Лабораторные работы / 1

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический институт

Кафедра машины и аппараты химических производств

Отчёт

Лабораторная работа № 1

Изучение процесса абсорбции.

Преподаватель	Хомякова Т.В.
Студент	Хитрых А.В.
Группа	Фт-320016

Екатеринбург

2025 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение процесса абсорбции, определить конечное количество кислорода в воде.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Понять основные принципы процесса абсорбции.

2. Рассчитать конечное количество кислорода в воде.

3. Построить графики зависимости конечной концентрации кислорода в воде от расхода кислородной смеси и зависимости конечной концентрации кислорода в воде от времени.

4. Сделать выводы.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Абсорбция — это процесс избирательного поглощения газа из смеси газов (или пара из парогазовой смеси) жидким поглотителем. В абсорбционных процессах участвуют две фазы: газовая и жидкая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией, при котором вещество переходит из жидкой фазы в газовую.

Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, устанавливающееся при продолжительном соприкосновении фаз, и зависит от состава одной из фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и поглотителя.

Для каждой конкретной системы газ-жидкость при определенной температуре и давлении существует строго определенная зависимость между равновесными концентрациями. Эта зависимость может быть представлена в виде функции:

Для разбавленных растворов хорошо растворимых газов равновесная зависимость хорошо описывается законом Генри:

, где

m — константа фазового равновесия, величина которой зависит от природы газа и жидкости, и единиц, в которых выражены концентрации.

Закон Генри описывает равновесную зависимость между концентрацией газа в жидкости и его парциальным давлением над жидкостью. Константа m зависит от природы газа и жидкости, а также от температуры. Этот закон применим для разбавленных растворов хорошо растворимых газов.

Уравнение материального баланса абсорбера:

Уравнение описывает баланс массы в абсорбере, где G — расход инертного газа, L — расход абсорбента, Y_H и Y_K — начальная и конечная концентрации газа, а X_H и X_K​ — начальная и конечная концентрации абсорбента. Уравнение позволяет определить, как изменяется количество газа в системе при его поглощении жидкостью.

Если исходный абсорбент не содержит распределяемый компонент (X_H = 0), то

Рисунок 1 – График процесса абсорбции

ОС – линия равновесия у*= f(х);

АВ – рабочая линия – прямая, проходящая через точки (У_Н, Х_К) и (У_К, Х_Н).

Полученная зависимость называется уравнением рабочей линии. Это уравнение позволяет определить значение рабочей концентрации в любой точке аппарата.

Движущая сила абсорбции — это разность между рабочей и равновесной концентрациями вещества в фазе. Она изменяется по высоте абсорбера и может быть выражена как среднелогарифмическая величина разности концентраций на концах аппарата.

Основное уравнение массопередачи описывает передачу массы через поверхность контакта фаз.

M — количество передаваемого компонента,

— коэффициент массопередачи,

F — поверхность контакта фаз,

— средняя движущая сила.

Описание и принцип работы лабораторной установки

Схема лабораторной установки для изучения процесса абсорбции на рис.2.

Рисунок 2 – Лабораторная установка для изучения процесса абсорбции

1 – концентратор кислорода, 2 – рабочая емкость, 3 – расходомер

кислородной смеси, 4 – регулятор расхода кислородной смеси

Замеряемые параметры:

Q₁, Q₂ – датчики кислорода;

Q – расход кислорода;

Т – температура внутри рабочей емкости.

Рисунок 3 – Принцип работы концентратора кислорода

В основе принципа работы концентратора кислорода лежит физическое разделение газов из смеси при комнатной температуре (рис. 3).

Принцип работы установки:

1. Воздух всасывается и сжимается, проходя через фильтры и цеолитовую колонну, где азот удаляется, а кислород проходит дальше.

2. Кислород поступает в рабочую ёмкость с водой, где происходит его абсорбция.

3. Датчики измеряют концентрацию кислорода на входе и выходе, что позволяет оценить эффективность абсорбции.

4. Таймер позволяет установить время работы установки, после чего она автоматически отключается.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Данные, полученные в ходе эксперимента, а также рассчитанные по его результатам, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений

№ п/п	G, л/мин	t, °C	V, м3	τ, мин	YН, кмоль	YК, кмоль	L, м3/ч	XН, кмоль	ХК, кмоль
1	3,5	23,3	0,0005	0	39,2	29,9	0,00	0	0,00
2				1	39,7	33,4	1,80		0,74
3				2	39,5	34,2	0,90		1,24
4				3	39,4	34,0	0,60		1,89
5				4	39,4	33,8	0,45		2,61
6				5	39,4	33,7	0,36		3,33
7				6	39,2	33,5	0,30		3,99
8				7	39,0	33,4	0,26		4,57
9	5			0	34,7	20,0	0,00		0,00
10				1	32,9	27,0	1,80		0,98
11				2	32,8	27,7	0,90		1,70
12				3	32,7	27,6	0,60		2,55
13				4	32,7	27,6	0,45		3,40
14				5	32,8	27,5	0,36		4,42
15				6	32,6	27,5	0,30		5,10
16				7	32,7	27,4	0,26		6,18

Выкладка расчётов

Перевод расхода воздушной смеси из л/мин в м³/ч:

Перевод объёма из мл в м³:

Пример перевода времени из минут в часы:

Пример расчёта расхода воды:

Пример расчёта конечной концентрации кислорода в воде:

По рассчитанным результатам были построены: график зависимости конечной концентрации кислорода в воде от расхода кислородной смеси (Рис.4) и график зависимости конечной концентрации кислорода в воде от времени (Рис.5).

Рисунок 4 – График зависимости конечной концентрации кислорода в воде от времени

Выводы

По итогам лабораторных измерений была рассчитана конечная концентрация кислорода в воде, построены соответствующие графики зависимости.

На основе построенных графиков можно сказать, что при увеличении расхода газовой смеси, концентрация кислорода в воде значительно возрастает. За одно и то же время работы установки, при расходе газовой смеси в 5 л/мин, было достигнуто более высокое насыщение воды кислородом, чем при меньшем расходе.