Составление отчета

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчёте должны быть представлены:

-описание цели работы,

-схема лабораторной установки,

-описание работы установки,

-методика проведения работы,

-полученные экспериментальные данные,

-результаты обработки опытных данных,

-выводы.

Таблица

Состав кипящей водно-спиртовой жидкости, образующегося из неё пара и температура кипения этой жидкости при атмосферном давлении [4, с. 44-46]

Содержание спирта в жидкости		Температура кипения, оC	Содержание спирта в парах
% мас. % мол.			% мас.	% мол.
1	2	3	4 5
0,01 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00	0,04 0,004 0,055 0,08 0,12 0,16 0,19 0,23 0,27 0,31 0,35 0,39 0,79 1,19 1,61 2,01 2,43 2,86 3,29 3,73 4,16 4,61 5,07 5,51 5,98 6,46 6,86 7,41 7,95	99,9 99,8 99,7 99,6 99,5 99,4 99,3 99,2 99,1 99,0 98,9 98,75 97,65 96,65 95,8 94,95 94,15 93,35 92,6 91,9 91,3 90,8 90,5 89,7 89,2 89,0 88,3 87,9 87,7	0,13 1,3 1,95 2,6 3,8 4,9 6,1 7,1 8,1 9,0 9,9 10,75 19,7 27,2 33,3 37,0 41,1 44,6 47,6 50,0 52,2 54,1 55,8 57,4 58,8 60,0 61,1 62,2 63,2	0,053 0,51 0,77 1,03 1,57 1,98 2,48 2,90 3,33 3,725 4,12 4,51 8,76 12,75 16,34 18,68 21,45 23,96 26,21 28,12 29,92 31,56 33,06 34,51 35,83 36,98 38,06 39,16 40,18

19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 47,00 48,00 49,00 50,00 51,00 52,00 53,00 54,00 55,00 56,00 57,00 58,00 59,00

8,41 8,92 9,42 9,93 10,48 11,00 11,53 12,08 12,64 13,19 13,77 14,35 14,95 15,55 16,15 16,77 17,41 18,03 18,68 19,34 20,00 20,68 21,38 22,07 22,79 23,51 24,25 25,00 25,75 26,53 27,32 28,12 28,93 29,80 30,61 31,47 32,34 33,24 34,16 35,09 36,02

87,4 87,0 86,7 86,4 86,2 85,96 85,7 85,4 85,2 85,0 84,8 84,7 84,5 84,3 84,2 83,85 83,75 83,7 83,5 83,4 83,3 83,1 82,95 82,78 82,65 82,5 82,45 82,35 82,3 82,15 82,0 81,9 81,8 81,7 81,6 81,5 81,4 81,3 81,25 81,2 81,1

64,3 65,0 65,8 66,6 67,3 68,0 68,6 69,3 69,8 70,3 70,8 71,3 71,7 72,1 72,5 72,9 73,2 73,5 73,8 74,0 74,3 74,6 74,8 75,1 75,4 75,6 75,9 76,1 76,3 76,5 76,8 77,0 77,3 77,5 77,7 78,0 78,2 78,5 78,7 79,0 79,2

41,27 42,09 42,94 43,82 44,61 45,41 46,08 46,90 47,49 48,08 48,68 49,30 49,77 50,27 50,78 51,27 51,67 52,04 52,43 52,68 53,09 53,46 53,76 54,12 54,54 54,80 55,22 55,48 55,74 56,03 56,44 56,71 57,12 57,41 57,70 58,11 58,39 58,78 59,10 59,55 59,84

Таблица (продолжение)

1	2	3	4	5
60,00 61,00 62,00 63,00 64,00 65,00 66,00 67,00 68,00 69,00 70,00 71,00 72,00 73,00 74,00 75,00 76,00 77,00 78,00 79,00 80,00 81,00 82,00 83,00 84,00 85,00 86,00 87,00 88,00 89,00 90,00 91,00 92,00 93,00 94,00 95,00 95,57	36,98 37,97 38,95 40,00 41,02 42,09 43,17 44,24 45,41 46,55 47,72 48,92 50,16 51,39 52,68 54,00 55,34 56,71 58,11 59,55 61,02 62,52 64,05 65,64 67,27 68,92 70,85 72,36 74,15 75,99 77,88 79,82 81,82 83,87 85,97 88,15 89,41	81,0 80,95 80,85 80,75 80,65 80,6 80,5 80,45 80,4 80,3 80,2 80,1 80,0 79,95 79,85 79,75 79,72 79,7 79,65 79,55 79,5 79,4 79,3 79,2 79,1 78,95 78,85 78,75 78,65 78,6 78,5 78,4 78,3 78,27 78,2 78,18 78,15	79,5 79,7 80,00 80,3 80,5 80,8 81,0 81,3 81,6 81,9 82,1 82,4 82,8 83,1 83,4 83,8 84,1 84,5 84,9 85,4 85,8 86,3 86,7 87,2 87,7 88,3 88,9 89,5 90,1 90,7 91,3 92,0 92,65 93,4 94,2 95,05 95,57	60,29 60,58 61,02 61,44 61,75 62,22 62,52 62,99 63,43 63,91 64,21 64,70 65,34 65,81 66,28 66,93 67,42 68,07 68,76 69,59 70,29 71,14 71,86 72,71 73,61 74,69 75,81 76,93 78,00 79,26 80,42 81,83 83,15 84,70 86,4 88,25 89,41

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом установки и на верхней площадке;

- проверить наличие жидкости в кубе колонны;

- открыть вентиль на линии подачи воды в дефлегматор.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- внимательно следить за величиной давления греющего пара в кубовом кипятильнике и за величиной давления в ректификационной колонне, не допуская их повышения сверх нормы;

- аккуратно производить отбор и замеры дистиллята и флегмы на верхней площадке лабораторной установки;

- внимательно и осторожно передвигаться по лестницам и площадкам лабораторной установки;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- о всех замеченных неполадках докладывать преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить электронагрев в теплообменнике исходной смеси;

- закрыть вентиль на линии подачи пара в кубовый кипятильник;

- закрыть вентиль на линии подачи исходной смеси в колонну;

- не закрывать вентиль на линии подачи воды в дефлегматор без указания преподавателя или учебного мастера;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей лабораторной работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Объяснить устройство и принцип действия ректификационной колонны.

4. Каков порядок выполнения работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. В чём заключается принцип разделения жидких смесей ректификацией?

2. В чём отличие ректификации от простой перегонки?

3. Что такое дефлегмация и в чём её отличие от конденсации?

4. Что такое азеотропная смесь, азеотропная точка и можно ли разделить азеотропную смесь ректификацией?

5. Что такое флегмовое число, рабочее, минимальное, оптимальное?

Способы их определения.

6. Что такое движущая сила процесса ректификации и как её изобразить на диаграмме Y-X?

7. Материальный и тепловой балансы ректификационной установки в целом и отдельных её частей (уметь составить и использовать для решения практических задач).

8. Схемы простой перегонки и ректификации.

9. Колонные массообменные аппараты насадочные и тарельчатые, типы насадок и тарелок.

10. Вторичные тепловые потоки в ректификационной установке и пути их использования (проанализировать по схеме, дать обоснование).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Стабников В.Н. Расчёт и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев: Техника, 1970.

2. Касаткин К.Ф. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.2. – М.: Химия, 1995.

4. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. – М.: Пищевая пром-сть, 1969.

Р а б о т а №13.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ.

В различных отраслях промышленности для разделения жидких неоднородных систем применяют метод центрифугирования. Он основан на воздействии центробежного силового поля на неоднородную систему, состоящую из двух или более фаз – суспензию (жидкость – твердое вещество), эмульсию (жидкость – жидкость).

Разделение в центрифугах может быть основано на принципе отстаивания или фильтрации. В первом случае центрифуги изготовляют с отстойным ротором, имеющим барабан со сплошными стенками (осадительные центрифуги), во втором – с перфированным ротором, на внутренней стенке которого уложена фильтровальная перегородка (фильтрующие центрифуги).

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки. При центрифугировании давление внутри барабана создается центробежной силой, возникающей при вращении жидкости в барабане. Под действием этой силы осветленная жидкость-фильтрат проходит через фильтровальную перегородку, отверстия в роторе и собирается в кожухе, откуда самотоком выводится. Накопившийся внутри барабана на фильтровальной перегородке осадок выгружается. Процесс выгрузки в центрифугах периодического действия производят при неподвижном барабане.

Описание установки малой промышленной фильтрующей центрифуги периодического действия (рис. 1).

Краткая характеристика оборудования

Центрифуга – вертикальная, фильтрующая, с ручкой выгрузки осадка через борт ротора. Привод центрифуги – нижний.

Ротор центрифуги:

1. Внутренний диаметр ротора D = 400 мм.

2. Высота ротора L = 210 мм.

3. Внутренний диаметр бортового кольца ротора d₀= 290 мм.

4. Геометрический объем ротора V = 20 л.

5. Рабочий объем ротора Ω = 10 л.

6. Вес ротора (вес вращающихся частей) G_δ= 70 кгс.

7. Число оборотов ротора n = 3450 об/мин.

Рис. 1. Схема установки:

1 – фильтрующая центрифуга; 2 – сборник фильтрата; 3 – емкость для приготовления суспензии.

Материал ротора – сталь Х18Н10Т, толщина стенки δ= 5 мм.

Диаметр отверстий ротора – 6 мм.

Кожух (корпус) центрифуги выполнен заодно со станиной из листовой нержавеющей стали. Сверху имеется откидная крышка, которая при работе центрифуги должна быть всегда закрыта.

Опора ротора и тормоз. Одним из основных узлов центрифуги является опора ротора, которая состоит из корпуса подшипников, прикрепленного к станине, и вертикального вала, на верхнюю коническую консоль которого устанавливают, закрепляя гайкой, ротор. На нижнем цилиндрическом конце вала смонтирован автоматический ленточный тормоз и шкив. Вал установлен на двух подшипниках: верхний роликоподшипник, нижний шарикоподшипник. Привод центрифуги состоит из синхронного электродвигателя, который закреплен на подмоторной плите (продолжение станины). На валу электродвигателя жестко закреплена пусковая центробежная муфта-шкив, предназначенная для плавного пуска электродвигателя и предохранения его от перегрузок.

Мощность двигателя – 2,8 кВт, число оборотов – 2890 об/мин,

вес – 50 кГ, кпд = 81,5%.

Характеристика контрольно-измерительных приборов

1. Измерительный комплект К-50 для замера мощности.

2. Ареометр со шкалой 1…1,25 г/см³ для измерения плотности приготовленной суспензии.

3. Весы технические (РН-10Ц13м со шкалой 0,1-10 кг).

4. Влагомер ламповый.

5. Тахометр (счетчик числа оборотов ротора).

6. Секундомер.

7. Мерные сосуды (металлические) емкостью 1…2 литра.

Методика проведения работы

Определение производительности и потребляемой мощности при загрузке суспензии в неподвижный ротор.

Во время проведения опыта по секундомеру замерить продолжительность следующих операций:

1. Время загрузки центрифуги суспензией τ₁ , мин.

2. Время пуска и разгона ротора до рабочего числа оборотов τ₂ , мин.

3. Время работы центрифуги при постоянном числе оборотов ротора τ₃ , мин.

4. Время торможения τ₄ , мин.

5. Время выгрузки осадка τ₅ , мин.

В емкость 3 залить 10 литров воды и загрузить 2 кг сухого порошка мела. Тщательно перемешать суспензию вручную. Для определения удельного веса приготовленной суспензии взять пробу в объеме около 250 мл. Удельный вес суспензии определить ареометром со шкалой 1…1,2 г/см³. При отсутствии меловой суспензии работу проводить на суспензии, приготовленной из распущенного в воде асбеста. В этом случае удельный вес суспензии определить весовым способом.

При выключенном электродвигателе и откинутой крышке центрифугу загрузить суспензией, после этого крышку кожуха плотно закрыть.

Центрифуга готова к работе. Время, затраченное на загрузку центрифуги суспензией ( τ₁ ), записать в таблицу опытных данных (табл. 1). Сразу же после заполнения ротора суспензией при закрытой крышке кожуха нажатием кнопки пускателя включить двигатель центрифуги и одновременно произвести замер времени пуска и разгона ротора до рабочего числа оборотов ( τ₂ ).

По показанию прибора К-50 замерить мощность, затраченную на сообщение кинетической энергии вращающимся массам центрифуги

( N = N₁ + N₂ ).

При установившемся режиме работы центрифуги (о данном режиме работы можно судить по положению стрелки амперметра прибора К-50) снять показания потребляемой мощности (N_р) и (τ₃).

Конец стадии фильтрации зафиксировать прекращением интенсивного отвода фильтрата из кожуха центрифуги.

После этого выключить двигатель и одновременно замерить по секундомеру время до полной остановки ротора (τ₄). Убедившись в полной остановке ротора, открыть крышку кожуха и выгрузить влажный осадок из барабана в предварительно взвешенный противень. Время, затраченное на выгрузку осадка (τ₅), занести в табл. 1.

Противень с влажным осадком взвесить с точностью до 0,01 кг. Отобрать из нескольких мест влажного осадка пробу в количестве 20…50 грамм и быстро взвесить с точностью до 0,01 г. Взвешенную пробу высушить до постоянного веса и определить влажность полученного осадка. Во время проведения опыта определить с помощью поплавкового уровнемера скорость отвода фильтрата и его общее количество (данные занести в табл. 2).

Таблица 1

Продолжительность операции и опыта, мин					Плотность суспензии ρс, кг/м3	Вес влажного осадка G, кгс	Вес пробы			Объем фильтрата V, м3
							gвл.,г	gсух.г
τ1	τ2	τ3	τ4	τ5

Таблица 2

Время с началаопыта, с
Объем фильтратак данному моменту

Обработка опытных данных

1. Определение фактора разделения

Фактор разделения является важной характеристикой процесса центрифугирования. Им определяется, во сколько раз ускорение центробежного поля, развиваемое в центрифуге, больше ускорения силы тяжести:

К_р = ω²R/g = n²R/900,

где ω = πn/30 – угловая скорость барабана, с^-1;

n – число оборотов барабана, об/мин;

R - внутренний радиус барабана, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

2. Расчет индекса производительности

Разделяющая способность центрифуг характеризуется индексом производительности ∑ , который является произведением площади осаждения на фактор разделения, т.е. ∑ = FК_р. Индекс производительности фильтрующих центрифуг определяют по формуле:

∑ = Ω n²/ 900 lnR/r₀ ,

где Ω = π(R² – r₀)L – полезный объем ротора, м³;

r₀ – радиус борта ротора, м;

L – высота ротора, м.

3. Расчет давления фильтрования

Давление центробежной фильтрации (движущая сила процесса) можно определить по формуле

Р_ц = γ_ж π² n²/1800g(R² – r²₀), н/м²,

где γ_ж – удельный вес жидкости, кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м /с²;

n – об/мин.

Давление фильтрации для центрифуг периодического действия изменяется за время фильтрации от максимального значения в начале до минимального значения в конце. Р_max можно рассчитать по формуле

Р_max = G_c K_p/F10⁴, кг/см²,

где G_c – количество переработанной за время опыта суспензии, кг;

G_c =Vρ+G_oc.

F – внутренняя поверхность барабана, м²;

где V – объем фильтрата, м³;

ρ – плотность фильтрата, кг/м³;

G_ос – вес осадка, кг.

4. Определение мощности на валу центрифуги

Мощность электродвигателя центрифуг периодического действия выбирают по пусковой мощности.

N_п = N₁+N₂+N₃+N₄ , кВт,

где N₁ – мощность, затрачиваемая на преодоление инерции ротора.

Вычисляют по формуле

N₁=G_δR²n²/1800∙102∙τ_п , кВт ,

где G_δ – вес барабана, кгс;

τ_п=τ₂ – длительность разгона ротора, с;

N₂ – мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы загрузки. Определяют по формуле

N₂=G_c(R²+r₀²)π²n²/900·4·102·9,81·τ_n , кВт,

где G_c – вес суспензии, загруженной в ротор, кг;

τ_n=τ₂ – длительность разгона ротора, с;

N₃ – мощность, расходуемая на трение шейки вала в подшипниках. Рассчитывают по формуле

N₃=(G_δ+G_c)πd_в·n·f/30·102 , кВт,

где d_в=0,05 м – диаметр шейки вала;

f=0,03 – коэффициент трения;

N₄ – мощность, затрачиваемая на преодоление трения ротора о воздух.

N₄=1,32·10^-9·LD⁴·n³ , кВт,

где D – диаметр ротора (наружный), м;

L – высота ротора, м.

Мощность двигателя

N_дв. = N/η , кВт,

где η = 0,8…0,9 кпд привода центрифуги.

В рабочий период расход энергии значительно меньше и может быть оценен по формуле:

N_р = 1/4·N₂+N₃+2/3N₄

Расчетные значения мощности по отдельным статьям расхода и опытные, снятые по показаниям прибора К-50, должны быть занесены в таблицу

Таблица 3

Статьи расхода мощности (расчетные), кВт						Фактический расход мощности (опытные данные), кВт
N1	N2	N3	N4	ΣN	Nn		Nр
4,5	0,93	17,5	0,5	220

5. Определение производительности центрифуги:

а) производительность центрифуги по количеству переработанной суспензии

Q = G_c· 60/Στ , л/ч

или

Q^/ = G_c·ρ_c· 60/Στ , кг/ч,

где G_c – количество переработанной за время опыта суспензии.

G_с = V·ρ+G_ос , кг,

где V – объем собранного фильтрата, м³;

ρ – плотность собранного фильтрата, кг/м³;

б) производительность центрифуги по влажному осадку

Q_вл = G_вл· 60/Στ , кг/ч,

где G_вл – вес влажного осадка, собранного в противне, кг;

в) производительность центрифуги по сухому осадку

Q_сух = G_сух· 60/Στ , кг/ч,

Вес сухого осадка определяем по формуле

G_сух = G_вл(100 – ω)/100 , кг,

где ω = (q_вл - q_сух)100/q_вл , % - влажность осадка;

г) производительность центрифуги по фильтрату

V_ф = V·60/Στ , м³/ч,

где V – объем собранного фильтрата, м³.

6. Коэффициент заполнения ротора центрифуги:

φ = V·100/V_б , %.

Объем барабана V_б рассчитываем (без учета объема ступици) по следующей формуле

V_б = 0,785D²L , м³.

7. Оформление отчета

Отчет по данной работе должен включать в себя краткое описание установки, табл. 1 – 3 и расчет всех параметров. По данным таблицы 2 построить график зависимости изменения скорости фильтрации от продолжительности основных операций фильтрования.