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
Vш πD² πD³
Vп = Vц + —— = —— Нц + —— =...м³
2 4 12
где D — внутренний диаметр выпарного аппарата, D=...м,
Нцр — высота р-ра в цилиндрической части аппарата до уровня раствора (см. рис. 1), Нц =...м.
5.2 Масса первоначального раствора
Gн= Vпρн=...кг,
где ρн — плотность исходного раствора,
267
ρн = ————— *10³ =...кг/м³,
267 — nсух н
nсух н — содержание сухих веществ в исходном растворе, nсух н = 5...15 мас%.
5.3 Масса сгущенного раствора, выгружаемого из аппарата.
Gк= Vпρк=...кг,
где ρк — плотность сгущенного раствора,
267
ρк = ————— *10³ =...кг/м³,
267 — nсух к
nсух н — содержание сухих веществ, nсух н = 24 мас%.
5.4 Масса раствора заполняемая выпарной аппарат за цикл выпаривания — 1 и 2 периоды
nсух к
G = Gк ————— =...кг.
nсух н
5.5 Масса доливаемого раствора за второй период выпаривания
Gq = G — Gн =...кг.
5.6 Масса вторичного пара, т.е.количество выпаренной воды
Dв = W = G — Gк=...кг.
Тепловые расчеты.
Ведем на 2 периода работы установки:
1. Нагревание исходного раствора до t рк, °C,
2. Выпаривание воды из раствора W кг/цикл.
5.7 Расход тепла в первый период — период нагревания раствора до кипения, t рк .
а) Расход тепла на нагрев первоначального наливаемого раствора до кипения
Q'1 = Gн Сн(t рк - t рн)=...Дж,
где Сн — теплоемкость первоначального раствора,
Сн = (4187 — 28 nсух н)/ 10³=...кДж/(кгК).
nсух н — содержание сухих веществ в исходном растворе,
nсух н =...мас%,
t рн — температура исходного раствора, t рн =...°C,
t рк — конечная температура, t рк = tкип +Δф-х,
tкип — температура кипения растворителя — воды, при ρо= ρатм — ρвак =...атм,
tкип =...°C по табл.1 [2, с. 126],
ρатм — атмосферное давление, ρатм = 1 атм,
ρвак — вакуум в установке, ρвак = -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 ак - t ан)=...Дж,
где Ga — масса аппарата, Ga = (πDнН'ц+πDн²) δρа =...кг.,
Dн — диаметр аппарата наружный, Dн=...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 ак и t ан — соответственно температуры аппарата конечная и начальная, t ак= t рк =...°C, t ан= t рн =...°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
Q1н = Gq Cн (t рк - t рн).
б) расход тепла на испарение воды из раствора
Q"W = W*ι=...кДж,
где ι — удельная теплота парообразования, ч=...кДж при ρо =...ат(кПа) по табл. 1 [2, с. 126].
в) расход тепла на компенсацию потерь в окружающую среду
(Q"1 + Q"W)х
Qпот= —————=...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+ Qпот=...кДж.
5.9 Продолжительность первого периода
Q'общ
τ1 = ———
к1ΔtсрF
где к1 — коэффициент теплопередачи, к1 = 6...8 кВт/(м²к),
F — поверхность теплопередачи, F= πD²,
Δtср — средняя разность температур.
Δtб
При ——>2, то Δtср определяется как среднее
Δtм Δtб - Δtм
логарифмическое Δtср = —————,°C
Δtб
2,3lq(——)
Δtм
Δtб
При ——<2, то Δtср определяется как среднее
Δtм Δtб + Δtм
арифметическое Δtср = —————,°C
2
где Δtб = tп — tпр,
Δtм = tп — tкр
Рис. 2. К определению Δtср.
5.10 Продолжительность второго периода
Q"общ
τ2 = ————
К2 Δt F
где К2 — коэффициент теплоотдачи, К2= 5...6 кВт/(м²К),
Δt — разность температур, Δt= tп — tкип (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= —————
iп — iкон
где iп — энтальпия пара, по табл. 1 [2, с. 126], при ρп = (1...5)10Па,
iкон — энтальпия конденсата, iкон= Скон — tкон, кДж/кг,
Скон - теплоемкость конденсата, кДж/(кгК),
tкон — температура конденсата, tкон= tп — (2...3).
а) Секундный расход пара
D
Dс = ———,кг/с,
τ
б) Напряженность выпарного аппарата
W
U = ———, кг/(м²с),
F τ
в) Расход охлаждающей воды в конденсаторе
W ι х
Wо = —————, кг,
сW (tWк - tWн)
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,
сW- теплоемкость охлаждающей воды при
tWк + tWн
tсрW = —————, °C,
2
сW =...кДж/(кгК), по табл. 2 [3, с. 141],
tWн — начальная температура охлаждающей воды,
tWн = 8...25 °C,
tWк — конечная температура охлаждающей воды,
tWк = tкип — (3...6) °C.
5.13 Предельное объемное напряжение сепарационного пространства для получения сухого пара.
WсV
Qп = ————, кг/(м³с),
Vсеп
где Wс- секундное колличество выпариваемой воды
W
Wс = ——, кг/с,
τ2
V - удельный объем вторичного пара при ρо =...ат,
V =...м³/кг по табл. 1 [2, с. 126],
Vсеп — объем сепарационного пространства, Vсеп=Vн,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 ρат, ρизг, ρвак 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.