Работа 19 Изучение процесса дистилляции

Доц. М.А. Мухамедзянов, доц. М.И. Фарахов, доц. И.М. Шигапов

Дистилляция - процесс разделения жидких смесей за счет час­тичного испарения с последующей конденсацией пара. Дистиллят, образующийся при конденсации пара, содержит больше легколетучих компонентов, а неиспарившаяся жидкость (кубовый остаток) - труд­нолетучих компонентов по сравнению с исходной смесью.

Частный случай дистилляции - термическое обессоливание во­ды - является по сути процессом выпаривания и заключается в испа­рении воды при ее кипении с последующей конденсацией пара, в ре­зультате чего раствор солей остается в аппарате - испарителе, а в при­емнике образуется дистиллированная вода, лишенная всех практиче­ски нелетучих примесей. Эта вода используется при проведении раз­личных процессов в химической технологии, в медицинской и других отраслях промышленности.

Процесс дистилляции, особенно водных смесей, весьма энерго­емкий процесс. Он представляет собой процесс с фазовыми превра­щениями. Первое превращение происходит в испарителе при кипении и заключается в образовании пара за счет теплоты, сообщаемой элек­тронагревателем. Следующее превращение - полная конденсация пара с образованием дистиллята - происходит в конденсаторе.

Аппараты и трубопроводы производств покрывают тепловой изоляцией, и потери тепла в окружающую среду составляют около 3-ь5%. При работе аппарата без тепловой изоляции и наличии негер­метичности в узлах соединений, трубопроводов, крышек и т. д. доля потерь в окружающую среду значительна. Основную часть составля­ют потери тепла стенками аппарата Q^^.

В аквадистилляторе (рис. 1) основная часть аппарата покрыта тепло­изоляцией, но есть участки и без теплоизоляции.

Материальный баланс. Согласно закону сохранения массы в стационарных условиях для системы можно записать

^"вх ~ / .^-'вътх ■>

168

где У]Свх - сумма массовых потоков, входящих в систему, У]Свьк

- сумма массовых потоков, выходящих из системы.

Уравнение материального баланса установки записывается в виде:

Gh =Gj)+Goj+Спдр , (1)

где Gjj - расход воды, поступающей на установку, кг/с; Gj, - расход дистиллированной воды, кг/с; G^^ - расход воды, сливаемой в кана­лизацию, кг/с; СдАР ~ расход воды с уходящим паром, кг/с.

Тепловой баланс установки Запишем статьи прихода и расхода тепла.

Приход тепла в единицу времени:

а) от электронагревателя (ТЭНа) Q^ = J • U , Вт;

б) с поступающей водой Q^ = G^ • Сд • Тд , Вт, где Сн - удельная теплоемкость воды при заданной температуре,

Дж/(кг • град); Тн- начальная температура воды, °С; J - сила тока в сети электропитания. А; U - напряжение, В.

Расход тепла:

а) с дистиллированной водой Q^ = G^ • Ср • Т^ , Вт;

б) с водой, сливаемой в канализацию, Qqji = ^сл ' *^сл ' ^сл ' ^т;

в) с избытком пара, который выходит через впаянную трубку,

"пар ~ "пар '' ' "^'

г) потери тепла в окружающую среду от стенок аппарата Оп,Вт,

где Td, Тел - температура дистиллята и воды на сливе соответ­ственно, °С; i = 2679 10^ Дж/кг - теплосодержание пара при Т = 100 °С,.

Уравнение теплового баланса будет иметь вид: Qt + Gh • Сн • Тд = Gp • Ср • Тр + Gcл • Сел ■ Тел + Gjj^p • i + Qn (2)

169

Уравнение (2) позволяет определить экспериментальную вели­чину потерь тепла в окружающую среду Од .

Расчетное значение теплопотерь аквадистиллятора определяют по уравнению теплоотдачи:

где а^,^ = Од + ttj^ - суммарный коэффициент теплоотдачи в ок­ ружающую среду лучеиспусканием и конвекцией, Вт/(м • град); F - площадь поверхности теплоотдачи, м ; Тех - температура поверхно­ сти стенки аппарата, °С; Тв_х - температура окружающего воздуха, °С. В инженерных расчетах а^ определяют по эмпирической за­ висимости: ttcT =9,3 + 0,058Тст (4)

Дистилляционную установку эксплуатируют при определенных расходах охлаждающей воды.

Для оценки эффективности использования энергии при работе аквадистиллятора можно использовать КПД установки, представляю­щий собой отношение полезно затраченной энергии к величине энер­гии, подведенной к установке. При определении экспериментального Т1э и расчетного Tjp КПД необходимо учитывать потери тепла с паром из патрубка 10 и от поверхности аппарата:

Л = (0т-0пАР-0п)/0т, (5)

где Од - экспериментальные Од или расчетные Од потери тепла в окружающую среду соответственно, Вт.

Цель работы:

1 .Экспериментальное исследование работы аквадистиллятора по определению мощности, затрачиваемой на проведение процесса дис­тилляции, расходов и температур теплоносителей;

2.Определение экспериментальных и расчетных потерь тепла в окружающую среду и энергетических КПД.

3.Определение потерь тепла в окружающую среду и расхода дистиллята в зависимости от расхода охлаждающей воды.

170

Описание установки

Принцип действия аквадистиллятора основан на конденсации отсепарированного пара.

Основными частями установки являются аквадистиллятор и электрощит. Аквадистиллятор состоит из испарителя 2, электронагре­вателей 4, датчика уровня 5, конденсатора 9, уравнителя 13 (рисунок

1).

Испаритель 2 посредством патрубка 6 соединен с конденсато­ром 9, состоящим из двух самостоятельных камер, внутренней 7 и на­ружной 8, вмонтированных одна в другую.

В камере 8 во время работы установки непрерывно протекает водопроводная вода, охлаждающая внутреннюю камеру 7. В испари­теле вода нагревается электронагревателем до кипения. Образующий­ся при этом пар поступает во внутреннюю камеру 1, конденсируется и вытекает в виде дистиллята через патрубок 16.

В начале работы водопроводная вода, непрерывно поступающая через патрубок 15, заполняет наружную камеру конденсатора 8 и по сливной трубке 11 через уравнитель 13 заполняет испаритель до уста­новленного уровня. По мере выкипания вода поступает в испаритель только частично, основная же часть, проходя через камеру 8, сливает­ся по сливной трубке 11 в уравнитель 13 и далее через патрубок 12 в канализацию.

Уравнитель 13 предназначен для постоянного поддержания не­обходимого уровня в испарителе 2.

Установка снабжена автоматическим устройством - датчиком уровня 5, предохраняющим электронагреватели от перегорания в слу­чае понижения уровня воды ниже допустимого.

Снаружи испаритель защищен кожухом 3. Чтобы предотвратить повышение давления в испарителе, в стенку конденсатора впаяна трубка 10, через которую выходит небольшой избыток пара.

Для защиты от поражения электрическим током аппарат изго­товлен по классу 1 в соответствии с ГОСТ 12.2.025.

171

1- основание

испаритель

кожух

электронагреватель 5- датчик уровня

патрубок

7. внутренняя камера

8. наругкная камера

9. конденсатор I О- трубка

И- сливная трубка

12. патрубок

13. уравнитель

14. сливной кран

15. патрубок питания

16. патрубок дистиллята

17. электрощит

18. световой индикатор «СЕТЬ»

19. ручка тумблера

20- световой индикатор «НАГРЕВ» 21 - ручка тумблера термопар

22. переключатель термопар

23. температурная шкала

24. ротаметр РС-3

22. кран отбора дистиллята

23. вентиль

22. мерная колба

22. Рис. 1. Схема установки аквадистиллятора

23. 172