CN109847401A - 实验教学用蒸发结晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验教学用蒸发结晶装置，包括数显加热搅拌装置，所述数显加热搅拌装置的操作台面上设有支撑柱，支撑柱的上部设有支撑盘，支撑柱的下部设有支撑加热盘，支撑盘位于支撑加热盘的上方，所述支撑盘上设有原料液储罐，原料液储罐通过原料液输出管与换热器的原料液进口连接，换热器的原料液出口通过原料液输入管与滴液装置密封连通，滴液装置与蒸发瓶密封连接。实验装置结构简单，占用空间较小；方便自由组装和拆卸，方便携带，可进行演示实验，也可作为实验室实验设备；实验装置不需要流体输送设备，节约设备费用和操作费用；通过添加套管式换热器实现节能和环保的目的。

Description

实验教学用蒸发结晶装置

技术领域

本发明属于实验教学用的蒸发结晶装置技术领域，具体涉及一种实验教学用蒸发结晶装置。

背景技术

实验教学是高校工程类专业必修的专业基础课如化工原理、食品工程原理等必不可少的教学环节。为了提高实验教学的效果，各种新型的实验教学用装置被设计开发出来。用于伯努利方程实验的装置(一种伯努利方程演示仪，中国发明专利，2015，CN104282203；自循环伯努利方程试验仪，中国实用新型专利，2004，CN2729678)、用于离心泵和阻力实验的装置(流体流动阻力及流量测量自组装实验装置，中国实用新型专利，2018，CN207458435U；一种离心泵内部非稳定流动可视化实验装置，中国发明专利，2014，CN103994082A)、用于精馏实验的装置(反应精馏实验装置，中国实用新型专利，2018，CN207614384U；一种精馏实验装置，中国实用新型专利，2019，CN208356147U)、用于吸收实验的装置(填料吸收实验装置，中国实用新型专利，2019，CN208351774U)、用于流化床干燥实验(流化床干燥实验装置，中国实用新型专利，2018，CN207457112U)的装置等。然而，目前为止，用于蒸发结晶的实验装置还未见报道。

蒸发结晶是化工原理、食品工程原理等课程的重要内容之一，也是工业生产中最常见的单元操作之一，广泛应用于化工、食品加工、农药、制药、废水处理等领域。由于实验教学用实验装置的缺乏，目前教材中通常采用平面结构图的方式展示工业生产中的蒸发结晶设备(冯骉.食品工程原理，普通高等教育“十五”国家级规划教材，北京：中国轻工业出版社，2016:240-244；陈敏恒丛德滋等.化工原理，普通高等教育“十五”国家级规划教材，北京：化学工业出版社，2006:185-192.)，该方法缺乏立体性，不能描述蒸发结晶的整个动态过程，通常设备的空间结构和工作过程及工作原理需要学生凭空想象，教学效果较差。中山大学制作的中央循环管蒸发器动态图片描述了蒸发过程的动态过程，对提高教学效果起到了很大的帮助，但是关于蒸发结晶的动态图片依旧罕见，而且动态图片依旧不能详尽描述设备的空间结构，很难通过设备结构的讲解达到让学生深刻理解整个过程的原理和操作的目的。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种实验教学用蒸发结晶装置，结构简单，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种实验教学用蒸发结晶装置，包括数显加热搅拌装置，所述数显加热搅拌装置的操作台面上设有支撑柱，支撑柱的上部设有支撑盘，支撑柱的下部设有支撑加热盘，支撑盘位于支撑加热盘的上方，所述支撑盘上设有原料液储罐，原料液储罐通过原料液输出管与套管式换热器的原料液进口密封连接，套管式换热器的原料液出口通过原料液输入管与滴液装置密封连通，滴液装置与蒸发瓶密封连接。

所述蒸发瓶带有三个支口，支口一为浓缩液溢出口，支口二为预热后的原料液加入口，支口三为二次蒸汽出口，所述浓缩液溢出口的正下方设有浓缩液收集结晶装置，所述浓缩液收集结晶装置位于操作台面上；所述支口二上设有滴液装置。

所述滴液装置从上至下依次设有进液管、容腔体、滴液开关旋钮和滴液管，所述原料液输入管与滴液装置的进液管密封连通，滴液装置的滴液管与所述蒸发瓶的支口二密封连通。

所述蒸发结晶装置还包括H型管，所述H型管由左支管、右支管和左、右支管的连通管组成，所述左支管的下端与蒸发瓶的二次蒸汽出口连通，左支管的上端设有温度计，温度计位于温度计套管内，温度计套管的外径与左支管的上端口径相配合，右支管的上端与套管式换热器连接，右支管的下端设有冷凝液开关旋钮，H型管的左、右支管的连通管向下倾斜一定角度。

所述套管式换热器的壳程为原料液，原料液输入管和原料液输出管与套管式换热器的壳程连通，套管式换热器的管程为二次蒸汽，H型管右支管的上端与换热器的管程连通。

所述蒸发结晶装置还包括冷凝液接收装置，所述冷凝液接收装置位于H型管右支管的正下方。

所述输出管靠近换热器的位置设有温度传感器Ⅰ，所述输入管靠近换热器的位置设有温度传感器Ⅱ，温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ与数显加热搅拌装置连接。

所述数显加热搅拌装置的控制面板上设有温度显示器Ⅰ和温度显示器Ⅱ，所述温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ分别与温度显示器Ⅰ和温度显示器Ⅱ电气连接。

所述数显加热搅拌装置的控制面板上还设有电压指示表，指示灯，搅拌速度调节旋钮和电源开关，所述电压指示表，指示灯，搅拌速度调节旋钮和电源开关电气连接，所述支撑加热盘与数显加热搅拌装置电气连接。

本发明的有益效果：1、实验装置结构简单，占用空间较小；2、方便自由组装和拆卸，方便携带，可进行演示实验，也可作为实验室实验设备；3、实验装置生产成本低，有利于推广使用；4、实验装置不需要流体输送设备，节约设备费用和操作费用；5、通过添加套管式换热器实现节能和环保的目的，通过添加换热器与否，让学生深刻理解在蒸发结晶过程中，如何通过设备设计实现过程中的节能；6、实验装置的主体部分采用玻璃材质，现象对比明显；7、原料可循环使用，实现原料节约的目的；8、可通过流量数据和温度设计进行蒸发结晶过程中的物料衡算和能量衡算，加深学生对蒸发结晶过程的理解；9、操作简单，环保无污染。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，1、温度传感器连接线，2、电源线，3、电源开关，4、指示灯，5、搅拌速度调节旋钮，6、电压指示表，7、温度显示器Ⅰ，8、温度显示器Ⅱ，9、数显加热搅拌装置，10、浓缩液收集与结晶装置，11、支撑加热盘，12、滴液装置，13、滴液开关旋钮，14、滴液漏斗容腔体，15、原料液输入管，16、支撑盘，17、原料液储罐，19、支撑柱，20、原料液输出管，21、温度传感器Ⅱ，22、套管式换热器，23、温度传感器Ⅰ，24、三通阀，25、温度计，26、温度计套管，27、H型管，28、冷凝液开关旋钮，29、蒸发瓶，30、冷凝液接收装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1所示，一种实验教学用蒸发结晶装置，包括数显加热搅拌装置9，所述数显加热搅拌装置的操作台面上设有支撑柱19，支撑柱19的上部设有支撑盘16，支撑柱19的下部设有支撑加热盘11，支撑盘16位于支撑加热盘11的上方，所述支撑盘16上设有原料液储罐17，原料液储罐17通过原料液输出管20与套管式换热器22的原料液进口密封连接，套管式换热器22的原料液出口通过原料液输入管15与蒸发瓶29密封连接，其中套管式换热器22的原料液出口通过输入管15与滴液装置12密封连通，滴液装置12与蒸发瓶29密封连接。

优选的，所述蒸发瓶29带有三个支口，支口一为浓缩液溢出口，支口二为预热后的原料液加入口，支口三为二次蒸汽出口，所述浓缩液溢出口的正下方设有浓缩液收集结晶装置10，一方面收集溢出的浓缩液，另一方面，使浓缩液在容器内逐渐冷却结晶，所述浓缩液收集结晶装置10位于操作台面上；所述的浓缩液收集与结晶装置10可为烧杯、锥形瓶等，材质可为玻璃或塑料等，敞口，可观察晶体的析出过程。所述支口二上设有滴液装置12，所述原料液输入管15与滴液装置12密封连通。

优选的，滴液装置12从上至下依次设有进液管、容腔体14、滴液开关旋钮13和滴液管，所述原料液输入管15与滴液装置12的进液管密封连通，滴液装置12的滴液管与所述蒸发瓶29的支口二密封连通。

优选的，所述原料液输入管15可采用橡胶管或橡胶管与玻璃管的组合，优选橡胶管，原料液输入管15一端与换热器的原料液出口连接，原料液输入管15的另一端可直接连接到滴液装置的进液管上；当原料液输入管15可采用橡胶管或橡胶管与玻璃管的组合时，可将玻璃管插过橡胶塞，橡胶塞插入到滴液装置的进液管上端入口；所述滴液管若为直形玻璃管，可通过温度计套管连接到蒸发瓶的支口二上；也可插过橡胶塞，橡胶塞连接支口二；还可直接在滴液管下端设计磨口，口径大小与蒸发瓶支口二口径大小相契合，从而保证滴液装置与蒸发瓶的密封连通，所述滴液装置的进液管、容腔体14、滴液开关旋钮13、滴液管为一体设计。

优选的，所述蒸发结晶装置还包括H型管27，所述H型管27由左支管、右支管和左、右支管的连通管组成，H型管的左、右支管的连通管向下倾斜一定角度(5-10°)。所述左支管的下端与蒸发瓶29的支口三即二次蒸汽出口连通，左支管的上端设有温度计25，温度计25位于温度计套管26内，温度计套管26的外径与左支管的上端口径相配合，右支管的上端与套管式换热器22连接，右支管的下端设有冷凝液开关旋钮28。具体的，H型管左支管的下端安装在蒸发瓶的支口三上，支口三的口径大小可为14口、19口、24口等，H型管左支管的下端口径与支口三口径相契合；左支管口径大小可为14口、19口、24口等，若支口三为磨口，则可直接连接温度计套管，温度计套管的下端口径与H型管左支管上端口径相契合，温度计安装在温度计套管上，测量二次蒸汽的温度；若非磨口，温度计可插入橡胶塞内，橡胶塞安装在H型管的左支管上部，实现温度计和H型管左支管的连接。H型管的右支管下端设有冷凝液开关旋钮28，二次蒸汽冷却后经冷凝液开关控制流入冷凝液接收装置内，右支管上端连接套管式换热器22，右支管上端口径与套管式换热器内管下端口径相契合。

所述套管式换热器22的壳程为原料液，输入管15与输出管20与套管式换热器的壳程连通，套管式换热器的管程为二次蒸汽，H型管27的右支管的上端与套管式换热器的管程连通。套管式换热器(管程)的内管可选蛇形、球形、直形。套管式换热器内管下端为优选磨口，口径大小可为14口、19口、24口等，与H型管右支管上端口径契合；套管式换热器内管上端口可直通大气、连接冷凝器、通入废水中；外管(壳程)优选为圆形直管。

所述蒸发结晶装置还包括冷凝液接收装置30，所述冷凝液接收装置位于H型管的右支管正下方，接收冷却后的溶剂，所述冷凝液接收装置30可为烧杯、锥形瓶等，材质可为玻璃或塑料等。

所述原料液输出管20靠近换热器的位置设有温度传感器Ⅰ23，具体的，原料液输出管20靠近换热器的位置设有三通阀24，温度传感器Ⅰ23位于三通阀24内，所述输入管靠近换热器的位置设有温度传感器Ⅱ21，温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ与数显加热搅拌装置9连接；所述数显加热搅拌装置的控制面板上设有温度显示器Ⅰ7和温度显示器Ⅱ8，所述温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ分别与温度显示器Ⅰ和温度显示器Ⅱ电气连接。温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ检测原料液经预热前后的温度变化。

所述数显加热搅拌装置9的控制面板上还设有电压指示表6，指示灯4，搅拌速度调节旋钮5和电源开关3，所述电压指示表，指示灯，搅拌速度调节旋钮和电源开关电气连接，所述支撑加热盘11与数显加热搅拌装置电气连接。数显加热搅拌装置上还设有电源线2、支撑加热盘连接线(图中未显示)和温度传感器连接线1，电源连接线接通电源；温度传感器连接线分别连接温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅱ，显示原料液的进出口温度，支撑加热盘连接线连接到支撑加热盘上，对蒸发器进行加热。

原料液储罐和滴液装置优选玻璃材质，原料液储罐上设有刻度线。

可蒸发结晶的溶液可为无机盐溶液，优选硫酸铜溶液。

本发明的使用方法如下：

在原料液储罐17中加入足量的硫酸铜溶液，并在滴液装置12的容腔体14内和蒸发瓶29内加入一定量的无水硫酸铜溶液，蒸发瓶内同时加入适配的搅拌磁子，将原料液输出管20插入硫酸铜溶液内部，用吸耳球对准连接在滴液装置上端进液管的原料液输入管抽吸，使原料液流入套管式换热器，然后塞紧橡胶塞，使橡胶塞对滴液装置上端进行密封(原料液输入管15采用橡胶管与玻璃管的组合，将玻璃管插过橡胶塞，橡胶塞插入到滴液装置的进液管上端入口)，打开滴液装置下端的滴液开关旋钮，有液体从滴液管下端滴入到蒸发瓶内，随着容腔体内液体体积量减少，液面上方压强减小，而原料液储罐液面上方压强不变，原料液自动流入到容腔体内，并与滴出速度保持平衡。打开加热搅拌装置，调节加热搅拌旋钮，加热搅拌，随着蒸发瓶内液体沸腾，二次蒸汽进入到节能和预热装置，在原料液的冷却下变成液体，流入到接收瓶内。当蒸发瓶内浓缩液达到要求时用浓缩液收集与结晶装置接收完成液(刚开始接收的浓缩液先弃之不用，当整个蒸发结晶过程稳定时，再开始接收)，完成液温度在室温环境下逐渐降低，晶体析出。

根据时间t内原料液储罐内原料液的减少量ΔV，运用下述公式求解体积流量：

完成蒸发结晶过程需要提供的总能量可运用下述公式求解：

Qρq_Vc_pc(t₂-t₁)，

其中：ρ和c_pc分别指原料液特征温度下的密度和比热容；

特征温度可根据原料液的温度和完成液温度的平均温度计算；

t₂和t₁分别指原料液的温度和完成液的温度；

原料液的温度和完成液的温度可用温度计直接测量。

蒸发结晶过程中由于预热和节能装置的设计可以节省的能量可以根据下述公式计算：

Q′＝Pq_Vc_pc(t₂′-t₁′)

其中：ρ和c_pc分别指原料液特征温度下的密度和比热容；

特征温度可根据原料液进出节能和预热装置前后温度的平均温度计算；

t₂＇和t₁＇分别指原料液进出节能和预热装置前后的温度；

原料液进出节能和预热装置前后的温度可由数显加热搅拌装置上的温度显示器显示。

节能效率可根据下式进行计算：

蒸发过程中温度差损失可根据下式进行计算：

Δt＝t₂-t′

其中：t₂指完成液的温度，可由温度计测量

t′指二次蒸汽的温度，可由H型管左上端支管上的温度计测出。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种实验教学用蒸发结晶装置，包括数显加热搅拌装置（9），其特征在于：所述数显加热搅拌装置的操作台面上设有支撑柱（19），支撑柱（19）的上部设有支撑盘（16），支撑柱（19）的下部设有支撑加热盘（11），支撑盘（16）位于支撑加热盘（11）的上方，所述支撑盘（16）上设有原料液储罐（17），原料液储罐（17）通过原料液输出管（20）与套管式换热器（22）的原料液进口连接，套管式换热器（22）的原料液出口通过原料液输入管（15）与滴液装置（12）密封连通，滴液装置（12）与蒸发瓶（29）密封连接。

2.根据权利要求1所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述蒸发瓶（29）带有三个支口，支口一为浓缩液溢出口，支口二为预热后的原料液加入口，支口三为二次蒸汽出口，所述浓缩液溢出口的正下方设有浓缩液收集结晶装置（10），所述浓缩液收集结晶装置（10）位于操作台面上；所述支口二上设有滴液装置（12）。

3.根据权利要求2所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述滴液装置（12）从上至下依次设有进液管、容腔体（14）、滴液开关旋钮（13）和滴液管，所述原料液输入管（15）与滴液装置（12）的进液管密封连通，滴液装置（12）的滴液管与所述蒸发瓶（29）的支口二密封连通。

4.根据权利要求2所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述蒸发结晶装置还包括H型管（27），所述H型管（27）由左支管、右支管和左、右支管的连通管组成，所述左支管的下端与蒸发瓶的二次蒸汽出口连通，左支管的上端设有温度计（25），温度计（25）位于温度计套管（26）内，温度计套管（26）的外径与左支管的上端口径相配合，右支管的上端与套管式换热器（22）连接，右支管的下端设有冷凝液开关旋钮（28），H型管（27）的左、右支管的连通管向下倾斜一定角度。

5.根据权利要求4所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述套管式换热器（22）的壳程为原料液，原料液输入管（15）和原料液输出管（20）与套管式换热器（22）的壳程连通，套管式换热器（22）的管程为二次蒸汽，H型管（27）右支管的上端与套管式换热器（22）的管程连通。

6.根据权利要求4或5任一所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述蒸发结晶装置还包括冷凝液接收装置（30），所述冷凝液接收装置（30）位于H型管（27）右支管的正下方。

7.根据权利要求1所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述原料液输出管（20）靠近套管式换热器（22）的位置设有温度传感器Ⅰ（23），所述原料液输入管（15）靠近管式换热器（22）的位置设有温度传感器Ⅱ（21），温度传感器Ⅰ（23）和温度传感器Ⅱ（21）与数显加热搅拌装置（9）连接。

8.根据权利要求7所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述数显加热搅拌装置（9）的控制面板上设有温度显示器Ⅰ（7）和温度显示器Ⅱ（8），所述温度传感器Ⅰ（23）和温度传感器Ⅱ（21）分别与温度显示器Ⅰ和温度显示器Ⅱ电气连接。

9.根据权利要求8所述的实验教学用蒸发结晶装置，其特征在于：所述数显加热搅拌装置（9）的控制面板上还设有电压指示表（6），指示灯（4），搅拌速度调节旋钮（5）和电源开关（3），所述电压指示表，指示灯，搅拌速度调节旋钮和电源开关电气连接，所述支撑加热盘（11）与数显加热搅拌装置（9）电气连接。