溴化锂水溶液
四川理工学院毕业论文
溴化锂-水溶液蒸发实验研究
学 生:彭 李 学 号:
专 业:化学工程与工艺 班 级:2009 指导老师:
四川理工学院材料与化学工程学院
二〇一三 年 6 月
摘 要
对静止表面在低压条件下的蒸发过程进行的研究,建立了低压液体表面气液界面蒸发模型,结合静止表面蒸发实验(温度450C 、680C 、 800C 三组、蒸发压力30~100kpa、质量分数5%、10%、15%),得到了本研究体系蒸发传热准数方程。研究发现,温度越高实验中的蒸汽越容易被损失,质量分数越大,蒸发速率越小。在本文蒸发模型的基础上实现了溶液表面蒸发过程的流程模拟,为其工业化设计提供了基础的参考依据。
关键词:表面;蒸发速率;传热系数;蒸发模型;流程模拟
Abstract
Surface under the condition of low pressure evaporation process of static research, gas-liquid interface of low pressure liquid surface evaporation model is established, combined with the static surface evaporation experiment (temperature of 45℃, 68℃, 80℃ three groups, 30 ~ 100 kPa evaporating pressure, mass fraction of 5%, 10%, 5%), and numeral evaporation heat transfer equations obtained in this study system. Experiment study found that the higher the temperature of the steam is easy to damage, the quality score, the greater the evaporation rate is smaller. Based on evaporation model in this paper implements the solution surface evaporation process simulation of the process, provides a basis for its industrial design reference.
Key words:Surface; Evaporation rate; Heat transfer coefficient; The evaporation model; Process simulation
1 文献综述
2 实验部分
2.1 实验原理
使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移除蒸汽,从而使溶液中溶质组成提高的单元操作称为蒸发,所采用的设备称为蒸发器。但在一些特殊的情况下我们常常需要加大或者减小压力来完成我们所需要的蒸发。
蒸发是重要的化工单元操作之一,蒸发操作是用加热的方法,在沸腾状态下,使溶液中的水分或者其他具有挥发性的溶剂、部分汽化移出,其溶液中的溶质数量不变,从而使溶液被浓缩。因此,蒸发过程是一个热量传递的过程,气传递速率是蒸发过程的控制因素。蒸发设备属于热交换设备。
工业操作中蒸发设备的目的主要有三个:
① 为了提高溶液中溶质的浓度。例如:电解烧碱液的浓缩,稀硫酸的浓缩,尿素溶液的浓缩等。
② 为了浓缩溶液和回收溶剂。例如:有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯,中药渗漉液的浓缩回收酒精等。
③ 通过蒸发制备纯净的溶剂。例如:海水淡化、丙烷脱沥青,双乙烯酮脱出高沸物等。
蒸发操作可以在加压、常压、真空下进行。为了保持产品生产过程的系统压力(例如丙烷脱沥青),则蒸发需在加压状态下操作。对于热敏性无料(例如抗生素溶液、果汁)为了保证产品质量,在较低温度下蒸发浓缩,则需要采用真空操作以降低溶液的沸点。如利用低压或负压的蒸汽以及热水加热时,采用真空操作也是有利的。因为在真空下加热介质与沸腾液体间的温度差,比常压下大,而且造成真空需增加设备和动力。因此,一般无特殊要求的溶液,则采用常压蒸发为宜。
液体的沸点是指它的蒸气压等于外界压力时的温度,因此液体的沸点是随着外界的压力的变化而变化的:从另一个角度来看,由于液体表面分子逸出所需的
能量随外界压力的降低而减少。因此,降低蒸发体系的压力,则液体的沸点下降,这种在减压下的蒸发操作称为减压蒸发或真空蒸发。一般当压力降到80kpa 时水的蒸气压就只有930C 。
蒸发过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程,溶剂汽化的速率由传热速率控制,蒸发故属于热量传递过程,但又有别于一般的传热过程。
2
53
7
6
1
4
图2.1 实验原理图
1 - 加热装置;2 - 盛液装置;3 - 冷凝装置;4 - 积液装置;5 - 冷凝装置;6 – 放空装置;7 – 真空泵。
Fig2.1 Experimental schematic diagram
1 - Heating device;2 - Drip device;3 - Condensing unit;4 - Effusion device ;6 - Emptying device;7 - Vacuum pump。
本实验就是利用减压使溴化锂-水溶液的沸点降低的原理来进行溶液表面蒸发中热力学和动力学的研究。实验中均使溶液表面达到平静,并且所有实验中推动力均控制在50C 一下。
2.2 实验装置及流程
2.2.1 实验流程
本实验的流程图如下图2.2所示:
图2.2实验装置 (图中是那些数字的框全部去掉,
图中没有放空阀?图中不表明6中冷凝水的走向?)
1 – 恒温水浴锅;2 – 三颈烧瓶;3 – 温度计;4 – 牛角管;5 – 温度计;6 – 直行冷凝管;7 – 支口弯管;8 – 量筒;9、11、13 – 玻璃弯管;10 –球形冷凝管;12 -玻璃直管;14 – 真空泵。
Fig 2.2 Schematic diagram of experimental setup
1 - thermostatic water bath;2 - Three flask;3 - The thermometer;4 - Ox horn tube;5 - The thermometer;6 - Straight shape condenser pipe;7 - The mouth curved pipe;8 - Measuring cylinder;9、11、13 - Glass tube;10 - Spherical condenser pipe;12 - Glass straight pipe;14 - Vacuum pump。
图2.3 实验系统 Fig2.3 Experiment system
2.2.2实验系统
实验测量通过分度值为1ml 的量筒获得实验参数,实验系统如 图2.3所示,主要由恒温水浴、盛液瓶、真空泵、冷凝管、积液瓶、放空装置等组成。盛液瓶上加一定的保温用品,以减少热散失。实验中操作压力范围在0.05mpa~0.1mpa,采用蒸馏水为介质。在温度和压力的作用下盛液瓶中的溶液开始蒸发,蒸汽进入冷凝管后冷却并流入积液瓶。未能即使冷却的水蒸气进入第二次冷凝管,从而达
到完全冷凝的效果。
实验中采用水银温度计测量盛液瓶中的液相温度和气相温度,放空装置中的放空阀用来调节真空度和保护真空泵的作用。在实验条件下,溶液表面为发生破裂或爆沸现象。
2.3 实验材料
2.3.1 实验药品
本实验采用的药品:无水溴化锂。
表 2.1 无水溴化锂一览表
Table 2.1 Anhydrous lithium bromide list
药分子品 式
分子分子结构 量
所含杂质
规格
生产厂商
溴
化LiBr 锂
1. 水不溶物……
0.02%
2硫酸盐(SO4)……
0.01%
86.86
3氯化物(以CL 计)……0.01% 4铁(Fe )……
0.001%
天津市光复
津:
精细化工研
Q/HG31673-81
究所
2.3.2 实验主要仪器与设备 如表2.2所示:
表2.2 实验仪器与设备一览表(你的三线表为什么是绿线?)
Table 2.2 Experimental apparatus and equipment list
仪器名称 容量瓶 容量瓶 带磨口的量筒 直形冷凝管 球形冷凝管 牛角管 量筒
参数 250ml 500ml 250ml 400mm 250mm 250ml
型号 00000370 00000370
GG-17 GG-17
∠108
生产厂商或生产地
重庆 元昌 元昌
数量 2只 1只 1只 1只 1只 1只 1只
备注 In 20C
In 20C
In 20C
温度计 循环水式真空泵
量筒 三颈烧瓶
050C 100ml 500ml
巩义市予华仪器责任
SHZ-D (III )
有限司
DK-S22
2只 1台 1只 1只 1台
50~100C
编号:20040498
电热恒温水浴锅
2.4 实验步骤
① 找齐实验装置所需的所有仪器,清洗干净,放入烘箱,烘干后取出。
② 用量筒量取280ml 蒸馏水,放入烧杯中,再称取15g 溴化锂放入烧杯,待其溶解后,冷却至室温,而后装入500ml 的容量瓶中待用。
③ 按照步骤(2)的做法分别配制好10%、15%的溴化锂水溶液,装好待用。 ④ 从左至右组装好实验装置。检查装置气密性直到装置气密性良好为止。 ⑤ 将280ml 的蒸馏水放入烧瓶中,开启恒温水浴锅,将温度调至实验所需的温度。
⑥ 检测装置气密性。
⑦ 开启循环水式真空泵,将真空度调节至实验所需。 ⑧ 直到得到第一滴水时开始计时。
⑨ 每得到5ml 水的时刻,记录实验数据,直至实验结束。
3 实验结果与讨论
3.1 溴化锂溶液浓度对蒸发的影响
p = 0.03mpa
60
50
40
L /m l
30
20
10
00
1000
2000
3000
4000
t /s
[***********]00
a 这种图的纵坐标应该
是质量,因为你后面要求的是蒸发速率。(下面的图也是一样的)
经过线性回归得到四条不同浓度下,45℃时的直线: ◇ 纯水(浓度为0)…… y = 0.0118x + 0.0262 ○ 浓度为5% …… y = 0.0062x + 0.1059 △ 浓度为10% …… y = 0.0053x + 1.1845 × 浓度为15% …… y = 0.0046x + 2.4602
[1**********]00-10
L /m l
b
经过线性回归我们得到四条不同浓度下,68℃时的直线: ◇ 纯水(浓度为0)…… y = 0.013x + 0.6774 ○ 浓度为5% …… y = 0.0093x + 1.0088 △ 浓度为10% …… y = 0.0077x + 0.7539 × 浓度为15% …… y = 0.0064x + 0.5515
p = 0.005mpa
[1**********]-10
L /m l
C
经过线性回归我们得到四条不同浓度下,80℃时的直线: ◇ 纯水(浓度为0)…… y = 0.0125x + 0.5899 ○ 浓度为5% …… y = 0.007x + 0.1732 △ 浓度为10% …… y = 0.0061x + 0.2836 × 浓度为15% …… y = 0.005x + 0.0394
图3.1 (a )、(b )、(c )量纲1浓度与蒸发速率的关系 Fig3.1 The relationship between concentration and evaporation rate (图下面要有对图的结果的阐述与解释。也就是结果与讨论)
溶液浓度与蒸发速率的关系 定义溶液浓度为溶质质量与溶剂质量只比(且假设蒸发过程浓度恒定),表示蒸发过程中恒定浓度,即
m s
C = (有意义么?)
m l
定义蒸发强度为单位时间、单位面积的溶液蒸发量,即
∆m
U =(这个公式应该放在后面动力学分析中)
A ∆t 其中,U 代表了蒸发的快慢程度。图3是在不同溶液浓度条件下蒸发速率随
时间的变化的规律。由图3.1.a 可见,P = 0.03mpa、t = 45℃条件下,随着溴化锂浓度的增大,溶液的蒸发速率成下降趋势。但从纯水变为溶液时,蒸发速率明显减少(△V 1 = 0.0056ml/s);而随着浓度没5%的增加时,蒸发速率的减少量很小(△V 2 = 0.0009ml/s、△V 3 = 0.0007ml/s)。图3.1(b )、(c )中也均呈现出此种规律,说明随着溶液浓度的增加溶液的蒸发速率总是成下降的趋势。由此得:
1 U (你得到了蒸发通量与浓度成反比的关C
系???????????????????????)
而且溶液沸点升高再此也得以证明。通过实验观察发现溶液的气液相温差由真空度和加热温度共同控制。当压力越接近饱和蒸汽压,溶液的气液相温差好就会越小,实验中所有数据均在气液相温差小于2℃所得。
(后面的讨论也是一样的,照着前面的改)
3.2 温度对蒸发的影响
在本实验中温度是关键性的因素,它影响着蒸发的推动力。温度过高会导致溶液沸腾而达不到表面蒸发的效果,温度过低则会使实验数据偏离实验放向。可见,温度的变化对质量传递过程有着重要的影响,同时,质量的传递反过来又影响温度的变化,而热量的传递也通过使溶液或水蒸汽的物性发生变化来影响温度,并通过使传质推动力的变化影响传质量的大小。在传质推动力的作用下,水不断地由液相向气相转移,结果使溶液的质量分数不断地发生变化,从而在液膜中形成质量分数梯度,导致液膜中的质量传递。同时,伴随着水由液相向气相的转移,吸收大量的吸收热,使得气液界面处的温度降低,从而在液膜中产生温度梯度,导致液膜内的热传递。而液膜中的质量分数和温度的变化又改变了溶液的平衡压力,从而改变了传质推动力,最终对质量传递和热量传递产生影响。因此温度的变化对溶液的蒸发有着很大的影响。
L /m l
a
经过线性回归得到浓度为0下不同温度的直线:
◇ 45℃(浓度为0)…… y = 0.0118x + 0.0262
□ 68℃(浓度为0)…… y = 0.0125x + 0.5899
△ 80℃(浓度为0)…… y = 0.013x + 0.6774
60
50
40
30
L /m l
20
10
-10 b
经过线性回归得到浓度为5%下不同温度的直线:
◇ 45℃(浓度为5%) …… y = 0.0062x + 0.1059
□ 68℃(浓度为5%) …… y = 0.0093x + 1.0088
△ 80℃(浓度为5%) …… y = 0.007x + 0.1732
60
50
40
30
L /m l 20
10
-10
c
经过线性回归得到浓度为10%下不同温度的直线:
◇ 45℃ (浓度为10%) …… y = 0.0053x + 1.1845
□ 68℃ (浓度为10%) …… y = 0.0077x + 0.7539
△ 80℃ (浓度为10%) …… y = 0.0061x + 0.2836
60
50
40
L /m l 30
20
10
020004000t /s[1**********]00
d
经过线性回归得到浓度为10%下不同温度的直线:
◇ 45℃ (浓度为15%) …… y = 0.0046x + 2.4602
□ 68℃ (浓度为15%) …… y = 0.0064x + 0.5515
△ 80℃ (浓度为15%) …… y = 0.005x + 0.0394
图3.2(a )、(b )、(c )、(d )量纲1 温度与蒸发速率的关系
Fig3.2 The relationship between temperature and evaporation rate
由图3.2可见,80℃时的水蒸发速率总是大于45℃时的蒸发速率,却小于68℃时的蒸发速率。由实验观察得到,80℃时烧瓶的上部出现了很多的水珠,且有水随着瓶壁流回溶液中。根据分析80℃时的蒸发速率是大于68℃时的蒸发速率。故本实验得到,随着温度的升高,溶液的蒸发速率逐渐升高。
3.3 液体表面蒸发过程动力学分析
液体表面蒸发是液体在减压的条件下刚达到饱和温度而形成的稳定蒸发,液体表面发生热质耦合的传递过程。为了简化该过程的数学描述,忽略热损失,并假定如下:
①蒸发过程为气液相界面蒸发过程,气液相界面温度等于气相温度;
②蒸发过程为绝热蒸发,忽略散热损失;
③不考虑温度变化对流体物性的影响;
④忽略蒸发所导致的溶液浓度变化对蒸发的影响以及蒸发面积的改变对蒸发的影响。
在以上假设条件下,列能量衡算方程,如下
A ·U ·r v = A ·α·(t l - t g ) (我已经告诉你了,所有公式都要用公式编辑
器!!!!!!!!!!!!!!!!!!!) ⑴
⑵
式中 A 为传热面积,U 为蒸发通量,r v 为汽化潜热,α为传热系数,t l 为液相Δm=U ⋅A (你这个公式格式为什么是这样的?????????) Δt温度,t g 为气相温度,△m 为蒸发量,△t 为蒸发时间。
αr N u = (为什么等号又要用word 编辑???????????) λ
⑶
其中 N u 为努赛尔数,r 为蒸发面半径,λ为液体热导率。
由⑴、⑵式得:
α=Δm⋅r v ⑷ Δt⋅(tl -t g )
由此可见,气液温差直接决定着传热系数,且
1
t l -t g ∝α(这个公式放在这里也没有意义,因为不是计算公式)
根据⑶、⑸可得:
Nu =Δm⋅r v ⋅r (删掉,因为后面用不到Nu 数) ⑸ t ⋅(tl -t g ) ⋅λ
给热系数α的物理意义是:单位时间内,单位传热面积上,温度差为1K 时,以给热方式所传递的热量。(这个你不说,任何一个学了化工原理的人都知道)
单位:W/(㎡/℃)
实验证明,影响给热系数的因素有:
①流体流动的速度:传热边界层中的导热是对流传热的主要矛盾。显然,增大流速可以使传热边界层减薄,从而使α增大,使对流传热过程得以强化。
②流体的对流状况:是采用自然对流抑或采用强制对流。显然,强制对流时流体的流速较自然对流为高。
③流体的种类;液体、气体、蒸气。
④流体的性质:影响较大的有流体的比热、导热系数、密度、粘度等。如导热系数大的流体,传热边界层的热阻就小,给热系数较大。粘度大的流体,在同等流速下,Re 数小,传热边界层相应较厚,给热系数便小。
⑤传热面的形状、位置和大小:不同形状的传热面,如圆管或平板或管束;是在管内还是管外;是垂直放置还是水平放置;以及不同的管径和长度都对α有影响。
本次实验中主要讨论温度和浓度对给热系数的影响。
实验数据处理后得出温度与给热系数的关系如下:
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
02040
θ6080α
图3.3.1 温度与给热系数的关系图 (我已经告诉过你两次了,
这个图是画给热系数随浓度的变化,也就是横坐标是浓度。不同温度画一条曲线。这里只给两个温度,一个45度,一个65度)
Fig 3.3.1 Relationship between temperature and the heating coefficient
给热系数反映了蒸发过程中的热阻,由图看出在同一个浓度下随着温度的升高热阻在不断减小,更有利于蒸发。而不同浓度中升高相同的温度时,给热系数减小的程度不同。
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
00.050.10.150.2αc
图 3.3.2 浓度与给热系数的关系
Fig 3.3.2 Relationship between concentration and the heating coefficient
图3-2-2可见,随着浓度的增大,给热系数减小。这是因为。。。。。。。。。。该你实验规律得到了文献[]的支持。
4 总结
⑴ 减压条件下,相同浓度的溴化锂-水溶液的蒸发速率随着温度的升高而增大,给热系数减小。
⑵ 减压条件下,同一温度下的溴化锂-水溶液蒸发速率随着浓度的增大而减小,给热系数减小。
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23 《磷酸自然循环低温蒸发实验研究》 陈建利,王 魁 ,刘德春 ,夏素兰,朱 家骅 (四川大学 化学工程学院,四川I 成都 610065)
致谢
符号说明
A — 蒸发液面面积,m 2
U — 蒸发强度,kg/(m 2·s )
r v — 汽化潜热,kJ/kg
α — 气液界面传热系数,W ·m -2·k -1
t l 、t g — 液相温度,0C
t — 每得到5ml 水所用时间,s
r — 蒸发表面的半径,m
μ — 粘度,Pa ·s
λ — 导热系数,W/(m ·0C )
m s 、m l — 溶质和溶剂的质量,kg
下角标:
s — 固体
l — 液体
g — 气体