|
FILMOVÁ ODPARKA UOP 1A (ARMFIELD LTD.) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 ÚVOD – PRINCIP
FILMOVÉ ODPARKY 3 POPIS
ZAŘÍZENÍ A SCHÉMA ODPARKY 4 UVEDENÍ DO PROVOZU A
PRACOVNÍ REŽIM 4.1 Spuštění počítače
a měřícího programu |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 BEZPEČNOST PRÁCESeznam hlavních rizik, která mohou být spojena s prací na filmové odparce Armfield je následující: ·
Zranění vlivem
nesprávného použití – zejména při
práci za sníženého tlaku je třeba
důkladně zavzdušňovat aparaturu předtím,
než se začne odparka vypouštět ·
Poranění elektrickým
proudem ·
Popálení
součástmi o vysoké teplotě (těleso odparky,
přívod páry, zásobní nádoba) ·
Opaření horkou vodou nebo
parou ·
Při chemickém
čištění hrozí riziko poleptání
horkými roztoky kyselin a zásad ·
Poškození ošacení 2 ÚVOD – PRINCIP FILMOVÉ ODPARKYTato vertikální filmová odparka pracuje na principu přirozeného uzavřeného cirkulačního okruhu. Kontrolovatelné a známé množství vzorku je ze spodní části odparky přiváděno do vnitřní trubky tělesa odparky. Pára o známém tlaku je přiváděna z laboratorního zdroje (vyvíječe páry) do spodní části vnějšího pláště. Zahušťovaný roztok se začne vařit a je parami vynášen vzhůru po stěnách odparky, kde vytváří tenký film, na kterém dochází k rychlému a účinnému sdílení tepla. Výpary z vroucí směsi ve vnitřní části trubky procházejí do cyklónového děliče, odkud se kapalná frakce vrací zpět přes průtokoměr do spodní části odparky. Páry z cyklónového děliče jsou vedeny do vodou chlazeného kondenzátoru a kapalina je jímána v kalibrovaných nádobách. Parní kondenzát je jímán v odpadním potrubí a jeho množství je volumetricky měřeno. Na vrchu odparky jsou umístěny ventily, které odvádějí vzduch ze systému. 3 POPIS ZAŘÍZENÍ A SCHÉMA ODPARKYOdkazy v textu viz Obr. 1. Kapalina, která se
zakoncentrovává, je obsažena v dlouhé
skleněné přívodní nádobě (4). Odtud protéká
vlivem gravitace kontrolním ventilem (V4) a průtokoměrem (FIC 21) do spodní části vlastního
odpařovacího zařízení (1). Var nastává uvnitř
vertikální trubky, která je zahřívána
parou z vnějšího pláště. Přívod
páry do pláště je kontrolován
regulačním ventilem (V1)
a tlak je měřen na manometru (PIC
11). Ventil (11) na vrchu
parního pláště zajišťuje, že vzduch
může ze systému unikat a parní záklopka (10) na spodu umožňuje zas
odtok kondenzátu do odpadního potrubí. Kapalina se
intenzívně vaří uvnitř odpařovací
trubky, na jejíž vnitřní straně se
tvoří film, který je unášen
tvořící se vodní parou trubkou vzhůru.
Vodní film může být zřetelně viděn na
skleněném kolenu na vrchu odparky. Zkoncentrovaná kapalina
a vodní výpary procházejí
tangenciálním sacím ventilem děliče (2). Vodní pára z
horní části odparky odcházejí
sběrným potrubím do plášťového
trubkového kondenzátoru (5).
Vstup chladící vody do kondenzátoru reguluje ventil (V2) a množství vody je
měřeno průtokoměrem (FI
24). Vytvořený kondenzát stéká vlivem
gravitace do jedné ze dvou sběrných nádob ( Pokud se provádí zakoncentrování za vakua, vakuová pumpa (8) se zapíná na ovládacím panelu či na počítači a vakuum je nastaveno ventilem (V3) a indikováno na tlakoměru (PIC 12). Odpařovací systém je chráněn v případě selhání zařízení či procesní chyby jistícím tlakovým ventilem (12). Napájecí nádoba (4) může být vypuštěna výpustním kohoutem (V12) a kondensační nádobky kohouty (V8) a (V9). Pro usnadnění odtoku, je vzduch pronikající do systému kohouty (V10 a V11) veden do víček kondensačních nádob. Kohouty (V6) a (V7) dovolují během plnění jedné z nádobek současné vypouštění nádobky druhé. Místa průniku vzduchu také slouží jako místa napojení vakuové pumpy, pokud je požadováno, aby systém běžel pod redukovaným tlakem. T-spoj a kontrolní ventil (V5) umožňuje napojení externích přívodních tanků na systém, který pak může pracovat kontinuálně. Teploty systému jsou monitorovány pomocí termochemických článků, které jsou spojeny se čtecím zařízením (ve stupních Celsia), na ovládacím panelu nebo na počítači. Propojení stanice umožňuje volit způsob zahušťování roztoku buď jednorázovým průchodem odparkou nebo cirkulací. Je možné odměrkou měřit množství brýdového kondenzátu a z toho usuzovat na stupeň zahuštění roztoku. Technologické
parametry stanice jsou následující:
Obr.
1: Schéma odparky se stoupajícím filmem 1 těleso odparky 2 cyklónový odlučovač brýdové páry od zahuštěného roztoku 4 zásobník na zahuštěný roztok 5 vodou chlazený kondenzátor brýdových par 6, 7 zásobníky na kondenzát z brýdových par 8 vývěva 10 odvaděč kondenzátu z topné páry 11 odvzdušnění parní komory odparky 12 pojišťovací ventil (tlak) 13 přisávání vzduchu při řízení podtlaku
V1 topná
pára do odparky V2 chladící voda V3 regulace tlaku v brýdovém prostoru V4 regulace průtoku zahušťovaného roztoku do odparky při recyklu V5 regulace
průtoku roztoku vstupujícího do odparky ze
zásobníku V6, V7 nátok do kondenzačních tanků V8, V9 vypouštění kondenzačních tanků V10, V11 odvzdušnění kondenzačních tanků 4 UVEDENÍ DO PROVOZU A PRACOVNÍ REŽIMVeškeré odkazy se vztahují k Obr. 1. 4.1 Spuštění počítače a měřícího programuPřipojte zařízení ke zdroji elektrického proudu. (1) Zapněte hlavní rozvaděč na panelu a pak vypínač napájení. Zkontrolujte, zda se rozsvítila kontrolka a displej automatu. (2) Pokud není přepnuto, na ovládacím panelu automatu přepnout ovládání na počítač stiskem klávesy F11, na displeji se objeví zpráva o připojení počítače. (3) Zapnout monitor počítače a počkat až se spustí Windows NT, pokud se nepodaří napoprvé nastartovat, restartovat počítač. (4) Až se na obrazovce objeví okno pro připojení k síti, zaškrtnout Workstation Only, zapsat uživatelské jméno obsluha a heslo odparka a odeslat. (5) Postupně spustit pomocí ikon na ploše tyto programy: (6) ovladač SattBus (7) TPServer (8) TPView (9)
Objeví se hlavní menu
řídícího programu. Po kliknutí na
tlačítko přihlášení zapsat
uživatelské jméno obsluha
a heslo odparka. 4.2 Příprava zařízení na odpařování – odpařování roztoku ze sběrné skleněné nádoby (V4) recirkulací v systému(1) Zavřete všechny vypouštěcí ventily (V6 – V11) a regulační ventily (V1 - V5). (2) Otevřete vzadu za odparkou hlavní uzávěr vody. Kohoutem (V2) nastavte na průtokoměru průtok chladící vody přibližně 10 litrů / minutu. (3) Hadici vedoucí od přívodního potrubí přes regulační ventil V5 vložte do zásobníku odkud budete do skleněné sběrné nádoby čerpat roztok na odpařování. (4) Otevřete dvojici ventilů (V6 a V10 nebo V7 a V11), aby se odvzdušnily kondenzační tanky (6, 7) a vznikl potřebný podtlak na nasátí kapaliny. (5) Spusťte kliknutím na monitor vývěvu. (6) Na manometru PIC 12 sledujte pokles tlaku v systému. (7) Otevřením regulačního ventilu V5 se začne ze zásobníku napouštět kapalina do zásobní nádoby odparky (4). Ventilem V5 a průtokoměrem FIC 21 regulujte průtok. (8) Naplňte přívodní nádobku (4) ze tří čtvrtin. Když je nádoba plná, zavřete ventil V5. (9) Otevřete přívod páry do odparky v blízkosti tlakového regulačního ventilu – hlavním ventilem u vyvíječe páry – není zobrazeno ve schématu. (10) Bude trvat krátkou dobu, než se systém zahřeje a ručička tlakoměru (PI 13) se ustálí. (11) Otevřete přívodní průtočný ventil (V4) a nastavte požadovaný průtok na průtokoměru (FIC 21). (12) Zkontrolujte, zda voda prochází přes skleněné koleno na vrchu odpařovací trubky. Zjistěte, zda kondenzát je odváděn do sběrných nádob (6 nebo 7). (13) V případě, že nechcete pracovat za podmínek sníženého tlaku, vypněte vakuovou pumpu (8). 4.3
Příprava
zařízení na odpařování –
jednorázové odpařování roztoku ze
zásobní nádoby umístěné mimo odparku
(1) Body 1) až 6) viz kapitola 4.2. (2) Otevřete přívod páry do odparky v blízkosti tlakového regulačního ventilu – hlavním ventilem u vyvíječe páry – není zobrazeno ve schématu. (3) Bude trvat krátkou dobu, než se systém zahřeje a ručička tlakoměru (PI 13) se ustálí. (4) Otevřením regulačního ventilu V5 se začne ze zásobníku napouštět kapalina do zásobní nádoby odparky (4). Ventilem V5 a průtokoměrem FIC 21 regulujte průtok. (5) Zkontrolujte, zda voda prochází přes skleněné koleno na vrchu odpařovací trubky. Zjistěte, zda kondenzát je odváděn do sběrných nádob (6 nebo 7). (6) V případě, že nechcete pracovat za podmínek sníženého tlaku, vypněte vakuovou pumpu (8). 5 UKONČENÍ PRÁCE5.1 Ukončení práce na odparce(1) Pokud poklesne objem ve skleněném zásobníku (4) a není další médium na odpařování, hlavním uzávěrem uzavřete přívod páry do odparky. Médium nechejte cirkulovat tak dlouho, dokud se plášť odparky neochladí. Nikdy nepřivádět topnou
páru do tělesa odparky pokud ve vnitřní trubce není médium,
které by se odpařovalo, hrozí zapečení
odparky. (2) Vypněte vakuovou pumpu a systém opatrně zavzdušněte ventilem (V3). Vyčkejte vyrovnání tlaků (manometr PIC 12). Pak můžete odparku vypustit. Nikdy, pokud je aparatura pod vakuem,
nevypouštějte přívodní nádobu nebo
kondenzační tanky. Došlo by k prudkému
vyrovnání tlaků a mohly by se roztrhnout
skleněné součásti odparky!!! (3) Vypusťte přívodní nádobu (4) a naplňte ji čistou vodou nebo čistícím roztokem (10% roztok chlornanu sodného, či 1% roztok kyseliny dusičné) (4) Vodu nechejte krátkou dobu cirkulovat, aby se odparka propláchla. Tento postup několikrát opakujte. V případě potřeby zahřejte těleso parou, aby čištění probíhalo za vyšší teploty. (5) Vypusťte a vysušte zařízení. Nechejte všechny ventily otevřené, aby odparka mohla vyschnout. (6) Zastavte vodu a hlavní přívod vody, vypněte hlavní přívod na ovládacím panelu. Odpojte přívod elektrického proudu. 5.2 Ukončení práce na počítači(1) Ukončit program v hlavním menu kliknutím na tlačítko konec programu. (2) Odpojit se od Windows standardním způsobem volbou položky vypnout pořítač. Vypnout počítač a monitor. 6 LABORATORNÍ ÚLOHY6.1 Experiment č. 1Zjistit podle hmotnostní bilance koncentraci cukerného roztoku po odpaření vody a získat určité množství koncentrátu. Najít optimální průtok a podmínky pro zahušťování cukerného roztoku. Připravte si asi Uveďte zařízení do provozu (viz návody – kapitola 4.2. a 4.3). Nastavte průtok přiváděného množství cukerného roztoku, aby docházelo k optimálnímu odpařování, to znamená, aby nedocházelo k napékání média v tělese odparky, ale zároveň se i roztok zahušťoval (vizuální kontrola ve skleněném kolenu na výstupu z odparky). Zjistit, jak se mění teploty v závislosti na průtoku média v odparce a najít optimální průtok pro zahuštění.
Teoreticky by se mělo rovnat množství cukru a vody v roztoku vstupujícího do systému s množstvím těchto látek v zahuštěném roztoku a v kondenzátu. Proto platí: bilance vody: mF = mE + mC bilance cukru:
sF = sC kde mF.....množství vody v roztoku přivedené do odparky, kg mE ....množství odpařené a zkondenzované vody, kg mC ....množství vody v zakoncentrovaném roztoku, kg sF......množství cukru v původním roztoku, kg sC......množství cukru v zakoncentrovaném roztoku, kg Tato bilance předpokládá, že odparka pracuje v ustáleném stavu a žádný cukr nepřechází do kondenzátu. DATA, KTERÁ SE MĚŘÍ: Změřte na refraktometru původní koncentraci cukerného roztoku C0. Zjistěte původní množství přiváděného roztoku (hmotnost nebo objem). Spusťte odpařování za sníženého tlaku a každou minutu odečítejte pracovní podmínky, tj. průtok přiváděného roztoku (FIC 21), tlak páry (PIC 11), a bod varu, respektive teplotu roztoku a brýdových par na výstupu z odparky (TI 02), dokud se nesníží objem v přívodní nádobě na třetinu, nebo dokud nedojde k zahuštění. Během procesu bude zřejmě nutno kombinovat oba způsoby odpařování, jak jednorázové odpařování, tak recyklace v systému (Kap. 4.2. a 4.3.). Po ukončení práce zjistěte hladiny roztoků v přívodní nádobě (LK) a kondenzačním tanku (L1 nebo L2), případně množství zbylého cukerného roztoku, který se nezahustil. Výsledky zaznamenávejte do tabulky. Po zahuštění odparku odstavte, vypusťte koncentrát (Pozor! Pokud je systém pod vakuem nutno nejprve zavzdušnit!!!) a odparku vymyjte horkou vodou a pak kyselinou dusičnou (1% hm.). Na závěr opět vypláchněte vodou. (1) Vypočítejte původní množství vody mF v přivedené do odparky. (2) Spočítejte množství odpařené vody mE, tj. vody v kondenzačním tanku, když víte že závislost množství vody (v gramech) na výšce hladiny v kondenzačním tanku (v milimetrech) udávají rovnice: mE = 18,78 . L1
- 74 (pro pravý
kondenzační tank č.1) mE = 18,79 . L2
- 87 (pro levý
kondenzační tank č.2) kde: L1 a L2...jsou hladiny v kondenzačním tanku (mm) (3)
Z bilance spočítat
množství vody v koncentrátu mC (4) Spočítejte celkovou hmotnost zakoncentrovaného roztoku ve sběrné skleněné nádobě po skončení odpařování m3, když víte že závislost objemu kapaliny (ml) na výšce hladiny je dána vztahem: kde VK...je konečný objem v přívodní nádobě LK...je konečná výška hladiny v přívodní nádobě (mm). (5) Z bilance vypočítejte konečnou koncentraci cukru CK ve sběrné nádobě. (Předpokládá se, že použitý tank byl od počátku prázdný) a konečné množství cukru sC v koncentrátu. (6) Hodnotu CK vypočtenou porovnejte s naměřenými údaji a vysvětlete proč jsou obě hodnoty rozdílné nebo stejné. Diskutujte závislost teploty TI 02 na průtoku média v odparce a uveďte hodnotu optimálního průtoku pro zahuštění. 6.2 Experiment č. 2Spočítat energetickou bilanci odparky při odpařování vody. Uveďte zařízení do provozu, napusťte skleněnou přívodní nádobu vodou. Odečtěte počáteční hladinu vody ve skleněné přívodní nádobě. Spusťte odpařování za sníženého tlaku v systému s recirkulací média v odparce. Počkejte až se podmínky ustálí, pak můžete začít měřit.
Hmotnostní bilance topné páry:
mP = mK Pro odparku může být enthalpická bilance zapsána následovně:
mF.
hF + mK . hP = mE . hE + mC
. hC + mK . hK kde: mF.....množství vody přivedené do odparky, kg mE....množství odpařené vody, kg mC....množství vody v zakoncentrovaném roztoku, kg mK....množství zkondenzované páry, kg mP....množství páry přivedené do pláště odparky, kg hE.....enthalpie odpařené vody na výstupu, při teplotě T6, P1, kJ/kg hF....enthalpie vstupující vody při T5, kJ/kg hP....enthalpie páry vstupující do pláště odparky při T6, P1, kJ/kg hK....enthalpie kondenzátu na výstupu z pláště odparky při P1, kJ/kg hC....enthalpie koncentrátu při T6, kJ/kg Tato bilance předpokládá, že odparka pracuje v ustáleném stavu a nedochází k žádným ztrátám. Ve skutečnosti dochází ke ztrátám tepla do okolí. Nechejte odparku ustálit a pak každou minutu odečítejte následující data: Průtok vstupující vody na odpařování (FIC 21), tlak páry (PI 13), teplotu přiváděné vody (TI 01) a na výstupu teplotu brýdových par (TI 02). Odečítejte též výšku hladiny v kondenzačním tanku a tlak, resp. podtlak (PIC 12) v systému (tato data pak použijete pro 3. úlohu). Zjistěte počáteční a konečné úrovně hladiny v přívodním a kondenzačním tanku (L0, LK, L1 nebo L2). Pro každý pokus spočtěte: (1) Spočítejte průměrnou hodnotu: průtoku přiváděné vody (FIC 21), tlaku páry (PI 13), teploty přiváděné vody na vstupu (TI 01), a kondenzátu a odpařené vody na výstupu (TI 02). (2) Z tabulek zjistěte enthalpii vody na vstupu (hF) při T 01, brýdových par (hE) při TI 02, roztoku po odpaření (hC) při TI 02, parního kondenzátu a topné páry (hP, hK) při PI 13. (3) Spočítejte změnu hladin přívodního a kondenzačního tanku (L0 - LK, D L1, nebo D L2). (4) Spočítejte množství vody přivedené (mF) a odpařené (mE) a vody v roztoku po odpaření (mC), když víte, že závislost objemu roztoku po odpaření (ml) ve sběrné nádobě na výšce hladiny (mm) je dána rovnicí:
mF = 4,515 . (L0
- LK) + 220 kde: 220...je objem vody v potrubí, ml a pro kondenzační tanky platí obdobně: mE = 18,78 . D L1 - 74 (pro levý kondenzační tank č.1) nebo: mE = 18,79 . D L2 - 87 (pro pravý kondenzační tank č.2) kde: L1 a L2...jsou hladiny v kondenzačním tanku
mC = mF -
mE (5) Z energetické bilance spočítejte teoretické množství páry mP, která se spotřebovala při odpařování.
mF. hF +
mP . hP = mE
. hE + mC . hC + mP . hK (6) Výsledek diskutujte v závěru. 6.3
Experiment č. 3
Zjistit jak se mění rychlost odpařování vody v závislosti na tlaku systému. PROCES: Uveďte zařízení do provozu (viz Kap. 6.2.) s tím rozdílem, že se bude pracovat za atmosférického tlaku. Proveďte sérii experimentů s odlišným tlakem systému (PIC 12), nejprve za vakua (data se měřila v Experimentu č. 2) a pak při atmosférickém tlaku. Rychlost odpařování E je dána vztahem: kde E...rychlost odpařování, kg / h Q...rychlost přestupu tepla, kJ / h H...latentní výparné teplo vody při tlaku v systému, kJ / kg Rychlost přestupu tepla Q je dána:
Q = UE . AE . DTE kde:
UE....koeficient
přestupu tepla, kJ / m2 . h .°C
AE....teplosměnná plocha, DTE ..teplotní rozdíl, °C Teplotní rozdíl DTE je dán vztahem:
DTE = TS - Tpr kde:
TS...teplota
páry při tlaku PI Tpr...průměrná hodnota bodu varu při tlaku v systému, °C v tomto experimentu jsou AE a H konstantní. proto platí:
UE . AE . DTE
E = -------------------- =
K1 . UE . DTE dále:
UE = a . DTE n a
tudíž E = K2 . (DTE
)n + 1 kde: K2 je konstanta a n může nabývat hodnot od 0,5 do 2,0. Rychlost odpařování může
vzrůstat s rostoucím teplotním rozdílem DTE. V
tomto pokusu je to zajištěno snižováním tlaku v
systému PIC DATA, KTERÁ SE MĚŘÍ: Nechejte odparku ustálit a pak
odečítejte každou minutu hodnoty průtoku
vstupující vody (FIC
21), bod varu (TI 02), tlak
páry a tlak v systému (PI
Pro každý pokus spočítejte: (1)
Průměrnou hodnotu tlaku páry PI (2) Průměrnou teplotu varu Tpr. (3) Teplotní rozdíl DTE. (4) Vyneste do grafu závislost výšky hladiny v kondenzačním tanku (L1 nebo L2) proti času. Body proložte lineárně regresní přímkou a spočítejte její směrnici S2. Graf vyjadřuje rychlost tvorby kondenzátu s časem, což odpovídá rychlosti odpařování. (5) Pomocí směrnice vypočtěte průměrnou hodnotu rychlosti odpařování E a vyjádřete ji v jednotkách kg/h. (6) Hodnoty rychlostí při různých tlacích porovnejte a uveďte do závěru. 7 PŘÍLOHATABULKY ENTALPIE PÁRY A VODY (TABULKA 1 a 2) TABULKA HUSTOTA CUKERNÝCH ROZTOKŮ (TABULKA 3) |
