ВЫПАРИВАНИЕ, процесс частичного удаления растворителя из раствора при нагревании. Выпаривание применяют для концентрирования растворов, выделения растворённого вещества (в производстве пластмасс, солей и пр.), получения чистого растворителя (в том числе обессоленной воды для бытовых и технических нужд), концентрирования эмульсий и суспензий (в целлюлозно-бумажном производстве, при концентрировании молока и пр.). Чаще всего выпариванию подвергают водные растворы нелетучих или малолетучих веществ. Выпаривание - один из древнейших способов разделения жидких смесей с использованием теплоты; процесс, в частности, применялся в солеварнях для выделения поваренной соли из растворов.

Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего теплоносителем служит водяной пар давлением до 1,2 МПа, называемый греющим или первичным) и непрерывному удалению вторичного пара, образующегося при нагревании раствора. Движущая сила выпаривания - разность между температурами греющего пара и кипящего раствора, так называемая полезная разность температур. Она всегда меньше разности температур первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения растворителя, называемая температурной или физико-химической депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших (до 90 °С и более) значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления. Температура кипения раствора повышается также из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве; одна из главных причин повышения давления - гидростатическое давление раствора (так называемая гидростатическая депрессия).

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). Выпарные аппараты для паросиловых установок, опреснительных установок атомных электростанций и холодильных агрегатов часто называют испарителями. В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпарные аппараты делятся на поверхностные (теплота передаётся от теплоносителя через стенку аппарата) и контактные (теплопередача осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителя с раствором).

Наибольшее распространение получили поверхностные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также плёночные выпарные аппараты. В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией осуществляют обычно выпаривание маловязких (вязкость до 6-8 мПа·с) ненасыщенных растворов хорошо растворимых солей. Для выпаривания растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на нагреваемой поверхности значительный слой накипи, а также при опреснении морской воды применяют выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения, в которых над греющей камерой установлена дополнительная труба, обеспечивающая естественную циркуляцию. Для выпаривания сравнительно вязких (до 1 Па·с) продуктов применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой насосом.

Вертикальные плёночные выпарные аппараты используют для выпаривания сильно пенящихся, термочувствительных продуктов (например, в производстве дрожжей, фруктовых соков, антибиотиков, растворимого кофе); концентрирование в этих аппаратах происходит в результате однократного движения тонкого слоя (плёнки) раствора вместе с вторичным паром вдоль трубок длиной 6-8 м. Достоинства таких выпарных аппаратов - малый объём жидкости в аппарате и малая продолжительность контакта выпариваемого продукта с нагреваемой поверхностью при большой производительности аппарата. Очень вязкие (до 20 Па·с) термочувствительные вещества (например, карбамид, капролактам) концентрируют в роторных выпарных аппаратах, в которых раствор перемещается («размазывается») скребками ротора по поверхности теплообмена в виде тонкой турбулизованной плёнки. В результате получают пастообразные продукты. Возможно выпаривание до сухого остатка.

Контактные выпарные аппараты с погружным горением, обогреваемые барботирующими через раствор дымовыми газами, используют для выпаривания химически агрессивных высококипящих растворов.

В одиночных аппаратах непрерывного и периодического действия перерабатывают сравнительно небольшие количества растворов, например в производстве особо чистой поваренной соли, а также томатных паст, сгущённого молока. Выпаривание растворов, характеризующихся небольшими значениями температурной депрессии (до 20 °С), осуществляют в одиночных выпарных аппаратах с тепловым насосом; вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором для повышения температуры до температуры греющего пара. Для уменьшения расхода греющего пара широко применяют многоступенчатые (многокорпусные) установки непрерывного действия, состоящие из ряда последовательно соединённых аппаратов, работающих при постепенно снижающемся давлении. Первичным паром обогревается только первый корпус, а каждый последующий - вторичным паром предыдущего. Разновидность многоступенчатых выпарных установок - установки мгновенного вскипания. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых (2-3 °С) значениях полезной разности температур и полностью исключает перегрев раствора. В установках мгновенного вскипания осуществляют выпаривание растворов с малой температурной депрессией при невысокой степени их концентрирования, например при опреснении морской воды.

Выпаривание используется в химической, пищевой и других отраслях промышленности, при подготовке воды из природных источников для питания испарителей-кипятильников. Многокорпусные выпарные установки применяются для обработки промышленных стоков.

Лит.: Таубман Е. И. Выпаривание. М., 1982; Billet R. Evaporation technology: principles, applications, economics. Weinheim, 1989; Таубман Е. И., Пастушенко Б. Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. М., 1990.

Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях путем удаления паров растворителя за счет кипения. Процесс выпаривания применяется для концентрирования растворов высококипящих веществ (растворы щелочей, солей, некоторых минеральных и органических кислот, многоатомных спиртов и др.). Например, при получении каустической соды раствор NаОН упаривается до концентрации 50–60 %, а в сахарном производстве сахарный раствор – до 65%. Процесс выпаривания может сопровождаться кристаллизацией растворенных веществ. Иногда целью выпаривания является получение растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным .

Тепло, необходимое для кипения раствора, может подводиться различными способами. Однако наибольшее распространение получил в качестве греющего агента водяной пар, который называют греющим или первичным . Пар растворителя, который образуется при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным . Вторичный пар может использоваться в качестве греющего пара при многократном выпаривании либо для нужд, не связанных с выпариванием, в последнем случае он называется экстра-паром .

Выпарные установки кроме выпарных аппаратов включают и вспомогательное оборудование (конденсаторы, теплообменники, насосы и др.). Выпарной аппарат состоит из следующих основных частей: греющей камеры , в которой нагревают раствор до требуемой температуры; испарительной (кипятильной ) камеры, где происходит испарение (кипение) растворителя; сепаратора , обеспечивающего отделение капелек жидкого раствора от образующихся паров; устройств, обеспечивающих циркуляцию и транспортировку раствора. Части аппарата могут совмещаться и выполнять несколько функций. Так нагревание и испарение часто проводят в одной части аппарата, называемой обычно греющей камерой. Исходный раствор поступает в аппарат как правило нагретым до температуры кипения. В противном случае в греющей камере раствор нагревается до температуры кипения и подается в испарительную камеру, где кипит. Образующийся пар растворителя проходит через сепаратор, в котором отделяется от захваченных капель жидкости, и удаляется из аппарата (вторичный пар). Для подачи тепла в греющую камеру обычно используется греющий водяной пар. Разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором называется полезной разностью температур. Температура кипения раствора при выпаривании отличается от температуры вторичного парана величину, называемую температурными потерями .

Способы выпаривания подразделяются в зависимости от различных признаков.

1. В зависимости от давления различают выпаривание под избыточным давлением , под атмосферным давлением и под вакуумом.

При проведении процесса под избыточным давлением можно использовать образующийся вторичный пар. При этом вторичный пар обладает высокой температурой и годен для использования в другом аппарате в качестве греющего, либо экстра-пара. Однако при выпаривании под высоким давлением повышается температура кипения упариваемого раствора, что применимо только для термически стойких веществ. Кроме того, повышаются затраты, связанные с внутренним высоким давлением в аппарате. Всех указанных недостатков, но также и достоинств лишен аппарат для проведения процесса под атмосферным давлением. Вторичный пар при этом обычно не используется и направляется в атмосферу. Конструктивно такие аппараты наиболее просты, но наименее экономичны.

Создание вакуума в аппарате приводит к понижению температуры проведения процесса. Это дает возможность концентрирования растворов веществ, склонных к термическому разложению, использования в качестве греющих агентов теплоносителей с низкими температурами. Кроме того, увеличивается полезная разность температур, что приводит к уменьшению требуемой поверхности теплообмена. Но при таком способе проведения процесса несколько увеличивается удельная теплота испарения растворителя, следовательно, возрастает расход необходимого тепла. Проведение процесса под вакуумом требует дополнительного оборудования для его создания и поддержания в аппарате.

2. В зависимости от использования вторичного пара различают: простое выпаривание , многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом . При простом выпаривании в однокорпусных установках вторичный пар не используется для выпаривания и удаляется из аппарата. При многократном выпаривании в многокорпусных установках, которые наиболее распространены, вторичный пар из предыдущего аппарата используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных аппаратах поддерживается таким, чтобы вторичный пар из предыдущего аппарата служил греющим в последующем, т.е. температура вторичного пара из предыдущего корпуса должна быть выше температуры кипения раствора в последующем корпусе. Таким образом, первичным паром обогревается только первый аппарат, а последующие – вторичным паром из предыдущего. С этой целью давление по ходу движения пара снижается от корпуса к корпусу, что уменьшает температуру кипения раствора. Такой подход приводит к значительным снижениям энергетических затрат. Снижение энергетических затрат может быть достигнуто в однокорпусных выпарных установках с применением теплового насоса. В таких установках вторичный пар с помощью теплового насоса (турбокомпрессора или пароструйного инжектора) сжимается до давления, которое соответствует температуре первичного пара и возвращается в аппарат в качестве греющего, смешиваясь с первичным паром.

Учёный из Томска показал, как испаряются соленые растворы February 5th, 2018

Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.

«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо.

Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.

В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С. Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении.

Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции. «Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом.

Возникающее из-за конвекции движение воздуха ускоряет испарение капель с меняющейся концентрацией. Однако этим фактором, как и теплопереносом внутри самой капли, в теоретических моделях до сих пор пренебрегали как несущественным. Мы же показали, что таким образом предполагаемая скорость испарения может быть ошибочно занижена почти в десять раз», — сказал Мисюра. Предсказание скорости испарения капель солевых растворов необходимо для разработки новых технологий струйной печати и покрытий, медицинской диагностики и охлаждения микроэлектроники. Статья с исследованием опубликована в журнале Scientific Reports.

Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул (то есть самые быстрые), вырываются за границы вещества (жидкости). При этом средняя энергия оставшихся молекул становится меньше (жидкость остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом мы ускоряем процесс испарения.
Испаряться могут не только жидкости, но и твердые тела. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией (или возгонкой). Легко наблюдать образование кристалликов йода из паров йода. Достаточно 2-3 кристаллика йода положить в пробирку и нагреть ее в пламени спиртовки. Можно видеть, что кристаллики йода не плавятся, а испаряются, образуя темно-бурые пары, которые на холодных стенках пробирки оседают в виде пятен. Рассматривая эти пятна через лупу, легко обнаружить, что они представляют собой группы кристалликов.

Факт сублимации твердых фаз убедительно подтверждается и просто в жизни: хорошо известен факт высыхания белья на морозе. Испаряющиеся частицы твердого тела образуют над ним пар совершенно так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с твердым телом, также называется насыщенным паром. Как и в случае жидкости, давление насыщенного пара над твердым телом зависит от температуры, быстро уменьшаясь с понижением температуры. Без труда можно убедиться в том, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при низкой. В принципе любое твердое вещество сублимирует (именно любое, даже железо или медь). И если мы не замечаем возгонки, то это означает лишь, что плотность насыщенного пара незначительна.

Кривая зависимости давления, насыщенного пара сублимирующих твердых тел от температуры. Эта кривая является линией равновесия твердой и газообразной фаз. Область слева от кривой соответствует твердому, справа от нее - газообразному состоянию.
Сублимация, так же, как и плавление, связана с разрушением кристаллической решетки и требует порцию необходимой для этого энергии. Эта энергия определяет скрытую теплоту сублимации, которая равна скрытой теплоте перехода из газообразного состояния в кристаллическое. Теплота возгонки равна поэтому сумме теплоты плавления и парообразования.

По сути каждое вещество во вселенной испаряется. Молекулы с поверхности улетают в окружающую среду. Запахи, которые мы чувствуем это молекулы любого предмета, залетевшие к нам в нос.

Всё вокруг нас испаряется и рано или поздно испарится?

Источники:

Выпаривание , осуществляют для растворов, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. Выпариванию подвергают преимущественно водные растворы нелетучих или малолетучих веществ.

Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего используют водяной до 1,2 МПа, который называют греющим, или первичным) и непрерывному удалению образующегося при раствора пара, называют вторичным (при отборе на сторону называют экстра-паром). Движущая сила выпаривание – разность температур греющего пара и кипящего раствора, называют полезной . Она всегда меньше разности между температурами первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Указанное различие в температурах , называют физико-химической (концентрационной, температурной) депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления. Например, в случае выпаривание при 760 мм рт. ст. 50%-ный водный раствор NaOH кипит при 142,2°С ( = 42,2°С), 75%-ный раствор NaOH-при 192°С (= = 92,0). Температура кипения раствора повышается также из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве. Одна из главных причин повышения давления - гидростатическое давление раствора, или так называемая гидростатическая депрессия, которая в среднем составляет =1 -3 °С.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты (выпарные аппараты), работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в выпаривании а. создается в результате вторичного пара в специальных конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора; применяется для термочувствительных растворов, например . послеспиртовых бард гидролизных производств, а также высококипящих растворов, например H 2 SO 4 .

В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпаривания делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к раствору через стенку) и контактные, в которых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором.

Поверхностные выпарные аппараты. Наиболее распространены выпарные аппараты с трубчатыми греющими камерами. В таких аппаратах раствор находится в трубном, а греющий - в межтрубном пространстве. Основные достоинства: интенсивная теплопередача, многократное использование теплоты вторичного пара, высокая степень чистоты целевого продукта, возможность создания аппаратов большой единичной мощности, легкость удаления инкрустирующих отложений с поверхности кипятильных труб. Различают выпарные аппараты с многократной циркуляцией раствора (естественной и принудительной) и однократной - так называемые однопроходные, или пленочные.

Движение раствора в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией (рис. 1,а, б, в) осуществляется благодаря разности плотностей парожидкостной смеси в зоне кипения и раствора вне ее (рис. 1,б) или вследствие увлечения всплывающими пузырьками пара (аппараты с кипением раствора в трубах камеры). Эти аппараты применяют для маловязких ( до 6-8 мПа*с) растворов. Основные характеристики: скорость циркуляции раствора обычно не более 1,0-1,5 м/с, = 15-25°С, поверхность нагрева до 630 м 2 , коэффициент теплопередачи 1,2-1,8 кВт/(м*К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой 3-4 суток. Достоинство - отсутствие расхода электроэнергии; недостаток – зависимость интенсивности выпаривание от тепловой нагрузки, которая снижается при загрязнении поверхности нагрева.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (рис. 1,а, б )над греющей камерой установлена дополнительная подъемная труба (труба вскипания), которая обеспечивает высокую скорость естественной циркуляции. Кипение происходит в трубе (поскольку труба заполнена раствором, давление в греющих трубах выше, чем насыщенного вторичного пара при температуре раствора, на величину массы гидростатического столба парожидкостной смеси). Эти аппараты предназначены для растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на поверхности нагрева значительный слой накипи (NaCl, Na 2 CO 3 , CaCO 3 и др.), а также при опреснении морской воды. Для насыщенных растворов хорошо растворимых , не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи (например, NaNO 2 , NaNO 3 , NH 4 NO 3 , КСl), применяют выпарные аппараты, в кипятильных трубах которых раствор не только нагревается, но и кипит (рис. 1, в). Разновидность рассмотренных аппаратов - выпарные аппараты с двухходовой греющей камерой (рис. 1, г, д). Они не имеют циркуляционной трубы (ее роль выполняет часть трубного пучка камеры), менее металлоемки, занимают меньшую площадь (поверхность нагрева до 1600 м 2). Эти аппараты используют для растворов веществ, которых возрастает с повышением температуры (например, щелока в производстве и каустической , содово-поташные растворы в производстве глинозема).

Рис. 1. Поверхностные выпарные аппараты: а, б, в-с естественной циркуляцией; г, д-с двухходовой греющей камерой; е-с принудительной циркуляцией; ж, з, и - пленочные; 1-греющая камера; 2-сепаратор; 3-брызгоуловитель; 4-труба вскипания; 5-циркуляционная труба; 6-ротор;7-осевой насос.

Для повышения интенсивности движения раствора и коэффициента теплопередачи применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой специальным осевым насосом (рис. 1, е). Такие аппараты служат для выпаривания сравнительно вязких ( до 1 Па*с) продуктов, например аммофосных пульп в производстве минеральных удобрений. Основные характеристики: скорость циркуляции раствора 2,0-2,5 м/с, = 7-15 °С, поверхность нагрева до 1800 м 2 , коэффициент теплопередачи до 3 кВт/(м 2* К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой до 30 суток. Важное достоинство - независимость интенсивности выпаривания раствора от тепловой нагрузки. Недостатки: необходимость использования насосов, затраты электроэнергии на циркуляцию раствора.

Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, например в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе. Концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6-8 м (поверхность нагрева до 2200 м 2). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением раствора за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, который движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по поверхности нагрева (рис. 1, з); роторные, в которых раствор перемещается ("размазывается") скребками ротора по поверхности теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие (до 20 Па*с) термочувствительные вещества, например карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных аппаратов: отсутствие гидростатической депрессии, малое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи [до 2500 кВт/(м*К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора, трудоемкость очистки поверхности нагрева. Важное значение для эффективной работы выпарные аппараты имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого раствора. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) поверхности нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого раствора. Степень сепарации вторичного пара зависит от свойств раствора и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос раствора паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость раствора способствуют появлению пены. Присутствие в растворе взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к раствору иногда добавляют вещества, которые повышают поверхностное натяжение (например, растительные масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед выпаривание путем фильтрования раствора.

Унос может происходить также в результате попадания капель выпариваемого раствора в паровое пространство и их механического захвата вторичным паром. Для предотвращения этого скорость пара в сепараторе должна быть сравнительно невелика (2-4 м/с), а высота парового пространства - достаточно большой (1,6-3,0 м), чтобы увлеченные паром капли успевали оседать под действием силы тяжести. Для улучшения сепарации пара применяют специальные ловушки, или брызгоуловители. Они действуют аналогично инерционным пылеуловителям или циклонам для очистки газов: брызги отделяются от пара вследствие резкого изменения скорости и направления его движения либо под действием центробежной силы.

Одно из условий нормальной работы выпарных аппаратов - непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной повети нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропуска несконденсировавшегося (пролетного) пара применяют конденсатоотводчики. Наиболее распространены поплавковые устройства, действие которых основано на различии плотностей пара и конденсата. При поступлении пара конденсат вытесняется из поплавка, открытого сверху или снизу; последний всплывает и при помощи штока закрывает пропускное отверстие.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значительной степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэффициент теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, может быть причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэффициента теплопередачи компенсируют увеличением . Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных температуре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарные аппараты (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется кол-вом отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодической промывки или механической очистки выпарных аппаратов.

Контактные выпарные аппараты. Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, например H 2 SO 4 , СаС1 2 , Na 2 SO 4 *10H 2 O (мирабилит), применяют аппараты с погружным горением (рис. 2) - цилиндрические емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (например, природного газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких выпарные аппараты - отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из которых изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром.

Рис. 2. Выпарной аппарат с погружным горением: 1 -горелка; 2-корпус.

Для получения небольших масс продукта (несколько грамм или килограмм) в лабораторных условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутренними или внешними конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки могут быть непрерывного и периодического действия. Последние отличаются более высокими коэффициентами теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие количества растворов, например в производствах особо чистой NaCl, а также Na 2 S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный для выпаривания не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая таким образом его температуру до температуры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для растворов, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02-0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

Расход греющего пара в одиночных выпарных аппаратах весьма велик (1,20-1,25 кг на 1 кг выпариваемой воды). Для его уменьшения в промышленности широко применяют многоступенчатые установки (преим. непрерывного действия), состоящие из ряда последовательно соединенных одиночных аппаратов. В этих установках, работающих при постепенно понижающемся давлении (в последней ступени 8-12 кПа), первичным паром обогревается только первая ступень, а каждая последующая - вторичным паром предыдущей. Число ступеней определяется полезной разностью температур, физико-химическими свойствами растворов и типом вещества. В установках, включающих аппараты с естественной циркуляцией и восходящим движением пленки раствора, которые эффективно работают только при значительной полезной разности температур, число ступеней обычно не превышает 3-5. При использовании выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и со стекающей пленкой раствора, работа которых не зависит от температурного напора, число ступеней достигает 10 и более. Оптимальное число ступеней находится с учетом минимальной стоимости единицы массы выпаренной воды.

В зависимости от направления относительного движения раствора и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиболее простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке раствор подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных растворов (например, электролитических щелоков, алюминатных и содово-поташных растворов в производстве кальцинированной , пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным раствором. Недостаток: переток раствора по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается температура кипения раствора, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый раствор (например, MgCl 2 или оборотный рассол в производстве калийных подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение раствора сопровождается повышением температуры, вследствие чего коэффициента теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи раствора из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматического регулирования уровня раствора в каждом выпарные аппараты

Рис. 3. Выпарная установка мгновенного вскипания: 1-подогреватель; 2 - испаритель; 3-конденсатор; 4-вакум-насос; 5, 6, 7-сборники соответственно конденсата, исходного и конечного растворов

В ряде случаев в последнем по ходу раствора аппарате требуется поддерживать высокое давление вторичного пара, что ограничивает число ступеней выпаривание и, следовательно, кратность использования пара. Для ее увеличения применяют установки со смешанным направлением движения пара и раствора. Последний поступает в какой-либо из промежуточных выпарные аппараты и проходит через одну группу ступеней прямотоком, а через другую - противотоком, что дает возможность выделять одновременно нескольких кристаллических веществ [СаСО 3 , CaSO 4 , Mg(OH) 2 ]. Эти установки сочетают достоинства и недостатки прямо- и противоточных установок.

В установке с параллельным питанием раствор подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный раствор последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат главным образом для выпаривания растворов, состав которых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщенных кристаллизующихся растворов (например, рассолов в производстве пищевой NaCl). В каждой ступени раствор выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части растворителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного растворов. Недостаток: сравнительно низкие коэффициентов теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится раствор с макс. конечной концентрацией растворенного вещества.

Спец. разновидность многоступенчатых выпарных установок – установки мгновенного вскипания, или с адиабатическими испарителями (рис. 3). Исходный раствор с помощью насоса последовательно движется через систему подогревателей, каждый из которых обогревается вторичным паром своего испарителя. Пройдя систему подогревателей, перегретый раствор вскипает в системе последовательно соединенных испарителей. Давление в них поддерживается таким, чтобы температура вторичного пара превышала температуру нагреваемого раствора в соответствующем подогревателе. Вторичный

Для подготовки маточного раствора после декомпозиции к выщелачиванию новой порции боксита из процесса должна быть выведена вода, добавленная ранее для разбавления вареной пульпы. Количество воды, которую надо выпарить, примерно соответствует разности между объемами алюминатного и оборотного растворов. Кроме сведения баланса по воде, в ходе процесса выпарки попутно решается задача очистки алюминатных растворов от примесей: соды, органики, кремнезема (гидроалюмосиликата натрия) и сульфата натрия. Сода образуется в основном в результате декаустификации щелочи карбонатами, присутствующими в боксите и извести:

RCO2 + 2NaОН ⇔ Na2CO3 + R(OH)2, R = Са2+, Mg2+, Fe2+,

а также при поглощении щелочно-алюминатным раствором углекислого газа из воздуха:

СO2возд + 2NaOHр-р → Na2CО3р-р + Н2Ор-р.

Упариванием (или выпариванием) называют процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя (воды) испарением при кипении жидкости.
Для упаривания растворов обычно используют тепло водяного пара, который называют первичным или «острым» паром. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным или паром самоиспарения. Для процесса используют выпарные аппараты (см. рис. 9.3-9.9).
В процессе выпаривания воды из маточного раствора с увеличением концентрации щелочи в растворе с 155-165 до 300-305 г/л Na2Oк кристаллизуется и выделяется в осадок сода, содосульфатные соединения и органические примеси.
Часть солей отлагается на теплообменной поверхности, тем самым резко снижая теплопередачу. Выделившиеся на греющих трубках соли периодически растворяют в слабых маточных растворах или промводах.
Растворимость соды в щелочно-алюминатных растворах резко снижается с повышением концентрации растворов. Для синтетического раствора с концентрацией ~ 300 г/л Na2O растворимость Nа2СO3 составляет ~ 8 % от Na2Oобщ(см. рис. 9.1). В производственных растворах растворимость соды выше на 1,5-2,0 %, поскольку она содержит органические примеси, повышающие вязкость растворов и мешающие отделению солей.
Органические вещества отделяют от раствора вместе с содой в составе так называемой «рыжей соды» - моногидрат соды - Nа2СO3*H2O. Органические вещества окрашивают соду в характерный рыжий цвет. Органические примеси поступают в процесс в основном с бокситом. Часть органических веществ выводится из процесса с красным шламом и при кальцинации глинозема, большая же часть их удаляется при выпарке, так как увлекается из раствора с кристаллами соды.

При переработке бокситов, содержащих серу, происходит постепенное обогащение оборотных растворов сульфатом натрия NaSO4. Растворимость сульфата натрия близка к растворимости соды - падает с ростом концентрации щелочи; на заключительной стадии выпарки создаются условия для кристаллизации содосульфатной смеси с преобладающим количеством сульфата.
При выпарке также происходит выделение кремнезема в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия, который, осаждаясь на стенках трубок, снижает коэффициент теплопередачи выпарных аппаратов. Вредное влияние кремнезема может быть в значительной степени уменьшено обескремниванием маточного раствора.
Выпарка маточных растворов проводится в многокорпусных выпарных батареях (см. рис. 9.2), работающих под вакуумом и позволяющих многократно использовать вторичный пар.
Выпарка растворов под вакуумом имеет следующие преимущества:
- снижается температура кипения раствора, что увеличивает полезную разность температур и количество тепла, идущего от греющего пара к раствору;
- вторичный пар из аппарата с повышенным давлением можно использовать как греющий в аппаратах с низким давлением и в результате уменьшить расход свежего пара;
- возможность уменьшить поверхность нагрева раствора и таким образом применять более компактные и дешевые выпарные аппараты.
К недостаткам можно отнести то, что применение вакуума увеличивает стоимость выпарной установки, т. к. требуются дополнительные затраты на устройства, обеспечивающие разрежение в системе: конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы, пароэжекторные установки, и соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы.
Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, расход свежего пара сокращается по мере увеличения числа корпусов (кратности выпарки) в батарее. Одновременно при отсутствии потерь число корпусов не влияет на производительность батареи по выпаренной воде, определяемую переданным раствору количеством тепла Q:

Q = F * k * Δt,

где F - поверхность теплообмена, м2; k - коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2*К); Δt - полезная разность температур (между t1 - температурой греющего пара и t2 - температурой раствора), °С.
Выбор t ограничивается условиями выделения гидроалюмосиликата натрия и возрастающей коррозией греющих трубок: t1 ≤ 150 °С. Выбор t2 ограничивается возрастающей с понижением температуры вязкостью раствора и затратами на создание вакуума. При разрежении в последнем корпусе 0,08 МПа t2 составляет 60 °С, что соответствует значению Δt = 150-60 = 90 °С. Однако реальное значение Δt ниже расчетного на величину полной температурной депрессии θ:

θ = θ1 + θ2 + θ3,

где θ1 - физико-химическая температурная депрессия, определяемая как разность в температурах кипения раствора и чистого растворителя при постоянном давлении; θ2 - гидростатическая депрессия, определяемая как разность в температурах кипения в верхнем и нижнем слоях раствора в выпарном аппарате; θ3 - гидравлическая депрессия, обусловленная снижением давления вторичного пара из-за гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами.
Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения воды при том же давлении называют физико-химической температурной депрессией. Величина этой депрессии (θ1) зависит от природы растворенного вещества, концентрации раствора и давления, при котором происходит его кипение. С повышением концентрации температурная депрессия возрастает; для раствора, содержащего Nа2Ообщ = 300 г/л, она достигает 15-10 °С. Таким образом, температура кипения такого раствора при атмосферном давлении равна 115-110 °С. Температура же образующегося пара практически равна температуре кипения воды, т. е. 100 °С.
Суммарная величина θ составляет величину не менее 40 °С, а оставшаяся разность температур не превышает 50 °С. Реальный удельный расход пара уменьшается с ростом выпарных аппаратов в выпарной установке до какого-то определенного предела (как правило, для отечественных заводов при значении кратности не выше 5). Поэтому с ростом числа корпусов в батарее растет величина потерь, производительность батареи снижается при одновременном увеличении капитальных затрат. Вопрос об оптимальном числе корпусов в батарее должен решаться после детальных технико-экономических расчетов, учитывающих влияние всех перечисленных выше факторов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить

07.03.2019

Самая крупная перуанская металлургическая корпорация Aceros Arequipa оформила заказ у SMS group на оснащение из Германии для инновационной сталелитейной линии, её монтаж...

07.03.2019

На сегодняшний день обработка различных типов металлов под значительным давлением считается самым популярным и обоснованным в техническом плане способом создания...

07.03.2019

Создание и внедрение эффективной системы управления охраной труда осуществляется в соответствии со всеми стандартами СТБ 18001-2009 «Система управления охраной труда....

06.03.2019

Корпорация из Швейцарии Sider Alloys сделала заявление о том, что она собирается уже в следующем году восстановить деятельность единственного итальянского алюминиевого...

06.03.2019

Гофрированный картон, либо же сокращённо гофрокартон, используется с целью изготовления тары для упаковки, при этом многослойность такого материала гарантирует стойкость...

05.03.2019

Первого марта на территории сталепроволочной площадки номер два «БМЗ» управляющее предприятие «БМК» передало в использование инновационный агрегат, позволяющий...

05.03.2019

Важнейшим ультрасовременным способом изготовления продукции из железобетона считается использование виброформ. Виброформы являются одним из типов металлических форм, в...

05.03.2019

На сегодняшний день шнеками именуют рабочие элементы, которые применяются с целью комплектации разных машин и устройств. Главное предназначение подобных изделий –...