Рефераты. Тепловые и массообменные процессы

Тепловые и массообменные процессы

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Иркутский государственный технический университет

Тепловые и массообменные процессы

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Процессы и аппараты химической технологии»

Иркутск 2007

Тепловые и массообменные процессы. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов очной, заочной и вечерней форм обучения специальностей:

240401.65 - Химическая технология органических веществ

240403.65 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов

240406.65 -Технология химической переработки древесины.

Составители: Губанов Н.Д., Баяндин В.В. – Иркутск, 2007. – 33 с.

Иркутский государственный технический университет

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

ИСПЫТАНИЕ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

Цель работы: изучение двухкорпусной выпарной установки непрерывного действия, определение количества выпариваемой воды, коэффициентов теплопередачи по корпусам и удельного расхода греющего пара.

Приборы и принадлежности: двухкорпусная выпарная установка, раствор глицерина, денсиметры.

Введение

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов нелетучих веществ, заключающийся в удалении растворителя путем испарения его при кипении. Движущей силой выпаривания является разность температур между горячим теплоносителем и кипящим раствором, называемая полезной разностью температур.

Выпаривание является одним из наиболее энергоемких процессов химической и пищевой технологии, как по абсолютному количеству расходуемой энергии, так и по ее удельному расходу на 1кг перерабатываемого раствора. В промышленности в большинстве случаев выпаривают водные растворы нелетучих веществ.

Выпаривание ведут как под атмосферным давлением, так и под повышенным или пониженным давлениях. При выпаривании под атмосферным давлением образующийся вторичный пар удаляется в атмосферу. При выпаривании под пониженным давлением вакуум в аппарате создают за счет конденсации вторичного пара в барометрическом конденсаторе. Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения раствора, а значит увеличить разность температур между греющим паром и кипящим раствором, то есть повысить движущую силу процесса. Это дает возможность уменьшить поверхность теплообмена. Выпаривание под повышенным давлением позволяет образующийся вторичный пар использовать в качестве греющего или для других технологических нужд.

В промышленности применяют как однокорпусные, как и многокорпусные выпарные установки. Многокорпусные выпарные установки состоят из нескольких соединенных друг с другом выпарных аппаратов (корпусов). Различают прямоточные и противоточные многокорпусные выпарные установки.

В прямоточных выпарных установках греющий пар и выпариваемый раствор движутся прямотоком от корпуса к корпусу, а в противоточных – навстречу друг другу. Подробнее о многокорпусных выпарных установках в [1, 2]. В многокорпусных выпарных установках первичным паром обогревают только первый корпус, а вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, используют для обогрева последующего корпуса. Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование тепла, отдаваемого первичным греющим паром. Это позволяет значительно снизить расход первичного греющего пара. В качестве горячего теплоносителя в первом корпусе в основном используют насыщенный водяной пар.

1 Требования безопасности

Перед пуском установки по наружному осмотру проверить исправность аппаратов, трубопроводов, арматуры, приборов КИПиА, заземления, защитного отключения, тепловой изоляции. Пуск установки проводить в присутствии учебного мастера и при его непосредственном руководстве. Работая на площадках с высокой отметкой и вблизи вращающихся частей проявлять осторожность и аккуратность.

К выполнению лабораторной работы студенты допускаются только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности в лаборатории и на рабочем месте.

2 Описание установки и порядок выполнения работы

Выпарная установка (рисунок 1) состоит из двух аппаратов 1 и 1а с внутренней греющей камерой и центральной циркуляционной трубой. Выпарной аппарат состоит из двух основных частей: греющей камеры, в которой происходит кипение раствора, и сепаратора, в котором вторичный пар отделяется от раствора. Высота выпарного 1500мм, диаметр 408мм, поверхность теплообмена 1,5м2 .

Водный раствор глицерина из бака 2, снабженного указателем уровня, центробежным насосом 13 подается в выпарной аппарат 1. Расход раствора измеряется ротаметром 7. Обогрев корпуса 1 осуществляется насыщенным водяным паром, поступающим от электропарового котла. Давление пара в трубопроводе измеряется манометром и регулируется клапанами. Вторичный пар из корпуса 1 проходит брызгоуловитель 5 и поступает в греющую камеру корпуса 1а.

Раствор, упаренный до некоторой концентрации в корпусе 1, под действием разности давлений поступает в корпус 1а, где упаривается до заданной концентрации. Концентрированный раствор из корпуса 1а, пройдя через холодильник 9 и фонарь 16, поступает в сборники упаренного раствора 3 или 4, работающие попеременно. По мере их заполнения упаренный раствор переливается в бак 2.

I, Iа – выпарные аппараты; 2 – бак-хранилище; 3, 4 – сборники упаренного раствора; 5, 5а – брызгоуловители; 6 – барометрический конденсатор; 7, 8 – ротаметры; 9 – холодильник; 10 – барометрический ящик; 11, 12 – сборнки конденсата; 13 – центробежный насос; 14 – водокольцевой вакуум-насос; 15 – водоотделитель; 16 – смотровой фонарь,

Рисунок 1 – Схема двухкорпусной выпарной установки

Вторичный пар из корпуса 1а проходит через брызгоуловитель 5а и поступает в барометрический конденсатор 6, орошаемый водой. Расход воды измеряется ротаметром 8. Смесь воды и конденсата удаляется из конденсатора самотеком через барометрическую трубу в барометрический ящик 10, а затем в канализацию. Воздух из барометрического конденсатора отсасывается вакуум-насосом 14. Концентрацию разбавленного и упаренных растворов в корпусах 1 и 1а определяют ареометром. Давление в аппаратах измеряются манометрами, вынесенными на щит КИП. Измерение температур конденсата и поверхности аппаратов производится термометрами сопротивления, работающими в комплекте с лагометрами. Отбор проб исходного и упаренного растворов производится через пробоотборники.

Перед пуском установки необходимо: Закрыть все воздушные краны и вентили на линии вакуума, паровой линии и линии раствора. Проверить наличие исходного раствора в баке 2. Проверить наличие воды в водопроводе.

Пуск установки производить следующим образом: Открыть вентили на отборных устройствах манометров и вакуумметров. Подать воду в холодильник упаренного раствора. Затем заполнить аппарат 1 исходным раствором из бака 2 с помощью наноса 13 через ротаметр 7 до верхней красной черты и подать пар на установку. Продуть межтрубное пространство греющей камеры первого корпуса по обводной линии. После продувки направить конденсат через конденсационные горшки и нагреть раствор до кипения. После того, как раствор в корпусе 1 начнет кипеть, следует создать вакуум во втором аппарате. Под действием разности давлений раствор из корпуса 1 начнет самотеком переливаться в корпус 1а. Перелив раствора производить до тех пор, пока уровень в корпусе 1 не достигнет нижней красной черты. После этого первый аппарат заполнить до верхней красной черты и процесс повторить. Когда во втором аппарате уровень раствора достигнет красной черты, заполнение системы прекращают и начинают процесс выпаривания. Далее необходимо продуть греющую камеру второго аппарата, выпустив часть пара по обводной линии. Затем конденсат направить через конденсационный горшок. Установить по ротаметру указанный преподавателем расход исходного раствора в первый корпус. Начать подачу раствора из корпуса 1 в корпус 1а. для чего открыть регулирующий вентиль на линии раствора между корпусами с таким расчетом, чтобы уровень в первом аппарате не опускался ниже красной черты. Одновременно с началом подачи раствора подать воду в барометрический конденсатор. Расход воды установить по ротаметру 8. Подключить к корпусу 1а сборники упаренного раствора. Пустив, таким образом, всю установку, обязательно при непрерывной подаче раствора в аппараты, дать ей поработать 40-45 минут. После этого приступить к замерам. Измерения производятся через каждые 10-15 минут 3-4 раза. Результаты наблюдений сводятся в таблицу 1.

Таблица 1

Измеренные и рассчитанные параметры

Наименование величины

Значение и момент измерения

Среднее значение

Расход исходной смеси, кг/с

Расход воды на барометрический конденсатор, кг/с

Давление греющего пара, Па

Температура греющего пара, оС

Температура исходного раствора, оС

Давление в корпусе 1, Па

Температура вторичного пара в первом корпусе, оС

Температура кипения раствора в корпусе 1, оС

Давление во втором корпусе, Па

Температура вторичного пара в корпусе 1а, оС

Температура кипения раствора во втором корпусе, оС

Концентрация исходного раствора, % масс.

Концентрация раствора после первого корпуса, % масс.

Концентрация раствора после второго корпуса, % масс.

Температура поверхности первого аппарата, оС

Температура поверхности второго аппарата, оС

Температура холодной воды, 0С

Температура смеси в барометрической трубе, 0С

Температура воздуха, 0С

3 Обработка опытных данных

3.1 Материальный баланс установки

Количество воды, выпариваемой в первом корпусе

где - количество исходного раствора, кг/с;

1 - концентрация исходного и упаренного раствора после корпуса 1, % масс.

Количество воды, выпариваемое во втором корпусе

где - количество раствора, поступающего из первого во второй корпус, кг/с;

- конечная концентрация раствора во втором корпусе, % масс.

Общее количество выпариваемой воды

3.2 Тепловой баланс установки по корпусам

Расход тепла на выпаривание в первом корпусе

Количество тепла, затраченное на нагрев исходного раствора от начальной температуры tH до температуры кипения tK1 определяется по уравнению

где CH – удельная теплоемкость исходного раствора, Дж/кг К.

Количество тепла, которое необходимо затратить на выпаривание воды в первом корпусе

где – удельная теплота парообразования при давлении в корпусе 1, Дж/кг.

Расход тепла на выпаривание во втором корпусе

Количество теплоты, выделяющееся при охлаждении выпариваемого раствора от температуры кипения в первом корпусе tK1 до температуры кипения tK2 во втором корпусе определяется по формуле

где СК1 - удельная теплоемкость раствора, поступающего из первого во второй корпус, Дж/кг К.

Количество тепла, затраченное на испарение воды во втором корпусе

где - удельная теплота парообразования при давлении во втором корпусе, Дж/кг.

Потери тепла в окружающую среду первым и вторым корпусом установки можно определить по уравнениям

где a1, a2 – суммарные коэффициенты теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху, Вт/м2 К;

FH1, FH2 – наружная поверхность выпарных аппаратов (FH1 = FH2=1.92 м2);

tвозд., tст1, tст2 – температура воздуха и стенок аппаратов, оС.

Суммарные коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от стенки аппарата к воздуху вычисляются по формуле

3.2 Коэффициенты теплопередачи по корпусам

Коэффициенты теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи для выпаривания

где Q – расход тепла на выпаривание в корпусе, Вт;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К;

F – поверхность теплообмена, м2;

Δ tпол – полезная разность температур (движущая сила процесса).

Коэффициенты теплопередачи вычисляют по формулам

, .

Полезные разности температур по корпусам равны

, ,

где tгр.п.– температура греющего пара, оС;

tвт.п.– температура вторичного пара первого корпуса, оС.

3.3 Расход греющего пара

Расход первичного пара находят по уравнению

где r – удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

x – паросодержание (степень сухости) греющего пара (x=0,95).

Расход греющего пара на 1 кг выпаренной воды определяют по формуле:

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

Цель работы: изучение процесса ректификации в тарельчатой колонне непрерывного действия, определение числа теоретических тарелок и среднего КПД тарелок.

Приборы и принадлежности: установка ректификации, хроматограф ЛХМ-8 МД, бутылочки с пробками, смесь этиловый спирт – вода концентрацией 5 – 40 % массовых.

Введение

Ректификация – процесс разделения жидких гомогенных смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой смеси. Этот процесс основан на различной летучести компонентов, составляющих смесь, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении.

Процесс ректификации осуществляют в колоннах, представляющих собой вертикальные цилиндрические аппараты, с контактными устройствами. Наибольшее распространение в промышленности получили ректификационные колонны, в которых в качестве контактных устройств используются колпачковые, ситчатые и провальные тарелки [1, 2]. В ректификационной колонне навстречу друг другу проходят неравновесные по составу потоки пара и жидкости. Пар в колонне идет снизу вверх, а жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт. Поскольку между жидкостью и паром отсутствует равновесие, то на тарелке между ними происходит обмен компонентами ( массообмен), в результате которого пар обогащается более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость – менее летучим (высококипящим). В ректификационных колоннах массообмен между жидкостью и паром осуществляется через поверхность контакта паровой и жидкой фаз. Поверхность контакта фаз на тарелке образуется пузырьками и струями пара при прохождении (барботаже) его через слой жидкости. На рисунке 1 показана схема ректификационной колонны с провальными ситчатыми тарелками.

Пар, поступающий под нижнюю тарелку ректификационной колонны из кипятильника 1, имеет низкую концентрацию низкокипящего компонента. С верхней тарелки колонны пар с высокой концентрацией низкокипящего компонента уходит в дефлегматор 4, в котором он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата поступает на верхнюю тарелку для орошения колонны. Эта жидкость называется флегмой Ф. Остальную жидкость из дефлегматора отбирают в качестве верхнего продукта разделения – дистиллята Р. Деление конденсата на флегму и дистиллят осуществляется с помощью флегмоделителя 5. Часть жидкости, поступающей в кипятильник с нижней тарелки, отбирают в качестве кубового остатка W.

Исходную смесь F непрерывно подают на одну из тарелок в средней части, которая делит колонну на верхнюю укрепляющую 3 и нижнюю исчерпывающую 2 части. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной смеси F на дистиллят Р с высоким содержанием низкокипящего компонента и кубовой остаток W с низким его содержанием. Концентрации получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.

1 Требования безопасности

Перед пуском установки убедиться в исправности ректификационной колонны, куба-испарителя, дефлегматора, трубопроводов, арматуры, приборов КИП, заземления, тепловой изоляции. Проверить наличие воды в магистральном трубопроводе.

1-кипятильник (куб-испаритель); 2-исчерпывающая часть колонны; 3-укрепляющая часть колонны; 4-дефлегматор; 5-флегмоделитель; 6-контактные тарелки.

Рисунок 1 - Схема работы ректификационной колонны

Пуск установки проводить в присутствии учебного мастера и под его непосредственным руководством.

Работая на площадках с высокой отметкой и вблизи вращающихся частей проявлять осторожность и аккуратность. Включение трубчатых электронагревателей производить стоя на диэлектрическом коврике. При отборе проб пара необходимо помнить, что на входе в пробоотборник он имеет температуру около 100оС. К выполнению лабораторной работы студенты допускаются только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности в лаборатории и на рабочем месте.

Страницы: 1, 2, 3