薄膜蒸发.docx
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薄膜蒸发
薄膜蒸發
一、實驗目的
1.利用一單效蒸發器(Single-effectEvaporator)進行實驗,藉此瞭解蒸發理論的應用,並瞭解攀昇膜直立長管式蒸發器(BasicclimbingFilmEvaporator)之構造及其操作。
2.質能量結算練習及應用。
3.小規模濃縮加工。
4.利用改變系統壓力來觀察其蒸發速率的不同。
二、實驗原理
蒸發乃是溶液受熱,在溶液之沸點溫度即溶液沸騰狀態下,逸出溶劑,使溶液中溶質濃度提高之操作。
如淨化之蔗汁,經加熱蒸發去除大量水份,提高糖份之濃度,以便於結晶製糖。
蒸發的目的在化學工廠中,為物料的濃縮。
在動力工廠中,則為動力的獲得和純水的製造。
蒸發操作基本上之要素為:
連續供給熱能和不斷的去除蒸氣。
其主要的設備裝置為一蒸發室、加熱室及去除蒸氣的裝置。
正常情況下,蒸發操作中的濃度為有價值的產品,而蒸氣在冷凝後棄去。
然而,在一些特殊的狀況下,則與之相反,含有礦物質的水通常經過蒸發操作後,得一不含固體的產物,而此產物可提供作為鍋爐的給水、特殊程序的需求、或人類的消耗用。
此種技術稱為水蒸餾(Waterdistillation),但從技術而言,它是屬於蒸發。
大規模的蒸發程序已被發展,且被用來自海水中回收飲用水,此程序中冷凝水為所要的產品,在全部水中僅一部份被回收,而其餘部份則回到海中。
蒸發問題的實際解方法深受濃縮液體之特性的影響。
由於廣泛的液體特性變化(在設計和操作蒸發器時,對於此液體特性需要有判斷的能力及經驗的累積),下列僅將一些重要蒸發液體的重要特性列出:
濃度(Concentration)、發泡(Foaming)、溫度敏感性(Temperaturesensitivity)、鍋垢(Scale)、結構材料(Materialsofconstruction)、比熱、濃縮熱、凝固點......等。
目前所使用的以水蒸氣加熱的管狀蒸發器,其主要型式有:
1.直立長管式蒸發器(Long-tubeverticalevaporators)
a.上升流(攀昇膜)[Upwardflow(climbing-film)]
b.下降流(落膜)[Downwardflow(falling-film)]
c.強制循環(Forcedcirculation)
2.攪拌膜蒸發器
本次實驗所用的蒸發器為攀昇膜蒸發器(Basicclimbing-filmevaporator),今將其裝置的流程圖及各部名稱,操作介紹如下:
直立式攀昇式膜蒸發器其操作、關閉皆處於自然循環狀態。
蒸發器的進料可知道並加以控制。
蒸氣抽出量亦由一已知壓力狀態下操作。
其主要部份包括:
(1)一管狀熱交換器,殼側為蒸氣而待濃縮的液體在管內
(2)用來除去蒸氣所帶的液體而安裝之分離器或蒸氣空間(vaporspace)
(3)當作循環式單元時,有一回流管,可將由分離器流出的液體導入熱交換器底部
入口處是提供進料和水蒸氣之用,而出口處乃提供蒸氣、濃液、水蒸氣、凝結液和水蒸氣中不可凝結氣體出口之用。
代表性的管直徑為1~2in,管長為12~32ft。
由於沸騰的作用,液體和蒸氣在管內向上流動,分離後的液體藉重力流回管底。
進入蒸發器內的稀薄溶液之溫度,大約為室溫,進入器內後和由分離器回流的液體混合。
混合物進入管的底部,而水蒸氣則在管外側冷凝。
進入管子的進料,以液體的型態向上流過一短距離,在液體流動過程中不斷由蒸氣吸收熱量。
當液體開始沸騰時,氣泡由液體內形成,因此增加了液體和氣體混合物的速度,也提升了熱傳速率。
接近管的頂部處,氣泡迅速地成長。
在此區域內,蒸氣和液體團交錯上升並迅速地通過管子,而以高速由管的頂部流出。
由管流出的液體和蒸氣進入分離器。
分離器的直徑大於熱交換器的直徑,因此蒸氣的速度驟降。
為了進一步有助於消除液滴,蒸氣在離開分離器前,須撞擊並繞過若干阻擋板,fig-A所示蒸發器只能視為循環單元操作。
直立長管蒸發器對於濃縮時易於起泡的液體特別有效。
當高速的液體和蒸氣混合物撞上蒸氣擋板時,氣泡即被破壞。
(1)在不同蒸氣壓力下,其蒸發速率為:
(1)
其中
E:
蒸發速率(kg/hr)
Q:
熱傳速率(kJ/hr)
H:
水在蒸氣壓力下之蒸發潛熱(kJ/kg)
又
UE:
熱傳係數,kJ/m2hr℃
AE:
熱傳面積,0.0064m2
TS:
在蒸氣壓力(P1)下之蒸氣溫度,℃
T7:
在系統壓力(P)水之沸騰溫度,℃
因AE與H為一常數,則令
(2)
由於熱傳係數UE為溫度(ΔTE)之函數,可表示為
(3)
其中
K2:
為常數
n:
0.5~2.0
(2)在不同系統壓力下,其蒸發速率E為:
(4)
其中
TS:
在系統壓力(P2)下之蒸氣溫度,℃
T6:
在蒸氣壓力(P1)水之沸騰溫度,℃
而將(3)、(4)式取對數作圖,可求得在不同蒸氣壓力或系統壓力下,
溫度對蒸發速率之關係。
三、實驗裝置
AbbeRefractometer
一、利用校正片校正:
1.校正片有磨光及毛玻璃兩種不同表面
2.校正片上均有註明該片之屈折率(如nD=1.5163)
3.使用校正片之步驟﹕
(a)取出所附校正片用之試劑溶液,將其一小滴,滴在校正片之磨光面上。
(b)將此面與主稜鏡面相結合(切記溶液不可使用大多,否則會產生氣泡或彩色斑點出現而不準確)且另一磨光面需對準光源方向。
(c)將測定轉鈕(最下方最大的)轉至使下方刻劃板上之指標線約略對準校正片上數據相同的刻劃上。
(d)再將(中間的)測定轉鈕作微調,慢慢轉動
,看出上方有一交叉線之圖形(如右圖),
將此圖形調至在交叉線上找出黑白分明之
線相交又於此二交叉線上使三條線均交叉
於中點上,則此時從下方可讀出正確之校
正值。
(e)使用後,利用不損害鏡片之物清理乾淨。
二、利用蒸餾水校正零點:
1.取一蒸餾水滴到主稜鏡上面,將上覆蓋蓋上,固定轉鈕固定住。
2.依第一之步驟相同方式為之,即可找出校正值。
三、取二滴欲測之樣本滴到主稜鏡上面,再依上列之步驟為之,找出三
線交叉點後,從下方可讀出正確之測定值。
四、注意事項:
1.測試完畢必須將樣品清除乾淨,加少許水使樣品溶解,再用拭鏡紙擦找乾淨,切忌直接擦拭會磨損鏡面而損壞,或大量水沖洗使防水設置破壞。
2.樣品只須一滴不可過多而溢出,以免對稜鏡或外部產生破壞。
四、實驗步驟
(一)清洗
1.檢查所有的路線是否順暢並關閉所有管件。
2.將熱水注入不鏽鋼儲槽中,開C2、C5、V1和V3,使清水藉由重力進入進料槽(L3),先開啟溫度顯示器再開真空幫浦注滿整個進料玻璃槽,關閉真空幫浦,再開V7將水流出。
3.重複步驟二次,結束關閉所有閥件。
(二)改變系統壓力對蒸氣速率的影響
1.檢查所有路線是否順暢並關閉所有閥件。
2.配置4wt%糖水(最少2.5公升以上),注入不鏽鋼儲槽中,開C2、C5、
V1和V3,使糖水藉由重力進入進料槽,先開啟溫度顯示器再開真空幫
浦,達到整個進料約達到3/4處(刻度500),暫時關閉真空幫浦。
關閉C5
以防止溶液回流。
3.打開冷水進料控制閥並調整冷水流速8.5L/min。
4.開啟真空幫浦,固定一系統壓力(P2)100mmHg,再開蒸氣控制閥C4,調整固定蒸氣壓力(P1)1.0bar。
5.稍等幾秒鐘即可由C2控制進料流速14L/hr。
6.當蒸發液經由分離器(8)回至進料槽中,進料槽之液位會隨時間降低,同時每隔2min紀錄一次進料槽液位、折射率(抽取進料槽之溶液,需短暫關閉真空幫浦約5秒),取樣完後馬上打開真空幫浦。
直到液面達200處為止。
7.實驗完先關閉蒸氣閥C4,最後洩掉系統壓力,以及關閉所有閥件。
8.固定蒸氣壓力改變系統壓力(250mmHg),重複以上步驟。
五、實驗結果
(一)數據記錄
(1)濃度對折射率之標準校正曲線:
濃度(糖液)
0%
5%
10%
15%
20%
折射率
濃度(糖液)
25%
30%
35%
40%
50%
折射率
(2)系統壓力對蒸氣速率的影響:
蒸氣壓力:
系統壓力:
糖液初始濃度/折射率:
時間
進料濃縮物
蒸發器
冷凝器
流量
進料
糖液
折
蒸氣
系統
進料
蒸氣
冷凝水
蒸氣
溫度
體積
折
液位
濃度
射
壓力
壓力
溫度
溫度
流量
溫度
溫度
溫度
射
(min)
F2
L3
CF
率
P1
P2
T5
T6
F1
T1
T2
T3
T4
L1
率
(二)結果整理
1.做出濃度對折射率之標準校正曲線,並找出最適曲線方程式。
2.在各種操作條件下,蒸發器中進料溫度對時間作圖。
3.在相同蒸氣壓力條件下,以不同系統壓力之condensatetanklevel對時間作圖。
4.在各種操作條件下,進料濃縮物之糖液濃度對時間作圖。
5.在各種操作條件下,冷凝液之體積對時間作圖。
六、問題與討論
1.試說明各種操作條件下,蒸發器中進料溫度對時間之影響。
2.試說明在相同蒸氣壓力條件下,不同系統壓力之condensatetanklevel對
時間之影響。
3.試說明各種操作條件下,進料濃縮物之糖液濃度對時間之影響。
4.試說明各種操作條件下,冷凝液之體積對時間之影響。
5.請由實驗數據,比較在相同蒸氣壓力、不同系統壓力之條件下,何種情
況的蒸發效率較好,為什麼?
6.請舉出其他蒸發方式,並詳加介紹。
七、附錄
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- 关 键 词:
- 薄膜 蒸发