3. Випарні апарати й установки

1. Загальні поняття про випарювання

Випарювання - термічний процес концентрування (згущення) розчину, що полягає у видаленні рідкого розчинника шляхом його випару. Іншими словами, це процес кипіння розчину з виділенням пар розчинників чистому виді, при цьому розчинна нелетуча речовина (тверде тіло, наприклад, сіль або грузла рідина, наприклад вазелін) залишається в концентрованому виді в апарату. Одержувані при випарюванні пари віддаляються в атмосферу або в пристрій, що конденсує.

У технологічних процесах у різних галузях промисловості випарюються в основному водяні розчини різних нелетучих речовин. В елементарному виді процес випарювання можна здійснити в простій відкритій або закритій посудині, наповненій розчином, при підведенні йому тепла для кипіння й відводі пар, що утворяться, в атмосферу або в пристрій, що конденсує.

За принципом роботи й конструкції випарні апарати мають багато загального з випарниками, у яких відбувається процес кипіння чистої води. Однак існує й принципова відмінність цих двох процесів (випарювання й випар). Припускаємо, що є дві відкритих посудини, що обігрівають пором через парові сорочки. У першій посудині перебуває чиста вода, в іншому – 70%ный водяний розчин аміачному селітри NH₄NO₃ . Нехай тиск пари, що гріє, буде однаковим 4 10⁵ Па. Вода закипить при t~100°С, розчин при тім же атмосферному тиску тільки при t~120°С. Однак водяні пари, що утворяться із цього° розчину, будуть мати t ту ж, що й у випадку кипіння чистої води,°тобто t~100 С. Зниження температури t° водяних пар, що утворяться з розчину, у° порівнянні з t кипіння розчину називають фізико-хімічною депресією (Δ₁₎:

Δ₁ = t_р – υ – тэта,

де t_р - t° кипіння розчину, °С

υ - t° пар, що утворяться, води (або, у загальному випадку, розчинника),С.

Фізико-хімічна температурна депресія різна для різних розчинів. Вона більше з розчинів речовин з малою молекулярною вагою. Для розчину того самого речовини фізико-хімічна температурна депресія збільшується з підвищенням його концентрації.

Під концентрацією розчину розуміють відношення маси сухої речовини в розчині до загальної маси розчину виражене в %:

де b - масова концентрація розчину, % ;

W - кількість розчинника або води в розчині, кг;

G_сух - кількість розчиненої або сухої речовини в розчині, кг.

При випарюванні вага сухої речовини в розчині залишається постійним, а кількість розчинника (води) змінюється; отже, при цьому концентрація розчину збільшується фізико-хімічна температурна депресія для різних розчинів може бути визначена по довідниках. Довідкові дані звичайно ставляться до умов кипіння рідини при атмосферному тиску. На практиці випарювання часто ведуть і під вакуумом, і під тиском.

У таких випадках розрахункова фізико-хімічна температурна депресія може бути обчислена по формулі И.А. Тищенко:

табличне значення фізико-хімічної температурної депресії при тиску 760 мм.рт.ст.

T - температура кипіння чистого розчинника;

r - скрита теплота паротворення для води при тиску випарювання, кДж/кг.

Процес випарки характерний не тільки наявністю фізико-хімічної температурної депресії, але й значною зміною фізичних констант розчину, пов'язаних зі зміною його концентрації. З ростом концентрації розчину збільшується його в'язкість, щільність і знижується теплоємність і теплопровідність.

Питому теплоємність розчину визначають по формулі

,

де С_сух - питома теплоємність безводної нелетучої речовини, розчин якого випарюється (визначають по довіднику), кДж/кг;

С_в - теплоємність води, кДж/кгК;

в - процентний вміст речовини в розчині.

Внаслідок збільшення в'язкості розчинів і зниження їхньої теплопровідності й теплоємності зменшується й коефіцієнт тепловіддачі від стінки, що гріє, до киплячого розчину.