4.3. Выпаривание
Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде паров. Выпаривание обычно проводится при кипении. Обычно из раствора удаляется только часть растворителя, так как вещество должно оставаться в текучем состоянии.
Существует три метода выпаривания:
поверхностное выпаривание, которое осуществляется путем нагревания раствора на теплообменной поверхности за счет подвода тепла к раствору через стенку от греющего пара;
адиабатическое выпаривание, которое происходит путем мгновенного испарения раствора в камере, где давление ниже, чем давление насыщенного пара;
выпаривание путем контактного испарения, при котором нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).
В химической технологии, в основном применяется, первый метод выпаривания. Далее о первом методе. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. Разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.
В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара и кипения раствора.
В отличии от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.4.29):
греющей камеры или кипятильника,
сепаратора.
Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соловым.
Рис.4.29 Однокамерная выпарная установка.
1-сепаратор, 2-греющая камера,
3-циркуляционная труба, 4-конденсатор, 5-барометрическая труба.
В
зависимости от давления вторичного
пара различают выпаривание при
.
Выпаривание при
- снижается температура кипения раствора,
при
-вторичный
пар используется в технологических
целях. Температура кипения раствора
всегда выше температуры кипения чистого
растворителя. Например, для насыщенного
раствора NaCl
(26%)
,
для воды
.
Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называется экстра паром.
4.3.1. Классификация и конструкция выпарных установок
В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной (рис.4.29).
Если же в выпарной установке имеется 2 или более выпарных аппаратов, то такую установку называют многокорпусной (многократной, многоступенчатой). В этом случае, вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что экономно. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и.т.д.
Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки, в основном, работают в непрерывном режиме.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.
рис.4.30 Многокорпусная выпарная установка
прямоточного типа.
Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко.
«+» - для подачи раствора на следующий корпус не требуется насоса,
«-» Ткип от корпуса к корпусу снижается из-за давления,
«-» вязкость от корпуса к корпусу повышается, что снижает α.
Рис.4.31 Противоточная многокорпусная выпарная установка.
Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора нужны насосы.
Рис. 4.32 Зависимость давления пара над жидкостью от температуры
давление
насыщенного пара над чистым растворителем,
давление
насыщенных паров над раствором.
Противоточная выпарная установка выгодно использовать для растворов с быстрорастущей вязкостью.
В качестве греющего
теплоносителя в выпарных установках
используют насыщенный водяной пар при
и
.