Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii
Zakład Dydaktyczny Technologii Chemicznej - Pracownia Technologii Chemicznej

Instrukcja ćwiczenia nr 7A

Zatężanie roztworów w aparacie wyparnym dwudziałowym

Opracowali mgr Adam Mysliński i dr Hanna Wilczura-Wachnik

Cel ćwiczenia
 
Aparat wyparny jednodziałowy
Opis pracy
Wykonanie ćwiczenia
Opracownie wyników
Bilans materiałowy
Bilans cieplny
Bilanse wymienników
Ruch ciepła
 Aparat wyparny dwudziałowy
Prowadzenie pomiarów
Wykonywanie ćwiczenia
Opracownie wyników
Bilans materiałowy
Bilans cieplny


Wykonanie opisu
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i pracą aparatu wyparnego o działaniu ciągłym wraz z praktycznym zatężaniem rozcieńczonego roztworu wodnego.

Ćwiczenie składa się z dwóch części wykonywanych równolegle przez dwa zespoły dwuosobowe:

  • w aparacie wyparnym jednodziałowym
  • w aparacie wyparnym dwudziałowym.
Ćwiczenie 7A obejmuje część eksperymentalną wykonaną na aparacie wyparnym dwudziałowym (Ćw. 7- aparat wyparny jednoziałowy) , a następnie sporządzenie bilansów materiałowych i cieplnych dla osiągniętych stanów stacjonarnych w aparacie jedno- i dwudziałowym oraz ich porównanie.
 
 

Aparat wyparny dwudziałowy



fot. Joanna Kaczyńska-Walczak

Schemat ćwiczenia przedstawia rysunek 2.

Budowa poszczególnych elementów aparatury jest identyczna jak w przypadku aparatu jednodziałowego. Do wężownicy aparatu wyparnego AW1 doprowadzane jest medium grzejne /olej, gliceryna lub inne/ ogrzewane w termostacie (6) o mocy grzałki 1.63kW. Roztwór surowy doprowadzany jest ze zbiornika S przy pomocy pompy perystaltycznej P1. Roztwór surowy podgrzewany jest wstępnie w wymienniku wężownicowym (3). Roztwór zatężony w aparacie wyparnym AW1 przepompowywany jest pompą perystaltyczną P2 do aparatu wyparnego AW2. Do wężownicy aparatu wyparnego AW2 doprowadzana jest para z aparatu wyparnego AW1, która stanowi czynnik grzewczy. Nadmiar oparów wychładzany jest w wymienniku (5) gdzie czynnikiem pobierającym ciepło jest woda doprowadzana do płaszcza wymiennika. Roztwór zatężony z aparatu wyparnego AW2jest wypompowywany przez pompę perystaltyczną P3. Aparat wyparny AW2 pracuje pod zmniejszonym ciśnieniem. Para z aparatu wyparnego AW2kierowana jest do wymiennika ciepła (3), gdzie wykorzystywana jest do wstępnego ogrzewania surówki zasilającej aparat wyparny AW1. Nadmiar oparów ostatecznie chłodzony jest w wymienniku (4). Do wytworzenia i stabilizacji obniżonego ciśnienia w aparacie wyparnym AW2 stosowana jest pompka wodna (12) połączona z manostatem i manometrem (11).


Rys.2 Schemat aparatu wyparnego dwudziałowego:

1, 2 - aparaty wyparne, 3, 4, 5  - wymienniki ciepła, 6 - termostat, 7 - zbiornik surówki, 8, 9, 10 - pompy perystaltyczne, 11 - manostat i manometr, 12 - pompka wodna, 13 - zawór czerpalny, t1.....t15 , ts - punkty pomiaru temperatury (opis w tekście), k3, k4- przepływowe czujniki konduktometryczne, .

Prowadzenie pomiarów

1. Pomiary objętościowego natężenia przepływu rozcieńczonego roztworu solanki /surówki/ oraz roztworu zatężonego i kondensatu wykonywane są automatycznie i zapisywane w pamięciach kalkulatorów. 

  • Pomiar temperatury w wybranych punktach układu dokonywany jest z wykorzystaniem elektronicznego zestawu pomiarowego z odczytem cyfrowym (ToC)

    • Uwaga : W celu dokonania odczytu temperatury należy przycisnąć przycisk sekcji D-15 w mierniku temperatury. Wybór punktu pomiarowego dokonywany jest przyciskami 1-5 w bloku sterującym (ELRP2).

    Wykaz punktów pomiaru temperatury:

    Tr – temperatura roztworu rozcieńczonego
    T1 – temperatura w aparacie wyparnym AW1
    T2 – temperatura w aparacie wyparnym AW2
    T3 – temperatura kondensatu na wylocie wymiennika W3
    T4 – temperatura kondensatu na wylocie wymiennika W2
    T5 – temperatura roztworu rozcieńczonego zasilającego aparat wyparny AW1

    Wykonanie ćwiczenia 

    1. Uruchomić termostat.

    2. Włączyć zestaw pomiarowy temperatury.

    3. Uruchomić przepływ wody chłodzącej wymienniki (zawór czerpalny).

    4. Ustawić zadaną wartość ciśnienia w aparacie wyparnym AW2.

    5. Po rozpoczęciu wrzenia w aparacie AW1 uruchomić pompę zasilającą.

    6. Pomiary i odczyty przepływów i temperatury dokonywać zgodnie ze wskazaniami asystenta prowadzącego ćwiczenie.

    Uwaga : Ilość pomiarów i ich szczegółowe warianty ustala asystent prowadzący.

    Po zakończeniu eksperymentu należy korzystając z odpowiednich arkuszy kalkulacyjnych w programie EXCEL przeliczyć zebrane przewodnictwa roztworów dla aparatu wyparnego jednodziałowego (jak również dane eksperymentalne dotyczące pracy aparatu wyparnego dwudziałowego udostępnione przez równolegle pracującą grupę studencką) na stężenia roztworów. Wykonać w programie GRAPHER wykresy zależności stężenia surówki i roztworu zatężonego w funkcji czasu pracy wyparek. Następnie zinterpretować wykresy odczytując rzeczywiste przedziały czasowe stacjonarnego trybu pracy wyparek. Dla tych przedziałów czasu sporządzić bilanse materiałowe i cieplne aparatów wyparnych korzystając z wartości liczbowych zanotowanych w trakcie wykonywania części eksperymentalnej.

    Opracowanie wyników



    I. Bilans materiałowy wyparki dwudziałowej
     

    1. Masowe natężenie przepływu rozcieńczonego /surówki/ - G1.

    G1 = v1d1                                     [kg/h] 2. Ilość odparowanego rozpuszczalnika w jednostce czasu.
     
    1. w I – szym stopniu aparatu wyparnego /AW1/ :
        2.  
        W1 v3 dkonden.1                             [kg/h]
    2. w II – gim stopniu aparatu wyparnego /AW2/ :
    W2 = v2 dkonden.2                           [kg/h] 3. Masowe natężenie przepływu roztworu zatężonego – G2. G2 = G1 – (W1 – W2)                      [kg/h] 4. Stężenie roztworu zatężonego – x2.
    x2 = (G1/G2) x1


    x1 – w jednostkach [kg soli/kg roztworu]
     

    II. Elementy bilansu cieplnego wyparki dwudziałowej
     

    1. Ciepło doprowadzone do układu

    Q = ( En – En-1) * 3600 / ( tn - tn-1)           [kJ/h]
    En  = n - ty odczyt licznika energii  [kWh]
    En-1  = n -1  - odczyt licznika energii [kWh]

    t  =  czas n - tego odczytu energii [h]
    tn-1 = czas n - 1   - odczytu energii [h]

    2. Ciepło właściwe roztworu rozcieńczonego.

    cr = cw xw + csxs                             [kJ/kgK]


    cw=4.18 [kJ/kgoC] – ciepło właściwe wody

    cs = 0.90 [kJ/kgoC] – cieplo właściwe soli

    xw i xs – odpowiednie ułamki masowe

     3. Ciepło zużyte na wstępne podgrzanie roztworu rozcieńczonego – Q1. Q1 = G1 cr (T1 – T5)                         [kJ/h] 4. Ciepło zużyte na odparowanie wody w aparacie wyparnym AW1 – Q2.
    Q2 = W1 rT1                                     [kJ/h]
    gdzie : rT1 = 88 (T1 +273)/18                       [kJ/kg]

    5. Ciepło strat w wyparce AW1.

    Qst = Q – (Q1 – Q2)                           [kJ/h] 6. Ciepło oddawane przez opary W1 – Q3. 
    Q3 = W1 cp(T1 –100) + W1 r + W1 cw(100 – T3)            [kJ/h]
    gdzie cp = 1.86 [kJ/kgoC],         r = 2260 [kJ/kg]
    7. Ciepło odzyskane przez roztwór w wyparce AW2 – Q4.
    Q4 = W2 rT2                                                   [kJ/h]
    gdzie rT2 = 88 (T2 + 273)/18                         [kJ/kg]
     

    8. Stopień odzyskania ciepła oparów W1 – s1.

    s1 = Q4/ Q2


    9. Ciepło oddawane przez opary W2 – Q5.

    Q5 = W2 r + W2 cw (T2 – T4)               [kJ/h] 10. Ciepło odzyskane w wymienniku W1 na wstępne ogrzanie roztworu Q6. Q6 = G1 cr (T5 – Tr)                             [kJ/h] 11. Stopień odzyskania ciepła oparów W2– s2. s6 = Q6 / Q4

    Aparat wyparny jednodziałowy

    fot. Joanna Kaczyńska-Walczak

    Schemat ćwiczenia przedstawia rysunek 1.

    Aparat wyparny (1) jest stalowym zbiornikiem wyposażonym w poziomowskaz i wężownicę /długość 200cm, średnica zewnętrzna 14mm/. Do wężownicy doprowadzany jest medium grzejne (olej, gliceryna lub inne) ogrzewane w termostacie (2) o mocy grzałki 1.63kW. Z aparatem wyparnym współpracują trzy wężownicowe wymienniki ciepła /długość wężownicy 80cm, średnica zewnętrzna 14mm, wewnętrzna 10mm/. Wymiennik (3) służy do podgrzewania roztworu surówki zasilającego wyparkę. Czynnikiem ogrzewającym jest para odprowadzana z aparatu wyparnego i doprowadzana do płaszcza wymiennika ciepła (3). Wymiennik ciepła (4) służy do wychładzania nadmiaru oparów, czynnikiem pobierającym ciepło jest woda doprowadzana do płaszcza wymiennika. Aparat wyparny i wymienniki ciepła izolowane są od otoczenia pianką poliuretanową w celu zmniejszenia strat ciepła.

    Rys.1 Schemat aparatu wyparnego jednodziałowego:

    1- aparat wyparny, 2- termostat, 3- podgrzewacz surówki, 4- chłodnica oparów, 5- chłodnica roztworu zatężonego, 6- zbiorniki surówki, roztworu zatężonego i rozpuszczalnika, 7- pompa perystaltyczna, 8- zawór czerpalny, 9- wodomierz, K1, K2- przepływowe czujniki konduktometryczne, t1,...... t11- punkty pomiaru temperatury (opis w tekście).

    Opis pracy ciągłej aparatu wyparnego jednodziałowego

    Roztwór rozcieńczony /surówka/ podawany jest pompą perystaltyczna (7) ze zbiornika (6) do podgrzewacza (3) gdzie jest ogrzewany wstępnie oparami. Na drodze miedzy zbiornikiem a podgrzewaczem w punkcie (K1) odbywa się konduktometryczny pomiar stężenia surówki. Wstępnie ogrzany roztwór solanki doprowadzany jest do aparatu wyparnego (1) w powierzchniowe warstwy cieczy. W aparacie wyparnym zachodzi wrzenie roztworu, powstające opary odprowadzane są do płaszcza podgrzewacza (3). Kondensacja pozostałości oparów i ich schłodzenie zachodzi w wymienniku (4). Roztwór zatężony z dna aparatu wyparnego kierowany jest do wymiennika ciepła (5), gdzie jest schładzany wodą. Ochłodzony roztwór zatężony kierowany jest do zbiornika (6). Między wymiennikiem ciepła (5) a zbiornikiem (6) w punkcie (K2) odbywa się konduktometryczny pomiar stężenia roztworu zatężonego. Do regulacji objętościowego natężenia przepływu wody chłodzącej w wymiennikach (4) i (5) służy zawór czerpalny (8). Odczytu przepływu wody chłodzącej dokonuje się miernikiem przepływu (9). 
     

    Prowadzenie pomiarów

    1. Pomiary objętościowego natężenia przepływu :

    1. objętościowe natężenia przepływu roztworu rozcieńczonego (v1, cm3/min ) 
    2. objętościowe natężenie przepływu wody chłodzącej w wymiennikach (4) i (5) (v4, v5dm3/min) określa przy pomocy miernika przepływu (9).
    2. Stężenia roztworu rozcieńczonego i zatężonego mierzy się konduktometrycznie odpowiednio w punktach K1i K2.(dokładny opis metody - tu kliknij myszą)

    3. Pomiar temperatury dokonywany jest z wykorzystaniem elektronicznego zestawu pomiarowego z odczytem cyfrowym (ToC).

    Uwaga :  W celu dokonania odczytu temperatury w wybranym punkcie pomiarowym należy przycisnąć przycisk sekcji (A,B,D) oraz w wybranej sekcji przycisk żądanej temperatury. Odczytu temperatury należy dokonać po ~30sek. Dla ułatwienia orientacji pomiar temperatury sygnalizowany jest mruganiem diody w określonym punkcie na schemacie ćwiczenia.

    Wykaz punktów pomiaru temperatury:

    T1 - temperatura roztworu rozcieńczonego zasilającego aparat wyparny
    T2 - temperatura oparów /nad wrzącym roztworem w aparacie wyparny
    T3 - temperatura roztworu zatężonego na wyjściu z aparatu wyparnego
    T4 - temperatura medium grzejnego na wejściu do wejściu do aparatu wyparnego
    T5 - temperatura medium grzejnego na wylocie wężownicy aparatu wyparnego
    T6 - temperatura surówki na wejściu do podgrzewacza
    T7 - temperatura kondensatu na wylocie wymiennika ciepła (4)
    T8 - temperatura wody chłodzącej na wlocie wymiennika (4)
    T9 - temperatura wody chłodzącej na wylocie wymiennika (4)
    T11 - temperatura roztworu zatężonego na wylocie wymiennika ciepła (5)

    Uwaga : 

    Do sekcji A należą temperatury T1 - T5
    Do sekcji B należą temperatury T6 - T9
    Do sekcji D należy temperatura T11

     
    Wykonanie ćwiczenia
    1. Uruchomić termostat.
    2. Włączyć zestaw pomiarowy temperatury.
    3. Uruchomić przepływ wody chłodzącej w obu wymiennikach w zakresie 1-3 dm3/min.
    4. Ustawić zasilanie wyparki pompą perystaltyczna na podany przepływ.
    5. Kontrolować temperaturę w punktach pomiarowych i wskazania konduktometru w funkcji czasu. Na ich podstawie ocenić osiągnięcie stanu stacjonarnego (ustalonego) w wyparce.
    6. Dla stanu ustalonego pracy wyparki prowadzić kontrolę temperatury oraz innych parametrów (przepływy, stany liczników) w punktach pomiarowych zapisując odczytywane wartości w określonych interwałach czasowych.

    Opracowanie wyników


    I. Bilans materiałowy aparatu wyparnego jednodziałowego.
     

    1. Masowe natężenie przepływu roztworu surowego /surówki/ - G1

                   G1 = v1d1             [kg/h]

    2. Masowe natężenie przepływu roztworu zatężonego - G2

    G2 = G1x1/ x2    [kg/h] x1/x2 w jednostkach kilogramy soli / kilogramy roztworu

    3. Ilość odparowanego rozpuszczalnika w jednostce czasu - W

    W = G1 - G2             [kg/h]

    II. Bilans cieplny aparatu wyparnego jednodziałowego.

    1. Ciepło doprowadzone do układu

    Q = ( En - En-1) * 3600 / ( tn - tn-1)           [kJ/h]
    En  = n - ty odczyt licznika energii  [kWh]
    En-1  = n -1  - odczyt licznika energii [kWh]

    t  =  czas n - tego odczytu energii [h]
    tn-1 = czas n - 1  - odczytu energii [h]


    2. Ciepło właściwe roztworu rozcieńczonego.

       
        Ct = cwxw + csxs             [kJ/kgK]


      cw = 4.18 [kJ/kgoC] - ciepło właściwe wody

      cs = 0.90 [kJ/kgoC] - ciepło właściwe soli

      xw - ułamek masowy wody i xs - ułamek masowy soli.


    3. Ciepło zużyte na podgrzanie roztworu rozcieńczonego do temp. wrzenia - Q1. 
        Q1 = G1ct (T3 - T1)                 [kJ/h]

    4. Ciepło zużyte na odparowanie wody.
      Q2 =WrT3                                         [kJ/ h]

    gdzie rT3 = 88 (T3 + 273) / 18


    5. Straty ciepła

        Q3 = Q - (Q1 + Q2)                           [kJ/ h]

    III. Bilanse cieplne wymienników ciepła
     

    1. Ciepło oddawane przez opary.

    Q4 = W r + W Cw (100 - T7) + W cp (T2 - 100)             [kJ/h]


    Cp = 1.86 [kJ/kgoC] - ciepło właściwe pary wodnej

    Cw = 4.18 [kJ/kgoC] - ciepło właściwe wody

    R = 2260 [kJ/kg] - ciepło parowania (skraplania) wody


    2. Ciepło odzyskane na wstępne podgrzanie roztworu rozcieńczonego - Q5.

    Q5 = G1 cr (T1 - T6)                     [kJ/h] 3. Ciepło pobrane przez wodę chłodzącą w wymienniku kondensującym opary - Q6 Q6 = v4 dw cw (T9 - T8)               [kJ/h] dw - gęstość wody w danej temperaturze w kg/dm3
     

    4. Ciepło strat.
    Q7 = Q4 - (Q5 + Q6)                     [kJ/h]

    5. Sprawność podgrzewacza roztworu rozcieńczonego - S.
      S = (Q5 /  Q2) 100                                      [%]

    6. Ciepło właściwe roztworu zatężonego - cz
         
        Cz = cwxw*+ csxs*                         [kJ/kgK]
    xw* - ułamek masowy wody i xs* - ułamek masowy soli.

    IV. Ruch ciepła

    1. Przenikanie ciepła od medium grzewczego (gliceryna) do wrzącej cieczy w aparacie wyparnym.

       

      Obliczamy temperaturę zastępczą D t1 :
       

        Dt1 = (T4 - T5) / [ln (T4 - T3 ) / (T5 - T3)]         [oC]


      Obliczamy współczynnik przenikania ciepła K1 :
       

        K1 = Q / (F1 Dt13600)                                    [kJ/m2  oC s]


      gdzie F1 = 0.088 m2


      W ramach opisu ćwiczenia należy:

      1. Korzystając z programów komputerowych sporządzić bilans materiałowy i cieplny dla wszystkich zmierzonych równowag.

      2. Omówić wyniki, porównać sprawności wyparki jedno- i dwudziałowej.

      3. Sformułować wnioski

      4. Sporządzenie wykresów Sankey’a.

      5. Do opisu dołączyć tabele z wynikami (z wyraźnie zaznaczonymi danymi w stanie równowagi).


      wilczura@chem.uw.edu.pl
        
    Stronę www oprac. A.M.