Охрана воздушного бассейна. метод. указания к выполнению лабораторных работ. Сотникова О.А., Шершнев В.Н

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы выполняются при изучении дисциплины «Охрана воздушного бассейна» студентами заочного факультета, обучающимися по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Назначение лабораторных работ – систематизация, практическое закрепление и расширение теоретических знаний по курсу «Охрана воздушного бассейна» и овладение навыками самостоятельных экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены в качестве руководства при проведении экспериментов, проводимых в лабораторных (лабораторная работа № 3) и производственных условиях (лабораторные работы №№ 1,2,4,5).

Отчет по каждой лабораторной работе должен содержать: 1.Таблицу(ы) с результатами измерений и наблюдений.

2.Основные расчетные зависимости, использованные при обработке опытных данных, и проделанные расчеты.

3.Краткий анализ сущности изученных процессов и объяснение полученных результатов.

4.Графики и диаграммы (в соответствии с заданием по каждой лабораторной работе).

5.Оценку погрешности определяемых в процессе опытов величин.

Лабораторная работа № 1

Изучение метода кондуктометрии

Цель работы: изучение основных приемов работы на компенсационном кондуктометре.

Задание:

1.Построить калибровочный график определения концентрации.

2.Определить содержание солей в контрольном растворе.

1.1. Краткие теоретические сведения

Метод кондуктометрии относится к физико-химическим методам анализа состава газообразных или жидких сред, в частности к электрохимическому методу. Он основан на измерении электропроводности раствора и его зависимости от концентрации содержащихся в растворе веществ. Как любой проводник, вода, содержащая примеси, обладает электрическим сопротивлением R. Характеристикой электрической проводимости раствора является электропроводность W, эти величины связаны между собой следующими уравнениями:

3

где r - удельное электрическое сопротивление раствора; L - расстояние между электродами (рис. 1.1); S - площадь сечения промежутка воды; x - удельная электропроводность

Рис.1.1. Принципиальная схема кондуктометра

Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление столба исследуемого раствора площадью сечения S = 1 см2 и длиной L= 1 см. Удельное сопротивление зависит от природы растворенных в ней веществ, их концентрации и температуры. Удельная электропроводность является величиной, обратной удельному электрическому сопротивлению r .

Достаточно точно для практических целей зависимость электропроводности раствора от его состава и температуры может быть описана таким образом:

где x0 - электропроводность дважды перегнанной дистиллированной воды; a и b - коэффициенты, зависящие от природы растворенных веществ и их концентрации.

Метод, основанный на измерении электропроводности раствора с целью получения значения концентрации растворенной в растворе примеси, на-

зывается кондуктометрией.

4

1.2. Методика проведения опыта и обработки результатов измерений

1.2.1. Состав экспериментального оборудования

Кондуктометр ММЗЧ-04 с контактным датчиком типа УК-02/1. Посуда: цилиндры для калибровочной кривой V = 6 мл – 6 шт.; колба

для рабочего раствора V = 250 мл – 1 шт.; пипетки 5 и 10 мл – по 1 шт.; лабораторный термометр для раствора.

1.2.2. Приготовление растворов

1.2.2.1. Приготовление рабочего раствора электролита

Концентрация рабочего раствора электролита – 10 г/л NaCl. Для приготовления такого раствора используют навеску массой 2,5 г, которую растворяют в колбе 250 мл дважды перегнанной дистиллированной водой.

1.2.2.2. Приготовление шкалы концентрации раствора

В шесть мерных цилиндров объемом V = 100 мл каждый вносят 1; 2; 5; 10; 20; 30 мл рабочего раствора и доводят объем до 100 мл дистиллированной водой.

Концентрации полученных растворов будут соответственно равны: 100; 200; 500; 1000; 2000; 3000 мг/л.

1.2.3. Порядок проведения работы

1.2.3.1. Построение калибровочной кривой для определения концентрации растворимых минеральных солей и других токсичных примесей и изучение влияния температуры исследуемого раствора на его электропроводность.

Образцы растворов последовательно помещаются в измерительный стакан кондуктометра. Измерительный стакан промывается вместе с датчиком прибора дистиллированной водой после каждой смены исследуемого раствора. Удельное электрическое сопротивление измеряют для каждого раствора шкалы концентраций, начиная с наименьшей концентрации при температуре около 15 °С .

Результаты измерений записывают в табл. 1.1.

Для большей точности определения рекомендуется измерения выполнять на разных пределах чувствительности прибора.

Затем проводят аналогичные измерения удельного электрического сопротивления растворов шкалы для температур исследуемых растворов при-

близительно: 20, 25, 30, 35 °С .

Точные значения температур заносят в табл. 1.1.

5

1.2.3.2. Определение содержания примесей в контрольном растворе

В контрольном образце раствора необходимо вначале определить температуру термометра, а затем измерить удельное электрическое сопротивление кондуктометра. Используя эти два измеренных значения и ориентируясь на полученные выше зависимости x = f (C)t =const и x = f (t)C =const , находим концентрацию примесей в контрольном образце раствора.

Лабораторная работа № 2

Изучение метода фотометрии

Цель работы: изучение основных приемов работы на фотоэлектроколориметре.

Задание:

1.Построить график зависимости оптической плотности от длины волны и определить оптимальную длину волны, соответствующую максимальному значению оптической плотности.

2.Построить калибровочные графики для двух значений ширины кюветы фотоэлектроколориметра.

2.1.Краткие теоретические сведения

Методы анализа жидких и газообразных сред, основанные на светопоглощении, называются фотометрическими.

По закону Бугера-Ламберта-Бера интенсивность светового потока, выходящего из слоя, определяется по формуле

6

где It - интенсивность светового потока, выходящего из слоя; I0 - интенсивность светового потока, падающего на слой; e - коэффициент, не зависящий от концентрации; C - концентрация вещества; b - толщина слоя.

Коэффициент поглощения k = e ×C пропорционален концентрации поглощающего вещества, например раствора или газа.

Логарифм отношения интенсивности I0/It называется оптической плотностью D и определяется по формуле

Прибор, используемый для осуществления фотометрического метода в видимой части спектра, называется фотоэлектроколориметром (КФК).

Принцип действия прибора заключается в регистрации величины тока фотоэлемента, на который падает пучок монохроматического света, прошедшего через слой исследуемой жидкости или газа. КФК позволяет определять величину оптической плотности исследуемых сред.

2.2. Методика проведения работы и обработки результатов эксперимента

2.2.1. Состав экспериментального оборудования

Фотоэлектроколориметр; посуда: цилиндры для калибровочной кривой V = 100 мл – 8 шт., цилиндр – 1 шт. для разведения объемом 100 мл, цилиндр объемом V = 25 мл – 1 шт., пипетки 5 и 10 мл – по одной шт.

2.2.2.Приготовление растворов

2.2.2.1.Приготовление рабочего и разбавленного растворов красителя

Концентрация рабочего раствора красителя – 1000 мл/л.

Объем рабочего раствора красителя – 1000 мл. Для приготовления разбавленного раствора используют разведенный рабочий раствор в отношении 1:10. Для этого в цилиндр на 1000 мг вносят 10 мл рабочего раствора и доводят объем до 100 мг дистиллированной водой. Концентрация разбавленного раствора красителя Cк будет равна 100 мл/л.

2.2.2.2. Приготовление шкалы концентраций раствора красителя

Для приготовления шкалы концентраций используется разбавленный раствор красителя. В 8 мерных цилиндров вводят 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 15; 20; 25 мл разбавленного красителя и доводят объем до 100 мл дистиллированной водой, это соответствует концентрациям (Ск) 1; 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50.

7

2.2.3. Порядок проведения работы

2.2.3.1. Подбор длины волны светового пучка

Раствор красителя, имеющий концентрацию, близкую к исследуемому раствору, помещается в измерительную кювету КФК.

Проводят измерения оптической плотности раствора для всех длин волн. В качестве раствора сравнения используют дистиллированную воду.

Результаты измерений заносят в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Зависимость оптической плотности D от длины волны l

l, нм

D

2.2.3.2. Построение калибровочных графиков

Используя данные табл. 2.1, строим график зависимости D = f ( l ). Определяем оптимальную длину волны l , которая будет соответство-

вать максимальному значению Dmax.

Измеряем оптическую плотность D каждого раствора шкалы при найденном по графику значении l и ширине кюветы L=10 мм. В качестве рас-

твора сравнения используют дистиллированную воду. Результаты измерений записывают в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Зависимость оптической плотности D от концентрации красителя Ск

при ширине кюветы 10 мм

Ск, мг/л

D

Далее измерения повторяются для ширины кюветы L=20 мм,

табл. 2.3.

Таблица 2.3 Зависимость оптической плотности D от концентрации красителя Cк

при ширине кюветы L=20 мм

Ск, мг/л

D

8

Используя данные табл. 2.2 и 2.3, построить калибровочные графики в координатах D = f (Ск) для двух значений ширины кюветы. Объяснить полученные результаты.

Лабораторная работа № 3

Изучение процесса тепломассообмена в насадочном абсорбере

Цель работы: провести балансовые испытания насадочного абсорбера при различных плотностях орошения насадки.

Задание:

1.Составить уравнение теплового баланса абсорбера с использованием измеренных в опытах параметров.

2.На основе уравнения теплового баланса рассчитать приход и расход

теплоты для каждого режима с указанием небаланса D Q / Q в процентах.

3.Построить кривую изменения состояния воздуха при тепло- и массообмене с водой в абсорбере (в H – d-координатах).

4.Оценить погрешность определения расхода воздуха и промежуточ-

ного значения энтальпии Hпр при построении кривой тепломассообмена.

3.1.Краткие теоретические сведения

Насадочные абсорберы (их еще называют насадочными колоннами) относятся к диффузионным аппаратам, в которых соприкосновение газов с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки. Насадка характеризуется поверхностью в единице объема (удельная площадь поверхности) S, м2/м3, свободным объемом (порозностью) e ,м3/м3, линейными размерами одного элемента насадки (обычно – эквивалентным диаметром). Насадкой в опытном абсорбере служат нерегулярно уложенные кольца Рашига.

Выбирая скорость газа в свободном сечении абсорбера, следует учитывать, что с ее увеличением повышается коэффициент тепломассоотдачи, но в то же время возрастает унос частиц жидкости из абсорбера вместе с газом и увеличиваются затраты энергии на транспортирование газа, то есть гидравлическое сопротивление абсорбера растет.

Впроцессе охлаждения или нагрева воздуха в абсорбере одновременно

сконвективным переносом теплоты происходит конденсация пара из воздуха

или испарение воды в воздух, то есть с изменением температуры воздуха t1 изменяется и его влагосодержание d1. Поэтому при составлении уравнения теплового баланса абсорбера целесообразно использовать энтальпию воздуха Н1:

9

где h1, hп – соответственно энтальпия сухого воздуха и водяного пара при температуре t1.

В технических расчетах формулу (3.1) обычно заменяют приближенной зависимостью

вии с водой по опытным данным проводится графоаналитическим способом на основе уравнения теплового баланса.

На Н-d-диаграмму (рис. 3.1) наносится точка А, соответствующая начальным параметрам воздуха t1 и Н1 (t1 соответствует показаниям термопары 9; Н1 – энтальпия воздуха на входе, соответствующая показаниям мокрой термопары 8). На линии j = 100% отмечаются положения точек С и D, соот-

ветствующие изотермам t2¢ и t2², равным начальной и конечной температурам воды. Поскольку на лабораторном стенде осуществлен противоток, начало процесса смешения воздуха с водой на Н-d-диаграмме изображается прямой AD, соединяющей точку А, характеризующую состояние воздуха на входе в абсорбер, с точкой D на линии j = 100%, которая соответствует тем-

подставив в него измеренные в опыте промежуточные значения температуры воды t a пр, которые определяют по показаниям термопар 2-7. В уравнении (3.4) L – расход воздуха, кг/с; H1 - энтальпия воздуха на входе в абсорбер, Дж/кг; G - расход воды, кг/с; cр – удельная теплоемкость воды при заданной

температуре, Дж/(кг×°С ); t2² – температура воды на выходе из абсорбера, °С ; H a пр - энтальпия влажного воздуха в сечении, где установлена термопара 2; t a пр – температура, замеряемая термопарой 2.

10