Master's Thesis

Installation and Experimental Verification of Operating Parameters of a Vacuum Evaporator

Final Thesis 5.15 MB Appendix 7.11 MB

Author of thesis: Bc. Antonín Lupínek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Mgr. Ing. Marek Vondra, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Kalina

Abstract:

Vacuum evaporation allows for evaporation at lower temperatures than those at atmospheric pressure. This makes it a suitable method for treating wastewater with a high concentration of dissolved substances. This thesis examines a forced-circulation vacuum evaporator, including an analysis of its initial state, commissioning, and experimental verification of its operating parameters. Prior to starting work, the equipment was in an incomplete experimental setup state with unfinished piping connections, a nonfunctional vacuum system, and no measurement or control system. The commissioning process included creating a P&ID diagram, completing the piping routes, connecting an electric boiler as a heat source, commissioning the vacuum system, and integrating the IO-Link measurement system with the Delphin control system. Experimental verification was performed using a design of experiments (DOE) in the FC-CCD variant with 17 experiments. The monitored factors were the heating water temperature, which ranged from 50 𝑡𝑜 80 °𝐶; the vacuum pump speed frequency, which ranged from 33 𝑡𝑜 48 𝐻𝑧; and the circulation pump speed frequency, which ranged from 21 𝑡𝑜 25 𝐻𝑧.
The dominant factor influencing the amount of recovered condensate was the heating water temperature, while the pump speed frequency was the second most significant factor. The condensate yield per unit of energy consumed was 1.175−1.347 𝑘𝑔/𝑘𝑊ℎ. The measured heat transfer coefficient values corresponded to the equipment's design parameters. Under most operating conditions, the electrical conductivity of the condensate remained below 30 μS/cm, confirming the high purity of the recovered distillate. These results confirm the operational feasibility of the forced-circulation evaporator and form the basis for further research into evaporation processes on tested system.

Keywords:

Forced-circulation evaporator, vacuum evaporation, planned experiment, DOE, wastewater treatment, condensate yield

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Byla předvedena prezentace závěrečné práce a zodpovězeny otázky oponenta práce. Dotaz na obtíže a postup při přípravě experimentu, bylo zodpovězeno. Otázka na příčinu oscilačního okna v předmětné technologii a související navržená opatření, bylo zodpovězeno. Otázka na možné důsledky časového omezení navrženého v práci, bylo zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Process Engineering (N-PRI-P)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (předseda)
doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Skryja, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Lošák, Ph.D. (člen)
Mgr. Ing. Marek Vondra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Ing. Marek Vondra, Ph.D.

Diplomová práce je praktického, experimentálního charakteru a věnuje se aktuální problematice vakuového odpařování průmyslových odpadních vod. Student prokázal mimořádnou samostatnost jak v teoretické rovině, tak zejména v té praktické. Dokázal se úspěšně popasovat s mnoha drobnými konstrukčními i provozními nedostatky rozestavěné aparatury. Celé experimentální zařízení nejen sám stavebně dokončil, ale také úspěšně zprovoznil a částečně automatizoval. Vysoce oceňuji obrovské množství odvedené inženýrské práce v laboratoři, které není z textu práce na první pohled zřejmé. Výsledné zařízení je velkým praktickým přínosem pro další výzkumnou činnost Laboratoře SWARM na FSI VUT.

Dále je nutné ocenit rozsah a systematiku experimentální části, kde autor realizoval pokročilou metodiku plánovaného experimentu v podobě centrálně složeného plánu (FC-CCD) o rozsahu 17 komplexních měření. Pomocí statistické analýzy úspěšně kvantifikoval hlavní vlivy provozních parametrů na odpařovací výkon, energetickou efektivitu soustavy a kvalitu destilátu. Výstupy práce přinášejí cenná inženýrská data o provozu a limitech experimentálního zařízení. Slabší stránkou práce je její grafická úprava a místy rozvláčný text, který by mohl být méně obecný a více informativní.

Diplomová práce plně naplnila stanovené cíle i formální náležitosti a vzhledem k výraznému praktickému přínosu ji hodnotím jako výbornou.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Kalina

Předložená diplomová práce obsahuje 83 stran textu zabývajícího se problematikou dle zadání. Tento text je opřen o 79 citací z 26 literárních zdrojů, odborných vědeckých článků a webových stránek, z toho 7 z nich je velmi silných a významných.

Autorovu práci lze rozdělit na dvě části: Teoretickou a experimentální. Z teoretické části je patrné, že autor problematice rozumí, orientuje se v ní a přistupuje k ní i práci samotné systematicky a podle inženýrské logiky. Proto je nešťastné, že je obsah této části zatížen celou řadou formátovacích a stylistických chyb od opakujícího se textu na téže stránce (ve třech případech), vět bez slovesa, nebo naopak s jejich nadbytkem a vět, ve kterých na podstatných místech chybí interpunkce. Některé obrázky jsou nadbytečně veliké na úkor kvality, případně nevhodně zvolené k danému textu. Vytknout této části také lze nepřesnost některých pojmenování nebo definic, přestože tyto mohou zmást jen začínajícího čtenáře snažícího se proniknout do problematiky.

V kapitole 3.2. popisující dílčí technologické prvky by stálo za uvedení konkrétních zařízení a jejich parametrů, kde by tak poskytly čtenáři lepší představu o jednotce hned na začátku jejího popisu. Případně alespoň uvedení odkazu na dané kapitoly, kde prvky blíže specifikuje dále v práci.

Část kapitoly 4.3.1. o topném okruhu nepřesně mluví o stabilitě systému, přestože se zjevně jedná o projev hystereze řízení ohřevu kotle. Cyklování teploty je dáno okrajovými podmínkami zatěžování topného okruhu.

A konečně, řídící logika odvodního ventilu koncentrátu podle kapitoly 4.7.3. musí zjevně obsahovat chybu, neboť řídila by se textem, po prvním splnění podmínky A by funkce Delay generovala ničím nezměněnou hodnotu 1, čímž by se řízení zacyklilo mezi stavy „Uzavřený ventil“ a „Stav nemůže nastat“, pro který není definován stav ventilu. Nedefinování pojmu kladný signál / kladná hodnota pak čtenáři znemožňuje odhalit, zda jde o omyl v označení, nebo nesmysl.

Experimentální části práce (kapitoly 5 a 6) naopak téměř není co vytknout. Autor velmi přehledně a systematicky popisuje přípravu, zvolenou metodiku a zpracování dat experimentu pomocí metody plánovaného experimentu. Detailně přibližuje postup vyhodnocování, fyzikální význam zjištění a směrodatnost výstupů jednotlivých submetod pro inženýrskou praxi při využití modelování budoucích vědeckých experimentů, a to včetně doporučení postupů pro zvýšení důvěryhodnosti jím vypracovaných modelů.

Celkově práce vykazuje velmi dobré kvality a navrhuju ji k obhajobě s celkovou známkou B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Popis řídící logiky odvodního ventilu koncentrátu se zdá nefunkční. Můžete jej ještě lépe objasnit?
  2. Tvoří každá z odparek samostatný nezávislý celek?
  3. Na potrubí kondenzátorů byly instalovány ventily z důvodu zadržení chladící vody. Bylo zadržení vody žádoucí a proč?
  4. Při plánovaném experimentu docházíte metodou sředových bodů k závěru lineární závislosti odezvy u vodivosti kondenzátu, ale metodou FC-CCD docházíte k opačnému závěru. Proč více spoléháte na poslední zmíněnou metodu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová