Исследование вакуум- выпарной установки.

1. Цель работы.

1.1 Изучить устройство и принцип действия однокорпусной вакуум- выпарной установки.

1.2  Определение основных параметров процесса.

2. Основы теории [1, с. 138], [2, с. 66...72], [3, с. 72...76].

3. Описание установки (см. рис. 1).

 

 

Рис. 1. Схема лабораторной установки.

1. Водоподогреватель.

2. Паровая рубашка.

3. Вакуум- выпарный аппарат.

4. Каплеловушка.

5. Конденсатор.

6. Сборник- мерник конденсата.

7. Вакуум- насос.

8. Вакуум- метр.

9. Конденсатоотводчик.

---- продукт.

– 1.1х — вода холодная.

– 1.1т — вода теплая.

– 1.1г — вода горячая

– 2в — пар вторичный.

– 3.1 — газы неконденсирующиеся.

– 9.2 — раствор исходный.

– 2.1 — пар до 0,2 МПа.

4. Методика проведения.

После ознакомления с установкой составляем искиз и производим необходимые замеры.

5. Обработка данных. Материальные расчеты.

5.1  Полезный объем аппарата

                          V_ш         πD²      πD³

         V_п = V_ц + —— = —— Н_ц + —— =...м³

                            2     4          12  

где D — внутренний диаметр выпарного аппарата, D=...м,

Н_цр — высота р-ра в цилиндрической части аппарата до уровня раствора (см. рис. 1), Н_ц =...м.

5.2  Масса первоначального раствора

        G_н= V_пρ_н=...кг,

где ρ_{н —} плотность исходного раствора,

                        267

          ρ_н = ————— *10³ =...кг/м³,

                  267 — n_{сух н}

n_{сух н} — содержание сухих веществ в исходном растворе, n_{сух н} = 5...15 мас%.

5.3  Масса сгущенного раствора, выгружаемого из аппарата.

         G_к= V_пρ_к=...кг,

где ρ_к — плотность сгущенного раствора,

                        267

          ρ_к = ————— *10³ =...кг/м³,

                  267 — n_{сух к}

      n_{сух н} — содержание сухих веществ, n_{сух н} = 24 мас%.

5.4  Масса раствора заполняемая выпарной аппарат за цикл выпаривания — 1 и 2 периоды

         n_{сух к}

G = G_{к —————} =...кг.

                  n_{сух н}

5.5 Масса доливаемого раствора за второй период выпаривания

           G_q = G — G_н =...кг.

5.6 Масса вторичного пара, т.е.количество выпаренной воды

            D_в = W = G — G_к=...кг.

Тепловые расчеты.

Ведем на 2 периода работы установки:

1. Нагревание исходного раствора до t ^р_к, °C,

2. Выпаривание воды из раствора W кг/цикл.

 

5.7 Расход тепла в первый период — период нагревания раствора до кипения, t ^р_к .

а) Расход тепла на нагрев первоначального наливаемого раствора до кипения

Q'₁ = G_н С_н(t ^р_к - t ^р_н)=...Дж,

где С_н — теплоемкость первоначального раствора,

  С_н = (4187 — 28 n_{сух н})/ 10³=...кДж/(кгК).

  n_{сух н} — содержание сухих веществ в исходном растворе,

  n_{сух н} =...мас%,

   t ^р_{н —} температура исходного раствора, t ^р_н =...°C,

   t ^р_{к —} конечная температура, t ^р_к = t_кип +Δф-х,

  t_кип — температура кипения растворителя — воды, при  ρ_о= ρ_атм — ρ_вак =...атм,

   t_кип =...°C по табл.1 [2, с. 126],

   ρ_{атм —} атмосферное давление, ρ_атм = 1 атм,

   ρ_вак — вакуум в установке, ρ_вак = -0,95,

    Δф-х — физико-химическая депрессия,

       Δф-х = 0,38 е ^{(0,05+0,045*nсух н)}=...°C,

   е — основание натурального логарифма, е= 2,7.

б) Расход тепла на нагрев выпарного аппарата

   Q'₂ = Ga *Са(t ^а_к - t ^а_н)=...Дж,

где Ga — масса аппарата, Ga = (πD_нН'_ц+πD_н²) δρа =...кг.,

 D_{н —} диаметр аппарата наружный, D_н=...м,

  Н'_ц — высота цилиндрической части аппарата, Н'_ц=...м,

  δ — толщина стенки, δ=...м,

  ρ — плотность материала, ρ= 7800 кг/м³,

  а — дополнительный коэффициент, а= 1,2 (учитывающий фасонные части),

Са — теплоемкость материала, Са= 0,48 кДж/(кгК),

  t ^а_к и t ^а_{н —} соответственно температуры аппарата конечная и начальная, t ^а_к= t ^р_к =...°C, t ^а_н= t ^р_н =...°C

в) Общий расход тепла на первый период работы аппарата

Q'_общ=Q'₁+Q'₂, кДж.

5.8 Расход тепла во второй период — период выпаривания воды из раствора при его кипении.

а) Расход тепла на нагрев доливаемой массы раствора

Q₁^н = Gq C_н (t ^р_к - t ^р_н).

б) расход тепла на испарение воды из раствора

Q"_W = W*ι=...кДж,

где ι — удельная теплота парообразования, ч=...кДж при     ρ_о =...ат(кПа) по табл. 1 [2, с. 126].

в) расход тепла на компенсацию потерь в окружающую среду

      (Q"₁ + Q"_W)х

 Q_пот= —————=...кДж

           100

где х — коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду 2...5 %, х=1,02...1,05.

г) Общий расход тепла за второй период

Q"_общ = Q"₁ + Q"_W+ Q_пот=...кДж.

5.9 Продолжительность первого периода

    Q'_общ

τ₁ = ———

  к₁Δt_срF

где к₁ — коэффициент теплопередачи, к₁ = 6...8 кВт/(м²к),

    F — поверхность теплопередачи, F= πD²,

Δt_ср — средняя разность температур.

     Δt_б

При ——>2, то Δt_ср определяется как среднее

     Δt_м                                              Δt_б -   Δt_м

логарифмическое Δt_ср = —————,°C

                                                 Δt_б

                                      2,3lq(——)

                                                 Δt_м

              Δt_б

При ——<2, то Δt_ср определяется как среднее

            Δt_м                                               Δt_б +   Δt_м

арифметическое Δt_ср = —————,°C

                                             2

где Δt_б = t_п — t_п^р,

Δt_м = t_п — t_к^р

 

Рис. 2. К определению  Δt_ср.

5.10 Продолжительность второго периода

                       Q"_общ

                         τ₂ = ————

                      К₂ Δt F

где К_{2 —} коэффициент теплоотдачи, К₂= 5...6 кВт/(м²К),

  Δt — разность температур, Δt= t_п — t_кип (см. рис. 3).

 

 

Рис. 3. К определению Δt.

5.11 Полное время работы выпарки

        τ = τ₁ +τ₂.

5.12 Расход пара за цикл

        Q'_общ+Q"_общ

   D= —————

            i_{п —} i_кон

где i_п — энтальпия пара, по табл. 1 [2, с. 126], при              ρ_п = (1...5)10Па,

  i_{кон —} энтальпия конденсата, i_кон= С_кон — t_кон, кДж/кг,

С_кон - теплоемкость конденсата, кДж/(кгК),

  t_{кон —} температура конденсата, t_кон= t_п — (2...3).

а) Секундный расход пара

                               D

                   D_с = ———,кг/с,

                                τ

б) Напряженность выпарного аппарата

                                W

                     U = ———, кг/(м²с),

                               F τ

в) Расход охлаждающей воды в конденсаторе

                        W ι х

         W_о = —————, кг,

                   с_W (t_Wк - t_Wн)

где ι — удельная теплота парообразования при ρ=...ат,

ι =...кДж, по табл. 1 [2, 126],

х — потери тепла в окружающую среду стенками конденсатора от 3...5 % х= 0,95...0,97,

с_W- теплоемкость охлаждающей воды при

                       t_Wк + t_Wн

           t_срW = —————, °C,

                             2

с_W =...кДж/(кгК), по табл. 2 [3, с. 141],

t_{Wн —} начальная температура охлаждающей воды,

t_Wн = 8...25 °C,

t_{Wк —} конечная температура охлаждающей воды,

t_Wк = t_{кип —} (3...6) °C.

5.13 Предельное объемное напряжение сепарационного пространства для получения сухого пара.

                   W_сV

        Q_п = ————, кг/(м³с),

                   V_сеп

где W_с- секундное колличество выпариваемой воды

                     W

           W_с = ——, кг/с,

                      τ₂

       V - удельный объем вторичного пара при ρ_о =...ат,

  V =...м³/кг по табл. 1 [2, с. 126],

V_{сеп —} объем сепарационного пространства, V_сеп=V_н,м³.

6. Вопросы для самопроверки.

6.1   Из каких элементов состоит выпарная установка и ее расчет?

6.2   Условия для работы выпарной установки.

6.3   Как производится циркуляция в установке?

6.4   На что затрачивается энергия греющего пара?

6.5   Какие основные факторы влияют на интенсивность кипячения в вакуум- выпарной установке?

6.6    Как влияет высота заполнения кипятильных труб на интенсивность процесса?

6.7    С какой целью отводят из греющей камеры неконденсирующиеся газы и конденсат?

6.8    Выпаривание и испарение, их характеристика.

6.9    Сравнительная характеристика выпаривания при ρ_ат, ρ_изг, ρ_вак и в одно и многокорпусных в/ установках.

6.10 Оптимальное число корпусов, его определение.

6.11 Особенности выпаривания с тепловым насосом.

6.12 Полная, полезная разность температур и температурные потери, их характеристика.

6.13 Виды, устройство и действия выпарных аппаратов.

6.14 Конструктивный расчет выпарных аппаратов.

6.15 Конденсация, способы, применяемые аппараты, их устройство, действие, расчет.

6.16 Регулируемые параметры выпаривания и конденсации.

7. Вывод. Анализ.

8. Инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

8.1   Проверить готовность установки к исследованию (наличие ограждения привода вакуум- насоса подогревателя, пусковых приборов пульта управления, заземления).

8.2    Не касаться токоведущих частей — привода, вакуум- насоса.

8.3   Не допускать температуру воды в подогреватель свыше 60°C. В случае выше при утечке можно получить ожог.

8.4    В случае нарушения режима работы установки тлт поражения током немедленно обесточить с помощью общего щита.