Опис схеми установки
Лабораторна установка (рис. 12.2) складається з випарного апарата 1, конденсатора 8, вакуумного насоса та контрольно-вимірювальних приладів: трьох термометрів 5, вакуумметра 12 і мірної колби 10.
Рис. 12.2. Схема лабораторної випарної установки
За допомогою підігрівача, який складається з електроплитки 3 і гліцеринової бані 2, водний розчин 15 у випарному апараті (круглодонній колбі) 1 спочатку підігрівається, а потім випарюється під розрідженням, яке створюється вакуум-насосом. Утворена пара через насадку Вюрца 4 надходить в холодильник Лібіха 8, де конденсується. Конденсат 16 через алонж 9 збирається в мірній колбі 10.
Розрідження у випарному апараті 1 контролюється вакуумметром 12 і регулюється триходовим краном 13 на буферній ємкості 11, а також затискачем 7 на капілярі 6.
Методика проведення роботи
1. Випарний апарат 1 на 1/2 заповнюємо водним розчином, записавши його об’єм, початкову концентрацію та температуру у таблицю.
2. Підключаємо випарну установку до вакуумного насоса, встановлюємо і фіксуємо стале розрідження за допомогою вакуумметра 12.
3. Вмикаємо електроплитку 3 і фіксуємо час вмикання. Коли з’являться перші краплини конденсату в збірнику 10, фіксуємо час появи цих краплин, температури кипіння розчину і вторинної пари, температуру нагрівного агента в гліцериновій бані 2. Поява конденсату означає початок кипіння рідини в апараті.
4. При появі конденсату в збірнику 10 подаємо охолоджувальну воду в конденсатор 8.
5. Після випарювання близько 2/5 частини рідини фіксуємо кінцеві температури розчину і вторинної пари, об’єм конденсату. Після чого експеримент закінчуємо. Вимикаємо електроплитку і знімаємо розрідження в установці. Після цього відбираємо пробу розчину з випарного апарата.
Дослідні та розрахункові дані записуємо у таблицю.
Опрацювання результатів роботи
1. З балансу сухої речовини у випарному апараті (12.11)знаходимо масу випареної води. Порівнюємо розрахункове і експериментальне значення W, пояснюємо різницю.
2. З теплового балансу для періоду підігрівання розчину й апарата (12.13) знаходимо відповідні витрати теплоти Q'н і Q″н.
Теплоємність цукрового розчину в інтервалі температур t = 20 ÷ 80 °С і концентрацій х = 10 ÷ 75 % обчислюють за формулою:
.
Теплоємність матеріалу (скла) апарата прийняти сап = 0,65 кДж/(кг · К).
3. Кількість теплоти на випарювання знаходимо з рівняння (12.14).
4. Втрати теплоти в навколишнє середовище знаходимо за рівнянням (13.16).
Площа зовнішньої поверхні випарного апарата (круглодонної колби) дорівнює , деd – діаметр колби, м2; 1,5 – коефіцієнт, що враховує додатково ще 50 % зовнішньої поверхні апарата крім колби.
5. Сумарну кількість теплоти на процес випарювання знаходимо за рівнянням (12.15).
6. Кількість нагрівної пари D з температурою нагрівного агента tН знаходимо за рівнянням (12.18).
7. Розраховуємо фізико-хімічні депресії початкового й упареного розчинів при розрідженні в апараті за формулою І. О. Тищенка (12.4) і довідниковими даними, а також за результатами експерименту за рівнянням (13.3). Порівнюємо розрахункові та експериментальні значення Δф-х, пояснюємо наявність різниці.
8. Знаходимо загальні Δtзаг та корисні Δtк різниці температур на початку і в кінці експерименту відповідно за рівняннями (12.1) і (12.2).
Величина |
Позначення й одиниця виміру |
Числове значення за даними | |
дослідними |
розрахунковими | ||
Початкова маса розчину |
Sп, кг |
|
|
Початкова температура розчину |
tп, °С |
|
|
Початкова концентрація розчину |
хп, мас.% |
|
|
Розрідження в апараті |
рвак, кПа |
|
|
Абсолютний тиск в апараті |
рабс, вПа |
|
|
Початкова температура кипіння розчину |
t'кип, °С |
|
|
Температура вторинної пари |
tв.п, °С |
|
|
Середня температура нагрівного агента |
tН, °С |
|
|
Тривалість підігрівання розчину |
τн, с |
|
|
Тривалість кипіння (випарювання) розчину |
τкип, с |
|
|
Маса випарного апарата |
Мап, кг |
|
|
Діаметр випарного апарата |
d, м |
|
|
Площа зовнішньої поверхні випарного апарата |
Fзовн, м2 |
|
|
Температура зовнішньої стінки апарата |
tст, °С |
|
|
Температура повітря в приміщенні |
tпов, °С |
|
|
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарата до повітря |
α, Вт/(м2 · К) |
|
|
Втрати тепла в навколишнє середовище |
Qвтр, Дж |
|
|
Питома теплоємність початкового розчину |
сп, Дж/(кг · К) |
|
|
Питома теплоємність упареного розчину |
ск, Дж/(кг · К) |
|
|
Питома теплоємність матеріалу (скла) апарата |
сап, Дж/(кг · К) |
|
|
Витрата теплоти на нагрівання розчину до температури кипіння |
Q'н, Дж |
|
|
Витрата теплоти на нагрівання апарата до температури кипіння розчину |
Q″н, Дж |
|
|
Витрата теплоти на нагрівання розчину й апарата до температури кипіння |
Qн, Дж |
|
|
Маса конденсату за час досліду |
W, кг |
|
|
Кінцева температура кипіння розчину |
t″кип, °С |
|
|
Кінцева концентрація упареного розчину |
хк, мас.% |
|
|
Маса упареного розчину |
Sк, кг |
|
|
Питома ентальпія вторинної пари |
і, Дж/кг |
|
|
Витрата теплоти на випарювання |
Qв, Дж |
|
|
Загальне теплове навантаження на випарну установку |
Q, Дж |
|
|
Витрата нагрівної пари температурою tН на процес випарювання |
D, кг |
|
|
Питома теплота конденсації нагрівної пари температурою tН |
r, Дж/кг |
|
|
Фізико-хімічна депресія: на початку процесу наприкінці процесу |
Δt'ф-х, °С Δt″ф-х, °С
|
|
|
Загальна різниця температур: на початку процесу наприкінці процесу |
Δt'заг, °С Δt″заг, °С
|
|
|
Корисна різниця температур: на початку процесу наприкінці процесу |
Δt'к, °С Δt″к, °С
|
|
|