Файл: Отчет о лабораторной работе Испытание выпарной установки Группа Студент Работа принята 2022 г. Преподаватель.doc
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 5
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Дзержинский политехнический институт (филиал)
Кафедра «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии»
Отчет о лабораторной работе
Испытание выпарной установки
Группа
Студент
Работа принята
«» 2022 г. Преподаватель
Цель работы: ознакомление с принципом работы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия, с методикой составления балансовых уравнений, определение удельного расхода энергии на выпаривание.
Теоретическая часть
Выпаривание- процесс концентрирования растворов нелетучих или малолетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении раствора. Удаление растворителя происходит из всего объема кипящего раствора, поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое происходит только с поверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения.
В технике процесс выпаривания получил широкое распространение, так как многие вещества (щелочи, соли, сахар и др.) получают в виде растворов (чаще всего водных), а для дальнейшего потребления, хранения и транспортировки концентрация их должна быть значительно повышена. Выпаривание применяют также для выделения растворителя в чистом виде, например при опреснении морской воды, когда пар конденсируется и используется в бытовых или технических целях.
Для выпаривания раствора можно применять различные теплоносители (греющие агенты), например: водяной пар, топочные газы, дифенильную смесь, перегретую воду, масло, а также электрический обогрев. Чаще всего в качестве греющего агента используют насыщенный водяной пар, который называют греющимили первичным паром. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называется вторичным паром. Вторичный пар, отбираемый для дальнейшего технологического использования, называют экстрапаром.
Тепло, необходимое для выпаривания раствора, обычно подводится через стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. Для этих целей наибольшее применение находят трубчатые выпарные аппараты. Однако в некоторых производствах (например, концентрирование растворов серной кислоты) концентрирование осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора с топочными газами (контактные выпарные аппараты). Выпаривание ведут под атмосферным, а также под повышенным или пониженным давлением в однокорпусных и многокорпусных выпарных установках.
Многокорпусные выпарные установки состоят из нескольких соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. Поэтому в многокорпусных выпарных установках достигается значительная экономия первичного пара по сравнению с однокорпусными установками той же производительности.
Движущая сила процесса выпаривания представляет собой разность температур между горячим теплоносителем и кипящим раствором и называется полезной разностью температур.
При использовании в качестве теплоносителя греющего пара полезная
разность температур равна:
Δt пол=t г.п. –t кип, (1)
Где t г.п.- температура горячего пара, ºС, t кип- температура кипения раствора, ºС.
В расчете температуры кипения раствора необходимо учитывать так называемые температурные потери (депрессии): температурную депрессию Δ´, гидростатическую депрессию Δ´´ и гидравлическую депрессию Δ´´´.
Температурная депрессия Δ´ представляет разность между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя (вторичного пара) при том же давлении. Величина Δ´ зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора и давления.
Гидростатическая депрессия Δ´´ обусловлена повышением температуры кипения раствора, связанным с наличием гидростатического давления столба жидкости в кипятильных трубках выпарных аппаратов. Наличие этого давления
приводит к тому, что температура кипения нижерасположенных слоев жидкости в трубках выше, чем температура кипения вышерасположенных слоев. Наиболее существенна гидростатическая депрессия в аппаратах, работающих под вакуумом.
Гидравлическая депрессия Δ´´´ обусловлена гидравлическими сопротивлениями (трения и местными сопротивлениями), которые преодолевает вторичный пар при движении через сепарационные устройства и паропроводы. Вызванное этим снижение давления вторичного пара приводит к снижению его температуры насыщения. Для единичного аппарата гидравлическая депрессия обычно колеблется в пределах 0,5…1,5 °С, составляя
в среднем 1 °С.
Таким образом, температуру кипения раствора и полезную разность температур можно представить в виде
t кип= t б.к.+ΣΔ, (2)
t кип= t вт.п.+ Δ´+ Δ´´, (3)
Δt пол= t г.п.- t б.к- ΣΔ, (4)
Δt пол= t г.п.- t вт.к- Δ´+Δ´´, где: (5)
где t б.к – температура вторичного пара в барометрическом конденсаторе; t вт.п- температура вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата; ΣΔ -сумма температурных потерь, составляющая:
ΣΔ= Δ´+Δ´´+ Δ´´´
Рассмотрим схему непрерывно действующего выпарного аппарата с вынесенным электрическим греющим элементом и естественной циркуляцией раствора, приведенную на рисунке 1.
Материальный баланс выражается уравнениями:
Gн=Gк+W –общий материальный баланс (6)
Gнxн= Gкxк, (7)
по растворенному нелетучему веществу (xн и xк –концентрации, выраженные в массовых долях, исходного и упаренного раствора).
При составлении теплового баланса аппарата учтем, что приход тепла определяется материальным потоком исходного раствора, поступающего на выпарку, и теплом, выделяемым электрическим греющим элементом; расход тепла определяется материальными потоками вторичного пара и упаренного раствора, а также потерями тепла в окружающую среду с поверхности выпарного аппарата и греющего элемента.
Тогда уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:
N+Gнcнtн=WI вт.п+Gкcкtк+Qпот, где (8)
cн и cк-удельная теплоемкость исходного и упаренного раствора соответственно, выраженная в Дж/(кгК); tн и tк-температура исходного и упаренного раствора; I вт.п -энтальпия вторичного пара, Дж/кг.
Выразим а из уравнения теплового баланса удельный расход энергии на выпаривание 1 кг растворителя:
N/W= I вт.п+( Gкcкtк- Gнcнtн+Qпот)/ W (9)
Принимая ряд допущений (tк=tн, cк=cн, Qпот=0), уравнение преобразуется в следующее:
N/W= I вт.п+cкtк(Gк-Gн)/ W (10)
С учетом значения W из общего уравнения материального баланса получаем:
N/W= I вт.п-cкtк
r
вт.п., где (11)
r вт.п.- теплота парообразования при соответствующей температуре и давлении вторичного пара, кДж/кг.
Экспериментальная часть
Схема испытываемой лабораторной выпарной установки приведена на рисунке 2.
Основным элементом установки является непрерывно действующий выпарной аппарат 1 с вынесенным греющим элементом и естественной циркуляцией раствора. Аппарат имеет электрический обогрев. В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода.
1-аппарат выпарной; 2-емкость напорная; 3-емкость приемная;
4-конденсатор поверхностный; 5-холодильник; 6, 7-ротаметр; 8,9-уровнемер;
10 -ЛАТР; 11-амперметр; 12 -вольтметр; 13,14-вентиль регулировочный;
15,16,17 -кран проходной; 18 -контакт замыкающий;
TI -термометр ртутный; TE -термопара; TIR-потенциометр многоточечный.
Исходная жидкость из напорной емкости 2 через ротаметр 7 подается в выпарной аппарат 1. Расход жидкости регулируется посредством вентиля 13, истинная ее температура фиксируется ртутным термометром TI, а также записывается на диаграмме многоточечного потенциометра TIR (записывается без учета температуры холодного спая термопары TE, точка 1).
В выпарном аппарате 1 жидкость нагревается до температуры кипения воды при атмосферном давлении и кипит в кварцевой трубке электронагревателя. Сила тока и напряжение на электронагревателе замеряются амперметром 11 и вольтметром 12 и регулируются лабораторным автотрансформатором (ЛАТР) 10. Включение электронагревателя осуществляется в сеть переменного тока с помощью замыкающего контакта 18. Испаренная жидкость выводится из сепаратора выпарного аппарата в виде пара, поступает в конденсатор 4 и далее в уровнемер 9 для определения ее расхода. Неиспарившаяся часть жидкости из аппарата 1 поступает в холодильник 5, ее расход определяется по показаниям уровнемера 8.
Конденсатор 4 и холодильник 5 охлаждаются водопроводной водой, расход которой регулируется вентилем 14
и замеряется ротаметром 6. Жидкость после уровнемеров 8 и 9 сливается в приемную емкость 3 при открытых кранах 16 и 17. Для контроля за работой установки и фиксации выхода ее на стационарный режим предусмотрен замер и запись температур в точках 1,2,3,4,5,6.
Результаты работы установки приведены в таблице 1.
Таблица 1. Экспериментальные и расчетные данные
| Исходный раствор | Дистиллят | Упаренный раствор | Температура, ºС | Вольтметр | Амперметр | ||||||||||||
| Число делений ротаметра 7 | Расход V0, мл/мин | Число делений уровнемера 9 | Время τк, с | Объем υк. мл | Число делений уровнемера 8 | Время τр, с | Объем υр. мл | Ртутный термометр TI, t0 | т.1 t1 | т.2 t2 | т.3 t3 | т.4 t4 | т.5 t5 | т.6 t6 | U, В | I, А | |
| 70 | 70 | 10 | 528 | 17,7 | 14 | 16 | 19,6 | 21 | 20 | 99 | 30 | 98 | 97,5 | 45 | 210 | 34 | |
| Поправка k=t0-t1 | |||||||||||||||||
| tk=t0 | tk=t5+K | t вт.п.= t4+K | |||||||||||||||
| 21 | 98,5 | 99 | |||||||||||||||
Материальный баланс процесса
При расчете материального баланса используем уравнения (6) и (7). Применительно к работе лабораторной установки на чистом растворителе
при х = 0, используем уравнение (6).
Массовые расходы (кг/ч) материальных потоков определяем по формулам:
-исходного раствора
Gн=60*10-6V0ρ
-конденсата вторичного пара
W=3,6*10-6υкρ/τк
-упаренного раствора
Gк=3,6*10-3υрρ/τр, где
ρ плотность воды, равная 1000 кг/м3
Полученные значения заносим в таблицу 2
Таблица 2. Материальный баланс выпарной установки
| Приход массы | Расход массы | ||
| Наименование потока | кг/ч | Наименование потока | кг/ч |
| Исходный раствор, Gн | 4,2 | 1) Упаренный раствор, Gк | 3,92 |
| 2) Вторичный пар, W | 0,12 | ||
| Всего Σ Mприх | 4,2 | Всего Σ Mрасх | 4,04 |
Рассчитываем также абсолютные и относительные потери при упаривании:
Gпот=4,2-4,04=0,16
δм = (4,2-4,04)*100/4,2=3,8%
Тепловой баланс процесса
Для лабораторной выпарной установки при упаривании воды справедливо соотношение (8), в котором cн=cк=с=4190-теплоемкость воды, Дж/(кгК)
N=UI-мощность, потребляемая греющим элементом, Вт
I вт.п.-энтальпия вторичного пара при температуре t вт.п.
Значения I вт.п.(Дж/кг) в диапазоне температур 60-110ºС достаточно точно апроксимируются уравнением:
I в.п.=2503,6+1,744 t в.п.)103
Составляющие теплового баланса заносим в таблицу 3.
Таблица 3. Тепловой баланс выпарной установки
| Приход тепла | Расход тепла | ||
| Наименование потока | Вт | Наименование потока | Вт |
| 1) Мощность, потребляемая греющим элементом, N=U/I 2) С исходным раствором GнCt/н3600 | 714 | 1) С вторичным паром, WI вт.п./3600 | 89.21 |
| 102,6 | 2) С упаренным раствором, GкCt/к3600 | 449,4 | |
| Всего Σ Qприх | 816,6 | Всего Σ Qрасх | 538,6 |
Из данных таблицы 3 определяем потери тепла в окружающую среду:
Qпот=816,6-538,6=278 Вт- абсолютные потери
δт =(816,6-538,6)/816,6*0,34=34%-относительные потери
Рассчитываем удельный расход энергии на выпаривание:
qэ=(3,6*714)/0,12=21,420 кДж/кг
Теоретический удельный расход энергии равен
qэ=r== I вт.п-cкtк=(21,676*256-4190*98,5)/1000=2263, 54 кДж/кг
ВЫВОДЫ: ознакомились с принципом работы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия и с методикой составления балансовых уравнений, определили:
-удельный расхода энергии на выпаривание qэ=21,420 кДж/кг;
-относительные потери при упаривании составили δм =3,8%;
-относительные потери тепла окружающую среду составили δт = 34%