ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 5, с. 146-149
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 664.1.048.5
ВАКУУМНЫЙ ДИСТИЛЛЯТОР
© 2008 г. А. А. Емельянов, В. В. Долженков, К. А. Емельянов
Орловский государственный технический университет Россия, 302020, Орел, Наугорское ш., 29 E-mail: emel@ostu.ru Поступила в редакцию 16.01.2008 г.
Разработано устройство для концентрирования и сушки реологических жидкостей в вакууме. Исследованы температурные режимы и производительность устройства. Показано, что при дистилляции воды производительность по выпаренной влаге, приведенная к единице объема загруженной жидкости, 10 < w < 60% ■ ч-1 изменяется прямо пропорционально подведенной мощности 2.2 < N < < 13.2 кВт. Шестикратное увеличение мощности снижает времена запаздывания 40 > ta > 12 мин и разгона 80 > tр > 30 мин процесса дистилляции и повышает температуру кипения в 1.8 раза (от 32 до 59°C). Установлен оптимальный режим, обеспечивающий максимальную удельную производительность дистиллятора, отнесенную к подводимой мощности 5% (кВт ■ ч)-1.
PACS: 87.85.gp, 89.20.Bb
Малогабаритная вакуумная выпарная установка, конструкция которой описана в [1], предназначена только для концентрирования реологических жидкостей и обладает невысокой производительностью. Для повышения производительности при концентрировании и для осуществления сушки реологических жидкостей мы разработали вакуумный дистиллятор [2], блок-схема которого приведена на рис. 1.
Вакуумный дистиллятор содержит испаритель 1 рабочим объемом 40 л, соединенный паропроводом 2 с горизонтальным трубчатым конденсатором 3. Паропровод представляет собой шесть параллельно включенных вакуумных шлангов длиной 750 мм с проходным диаметром 10 мм. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, оснащен камерами сбора пара 4 и конденсата 5 и подсоединен трубопроводом 6 к вертикальному конденсатору 7, в котором конденсат охлаждается и поступает в сборник 8. Сборник конденсата 8 подсоединен через вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение 6-10 Па. Камера испарителя имеет окна 11 для наблюдения за кипением выпариваемой жидкости. При сушке в камеру испарителя, помимо высушиваемого материала, загружают рабочие тела 12 - шары из нержавеющей стали диаметром 25-50 мм. В рубашке испарителя установлено шесть трубчатых электронагревателей 13 мощностью 2.2 кВт каждый. Испаритель помещен в ячейку 14 с двумя осями вращения. С помощью рукоятки 15 изменяется положение оси симметрии ячейки. Привод 16 обеспечивает колебательное вращение ячейки на полоборота относительно оси симметрии и перемешивание материала при сушке. Терморегулятор 17 поддерживает на заданном
уровне температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя. В дистилляторе использовано водяное охлаждение обоих конденсаторов.
Учитывая, что производительность дистиллятора определяется температурой горячего (испаритель) и холодного (конденсатор) узлов, мы измеряли температуру пара в испарителе Т1, а также охлаждающей жидкости Т2 в конденсаторе. Одновременно с температурами Тх(£) и Т2(0 измеряли объем У(0 выпаренной влаги и далее рассчитыва-
Рис. 1. Блок-схема установки. 1 - камера испарителя; 2 - паропровод; 3 - горизонтальный конденсатор; 4 - камера сбора пара; 5 - камера сбора конденсата; 6 - трубопровод; 7 - вертикальный конденсатор; 8 -сборник конденсата; 9 - вентиль; 10 - вакуумный насос; 11 - окно; 12 - рабочие тела; 13 - трубчатый электронагреватель; 14 - ячейка; 15 - рукоятка; 16 -привод колебательного движения; 17 - терморегулятор.
Рис. 2. Зависимости от времени: а - температур Ti (1) и T2 (2), б - скорости дистилляции.
w, % ■ ч1
t, мин
Рис. 3. Зависимость скорости дистилляции при различных значениях подведенной мощности N.
ли кривую скорости дистилляции W(t) = dV/dt, определяющую изменение производительности во времени.
Зависимости от времени температуры пара T1 и охлаждающей жидкости T2 и скорости дистилляции представлены на рис. 2, откуда следует, что через время запаздывания t3, характеризующее инерционность процессов нагрева, испарения, конденсации и движения пара и конденсата, в приемник начинает поступать дистиллят. Со временем температура в испарителе и скорость дистилляции растут и достигают за время разгона tv максимального установившегося значения. В установившемся режиме температура в испарителе задана температурой кипения выпариваемой жидкости T1 = T^ и определяет давление p1 насыщенного пара. Остаточное давление в горизонтальном конденсаторе p2 ~ 10 Па задается форвакуумным насосом и существенно ниже давления p1 в испарителе. Перепад давлений между испарителем и горизонтальным конденсатором, определяющий интенсивность дистилляции, практически равен давлению в испарителе Ap = p1.
Режимы работы дистиллятора исследованы на водопроводной воде. Объем загружаемой в испаритель воды составлял V0 = 30 л. При подведенной к испарителю мощности N = 6.6 кВт время запаздывания ta ~ 19 мин составляло третью часть от времени разгона tv ~ 56 мин (рис. 2). В установившемся режиме дистилляция проходила при температуре T1 = 42°С, когда давление насыщенного пара p1 = 9 кПа [3] на три порядка величины превосходило остаточное давление p2 = 10 Па в системе. Перепад температур в дистилляторе составлял AT = 33°С.
Неравновесные термодинамические условия дистилляции, обеспечивая испарение и конденсацию влаги, создавали перепад давлений Ap = p1 = = 9 кПа между испарителем и конденсатором. Перепад давлений Ap определяет скорость дистилляции, составлявшую в установившемся режиме W = 9.5 л/ч. Удельная скорость, приходящаяся на единицу объема загруженной в испаритель воды, составила w = W/V0 = 32% ■ ч-1, а скорость, отнесенная к объему и подведенной к испарителю мощности, оказалась равной w/N = 4.8% ■ (кВт ■ ч)-1.
Семейство кривых w(t) при различных значениях подведенной мощности показано на рис. 3, откуда следует, что с ростом подведенной мощности времена запаздывания и разгона процесса дистилляции уменьшаются. В установившемся режиме скорость дистилляции возрастает с подведенной мощностью от 10% ■ ч-1 при N = 2.2 кВт до 60% ■ ч-1 при N = 13.2 кВт.
Зависимости временных характеристик и температуры кипения от подведенной мощности приведены на рис. 4. Из кривых ta(N), tp(N) и T(N) следует, что с увеличением мощности времена запаздывания и разгона процесса дистилляции уменьшаются, однако при этом наблюдается двукратный рост температуры кипения от 32°C при N = 2.2 кВт до 59°C при N = 13.2 кВт.
На рис. 5 представлены зависимости удельной скорости дистилляции от температуры в испарителе при различных значениях мощности нагрева. При N = const зависимости w(T) характеризуют изменение производительности с температурой за время разгона процесса от начальных до конечных установившихся значений. Как следует из кривых w(T), начальная температура процесса не зависит от мощности нагрева, определяется остаточным
148
ЕМЕЛЬЯНОВ и др.
г, мин 80
60 -
40 -
20 -
Т,
°с
70
60
- 50
40
w, % ■ ч1 80
60 -
N = 13.2 кВт
40 -
20 -
N, кВт
Рис. 4. Времена запаздывания Г3 и разгона ^ процесса дистилляции и температура в испарителе Т в зависимости от подведенной мощности N.
давлением в испарителе и составляет =28°С. По результатам измерения температуры с помощью известных термодинамических свойств воды и водяного пара [3] мы оценили давление в испарителе. Начальное давление насыщенного пара составляло 4 кПа. Начальная производительность зависит от подведенной мощности, и при ее шестикратном увеличении от 2.2 до 13.2 кВт возрастает в 4.75 раза от 4 до 19% ■ ч-1.
В отличие от начальной, конечная температура, соответствующая установившемуся процессу удаления влаги, существенно зависит от мощности нагрева и изменяется в 1.8 раза от 32 до 59°С при шестикратном изменении мощности от 2.2 до 13.2 кВт. Превышение некоторого критического значения мощности нагрева N ~ 8 кВт) сопровождается выходом кривых в область насыщения, причем ширина участка насыщения возрастает с увеличением мощности от 8.8 до 13.2 кВт. Наличие участков насыщения на кривых ^(0 указывает на то, что производительность установки ограничена пропускной способностью участка паропровод - горизонтальный конденсатор.
Пропускная способность паропровода оказывает существенное влияние на температуру и давление насыщенного пара в испарителе. Пропускную способность паропровода можно изменять, перекрывая часть шлангов. Зависимости температуры и давления насыщенного пара от числа открытых шлангов паропровода при неизменной мощности нагрева N = 4.4 кВт приведены на рис. 6.
Из кривых Т(п) и р(п) следует, что с уменьшением пропускной способности паропровода температура и давление в камере испарителя повышаются. При шестикратном уменьшении числа шлангов температура кипения повышалась на
20
30
40
50
60 Т, °с
Рис. 5. Зависимость скорости дистилляции от температуры при различной мощности нагрева.
56% (от 37 до 58°С), а давление - в 2.6 раза (от 6.5 до 17.2 кПа). В установившемся режиме производительность дистиллятора не зависит от числа шлангов паропровода и составляет м> = 20% ■ ч-1. Следовательно, участки насыщения кривых М!(Т) можно объяснить ограниченной пропускной способностью горизонтального конденсатора.
В установившемся режиме производительность дистиллятора определяется мощностью нагрева. Как следует из рис. 5, при шестикратном увеличении мощности от 2.2 до 13.2 кВт производительность также возрастает в 6 раз (от 10 до 60% ■ ч-1). Однако производительность изменяется с мощностью немонотонно. Для сравнения эффективности установившихся режимов дистилляции из кривых М!(Т) мы рассчитали удельную про-
Т, °С 60
50 -
40
30
р, кПа 20
- 15
- 10
Рис. 6. Изменение температуры Т и давления насыщенного пара р с увеличением числа п шлангов паропровода при N = 4.4 кВт.
5
1
2
5
4
6
%
w _
N кВт ч
5.5 г
5.0
4.5
4.0
10
15
N, кВт
Рис. 7. Удельная производительность дистиллятора в установившемся режиме как функция мощности нагрева.
изводительность w/N, отнесенную к единице подведенной мощности. На рис. 7 представлена зависимость удельной производител
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.