Проектирование химических производств. Учебное пособие, - М: Химия, 1970. 268
с.
3.
Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты
процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. М:Химия, 1974. 342
с.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.