На чем основано выпаривание в химии

С пособы разделения смесей (и гетерогенных, и гомогенных) основаны на том факте, что вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои индивидуальные свойства. Гетерогенные смеси могут различаться по составу и фазовому состоянию, например: газ+жидкость; твердое вещество+жидкость; две несмешивающиеся жидкости и др. Основные способы разделения смесей представлены на схеме ниже. Рассмотрим каждый способ отдельно.

Разделение гетерогенных смесей

ФИЛЬТРОВАНИЕ

метод основанный на различной растворимости веществ и разных размерах частиц компонентов смеси. Фильтрование позволяет отделить твердое вещество от жидкости или газа.

Размер пор в фильтровальной бумаге таков, что позволяет молекулам воды и молекулам растворенного вещества беспрепятственно просачиваться. Частицы размером больше 0,01мм задерживаются на фильтре и не проходят сквозь него, таким образом формируется слой осадка.

Запомни! С помощью фильтрования нельзя разделить истинные растворы веществ, то есть растворы, в которых растворение произошло на уровне молекул или ионов.

Кроме фильтровальной бумаги в химических лабораториях используют специальные фильтры с

разным размером пор.

Фильтрование газовых смесей принципиально не отличается от фильтрования жидкостей. Разница заключается только в том, что при фильтровании газов от твердых взвешенных частиц (ТВЧ) используются фильтры специальных конструкций (бумажный, угольный) и насосы для принудительного прокачивания газовой смеси через фильтр, например фильтрация воздуха в салоне автомобиля или вытяжка над плитой.

Фильтрованием можно разделить:

ОТСТАИВАНИЕ

Данным методом можно разделять и несмешивающиеся жидкости. Для этого используют делительную воронку.

Отстаиванием можно разделить смеси:

МАГНИТНАЯ СЕПАРАЦИЯ

Метод основан на разных магнитных свойствах твердых компонентов смеси. Данный метод используют при наличии в смеси веществ-ферромагнетиков, то есть веществ, обладающих магнитными свойствами, например железа.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, условно можно разделить на три большие группы:

Магнитной сепарацией можно разделить:

Разделение гомогенных смесей

Для разделения жидких гомогенных смесей (истинных растворов) используют следующие методы:

ВЫПАРИВАНИЕ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.

Метод основан на различных температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Используется для выделения растворимых твердых веществ из растворов. Выпаривание обычно проводят следующим образом: раствор наливают в фарфоровую чашку и нагревают ее, постоянно перемешивая раствор. Вода постепенно испаряется и на дне чашки остается твердое вещество.

При этом испаренное вещество (воду или растворитель) можно собрать методом конденсирования на более холодной поверхности. Например, если поместить холодное предметное стекло над выпаривательной чашкой, то на его поверхности образуются капли воды. На этом же принципе основан метод дистилляции.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ. ПЕРЕГОНКА.

В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, именно ее применяют в лаборатории для проведения химических опытов.

Перегонкой можно разделить:

ХРОМАТОГРАФИЯ

Можно самостоятельно получить хроматограмму и увидеть сущность метода на практике. Нужно смешать несколько чернил и каплю полученной смеси нанести на фильтровальную бумагу. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая. Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту — пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, задерживаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами.

Особенно большое распространение получила тонкослойная хроматография, в органическом анализе. Достоинства тонкослойной хроматографии в том, что можно использовать простейший и очень чувствительный метод детектирования – визуальный контроль. Проявлять невидимые глазу пятна можно различными реактивами, а также используя ультрафиолетовый свет или авторадиографию.

В анализе органических и неорганических веществ применяют хроматографию на бумаге. Разработаны многочисленные методы разделения сложных смесей ионов, например смесей редкоземельных элементов, продуктов деления урана, элементов группы платины

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Способы разделения смесей, используемые в промышленности немногим отличаются от лабораторных способов, описанных выше.

Для разделения нефти чаще всего используют ректификацию (перегонку). Более подробно этот процесс описан в теме «Переработка нефти».

Самыми распространенными методами очистки и разделения веществ в промышленности являются отстаивание, фильтрация, сорбция и экстракция. Методы фильтрации и отстаивания проводятся аналогично лабораторным метода, с той разницей, что используются отстойники и фильтры больших объемов. Чаще всего, эти методы используются для очистки сточных вод. Поэтому рассмотрим подробнее методы экстракции и сорбции.

Термин «экстракция» приложим к различным фазовым равновесиям (жидкость – жидкость, газ – жидкость, жидкость – твердое тело и т.д.), но чаще его применяют к системам жидкость – жидкость, поэтому чаще всего можно встретить такое определение:

Одним из несмешивающихся растворителей обычно является вода, вторым – органический растворитель, однако это не обязательно. Экстракционный метод отличается универсальностью, он пригоден для выделения почти всех элементов в различных концентрациях. Экстракция позволяет разделять сложные многокомпонентные смеси зачастую эффективнее и быстрее, чем другие методы. Выполнение экстракционного отделения или разделения не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Процесс может быть автоматизирован, при необходимости им можно управлять на расстоянии.

Чаще всего в промышленности методы абсорбции используют для очистки газовоздушных выбросов от частиц пыли или дыма, а также токсичных газообразных веществ. В случае поглощения газообразных веществ, между сорбентом и растворенным веществом может протекать химическая реакция. Например, при поглощении газообразного аммиака NH₃ раствором азотной кислоты HNO₃ образуется нитрат аммония NH₄NO₃ (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.

Процесс, при котором происходит абсорбция растворенного вещества за счет протекания химической реакции называется хемосорбцией.

Адсорбцию также используют для очистки воды от химических растворимых примесей. Например, фильтры для питьевой воды работают на принципе адсорбции слоем активированного угля с ионами серебра. Помимо поглощения всем объемом жидкого сорбента (абсорбции), и поверхностным слоем сорбента (адсорбции), выделяют также сорбцию твердого тела или расплава (окклюзию). При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация.

Источник

Многие вещества на нашей планете не встречаются в чистом виде, потому ученые придумали множество методов разделения смесей. Некоторые смеси состоят из видимых невооруженному глазу частей. Но есть вещества, однородность которых сохраняется только до наступления особого состояния.

К примеру, из чего состоит гранит, видно всем, а вот структура молока становится явной только при его скисании. Ниже мы рассмотрим, как можно разделить смешанные вещества, и для чего применяется каждый из методов.

Способы разделения однородных смесей

Для выделения из готового состава растворенных компонентов принято использовать химические процессы. Разберем основные химические способы.

Выпаривание

В основу выпаривания заложены физические свойства компонентов смеси, а именно способность кипеть при разных температурах.

В ходе такого процесса состав можно разделить на жидкие и растворимые вещества. Например, вода и соль, или вода и сахар.

Выпариванием пользуются при необходимости выделения из имеющейся смеси только твердого ингредиента.

С температурами кипения отдельных веществ можно предварительно ознакомиться в справочниках по химии или физике. Данные представлены в наглядных таблицах.

Кристаллизация

Кристаллизацией называют процесс формирования кристаллов из стекол, газов, расплавов и растворов. Такую же формулировку применяют при образовании кристаллов с полученной структурой из кристаллов другого структурного класса, так называемые полиморфные превращения, либо при смене состояния вещества из жидкого на твердое кристаллическое.

Методом кристаллизации пользуются для выделения больших образований твердого вещества. Жидкость испаряется частично.

Раствор нагревают до определенной температуры и оставляют открытым на долгий период времени. При медленном испарении жидкости растворенное вещество выпадает в осадок в виде кристаллов. Таким методом в промышленных масштабах добывают соль из природной соленой воды.

Дистилляция (перегонка)

Метод перегонки основан на испарении летучих жидкостей, которые в дальнейшем превращаются в конденсат.

При нагревании раствора летучий компонент превращается в пар и оседает на стенках сосудов в виде капель конденсата.

Дистилляцию применяют в процессе опреснения морской воды, что очень актуально для стран с острой нехваткой питьевой воды.

Дистилляция – это основной метод переработки нефти, которая, по сути, является многокомпонентной смесью. В результате перегонки получают различные виды топлива.

Хроматография

Хроматография основана на способности поверхности определенных веществ с разной интенсивностью поглощать разделяемые компоненты.

Процесс можно рассмотреть на простом практическом примере – разделении красителей фильтровальной бумагой. При погружении конца полоски бумаги в раствор, растворители будут подниматься на разную высоту и с различной скоростью.

В промышленных масштабах фильтровальную бумагу заменяют углем, мелом, известняком и прочими веществами. Для разделения многокомпонентных растворов используют хроматографы. Они не только разделяют смеси, но и устанавливают их состав.

Методы разделения неоднородных составов

Для разделения нерастворимой группы смесей применяют несколько иные методики. Их задача заключается в отделении твердых нерастворимых частиц от жидкостей или твердых частиц другого вида.

Отстаивание

Это наиболее простой метод, который отличается тем, что в процессе отстаивания частицы, имеющие больший вес, чем вода, опускаются на дно сосуда.

Более легкие частицы наоборот всплывают на поверхность, где их потом и собирают.

Чем меньшего размера твердые компоненты, тем дольше длится отстаивание. Поэтому для ускорения очищения жидкости могут применять различные абсорбенты, адсорбенты и прочие химические катализаторы.

Фильтрование

Фильтрование часто используется совместно с отстаиванием. Для его осуществления понадобятся всевозможные фильтры.

Наиболее результативными являются вакуумные, дисковые и ленточные. Они задерживают твердые частицы и пропускают жидкость в емкость. Чем больше размер фильтра, тем быстрее будет происходить фильтрация.

Центрифугирование

Работа высокоскоростных центрифуг заключается в разделении особо устойчивых эмульсий.

При помощи центробежной силы компоненты смеси, имеющие индивидуальную густоту, разделяются через воронки в разные емкости. В этом и состоит суть центрифугирования.

Для газовых взвесей лучше использовать скоростные циклоны. Они собирают твердые частицы на электродах или стенках устройства.

Другие методы разделения

Отделить нужный компонент из имеющейся смеси можно и другими способами.

Приведем несколько примеров:

Сушка – тепловое удаление жидкости из смесей. После сушки остается только твердый состав. Часто применяется на производстве непосредственно перед упаковкой продукции.

Электрофорез – сложное явление, заключающееся в электрокинетическом перемещении дисперсных частиц в жидком или газообразном веществе под воздействием электрического поля. Электрофорез применяется для разделения и изучения состава смеси в молекулярной биологии, химии и биохимии.

Методов разделения смесей намного больше, нежели описано в этой статье. Существуют очень сложные способы, которые предназначены для выделения из состава веществ со схожими свойствами или имеющихся в критически малых количествах в гетерогенных и гомогенных смесях.

Источник

Выпаривание и область его применения. Изменение свойств раствора при сгущении

Выпаривание — процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего рас­творителя и отвода образовавшихся паров.

В промышленности выпаривание обычно проводят при кипении раствора.

При выпаривании растворов твердых веществ в ряде пищевых производств достигают насыщения раствора; при дальнейшем уда­лении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, в результате которой выделяется растворенное вещество.

Выпаривание применяют для повышения концентрации разбав­ленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

Процесс выпаривания широко используют в сахарном и консерв­ном производствах при концентрировании сахарных и томатных соков, молока и др.

В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные рас­творы.

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. Процесс выпари­вания может проводиться непрерывно и периодически. Аппараты периодического действия используют в основном в производствах малого масштаба.

Выпаривание осуществляют как под вакуумом, так и при атмос­ферном и избыточном давлениях.

Выпаривание под вакуумом позволяет снизить температуру кипения раствора, что особенно важно при выпаривании пищевых растворов, которые особенно чувствительны к высоким температу­рам. Применение вакуума позволяет увеличить движущую силу теп­лопередачи и, как следствие, уменьшить площадь поверхности выпарных аппаратов, а следовательно, их материалоемкость.

При выпаривании под атмосферным давле­нием образующийся вторичный пар сбрасывается в атмосферу. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления теплиц и т. п. Выпаривание под дав­лением связано с повышением температуры кипения раствора, поэтому применение данного способа в пищевой технологии ограни­чено свойствами растворов и температурой теплоносителя.

X_n – концентрация раствора

T_вт – температура вторичного пара

38.Виды центрифуг и их схемы. Назначение, устройство, принцип действия и область применения.
Производительность центрифуги.

Центрифугимогут быть с вертикальным и горизонтальным рас­положением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полуне­прерывного (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).

Отстойная центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 7.6) состоит из барабана, насаженного на вращающийся вал и помещен­ного в корпус. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде сплошного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость переливается в кожух и удаляется через расположенный внизу патрубок. По окончании процесса осадок выгружается из центрифу­ги.

Процесс в отстойной центри­фуге состоит из разделения (оса­ждения) суспензии и отжима или уплотнения осадка.

Непрерывнодействующие отстойные гори­зонтальные центрифуги со шнековой выгруз­кой осадка (НОГШ) применяют в крахмалопаточном произ­водстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.

Центрифуга состоит из ротора и внутреннего шнекового устройства, заключенных в корпус. Суспензия подается через центральную трубу в полый вал шнека. На выходе из этой трубы внутри шнека суспензия под действием центробежной силы распре­деляется в полости ротора.

Ротор вращается в кожухе в полых цапфах. Шнек вращается в цапфах, находящихся внутри цапф ротора. Под действием центро­бежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам ротора, а жидкость образует внутреннее кольцо, толщина которого определя­ется положением сливных отверстий на торце ротора. Образовав­шийся осадок перемещается вследствие отставания скорости враще­ния шнека от скорости вращения ротора к отверстиям в роторе, через которые он выводится в камеру 6 и удаляется из центрифуги.

При движении вдоль ротора осадок уплотняется. При необходи­мости он может быть промыт.

Фильтрующие центрифугипериодического и непрерывного дей­ствия разделяются по расположению вала на вертикальные и гори­зонтальные, по способу выгрузки осадка — на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтро­вальной тканью.

В фильтрующей центрифуге периодиче­ского действия (рис. 8.14) суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внут­ренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку 3.

Конструкция фильтрующей центрифуги с перфорированным барабаном аналогична конструкции автоматической отстойной центрифуги с непрерывным ножевым съемом осадка (см. рис. 7.7).

Источник

выпаривание

ВЫПАРИВАНИЕ

осуществляют для концентрирования растворов, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. В. подвергают преим. водные растворы нелетучих или малолетучих веществ.

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

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты (В. а.), работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным давлением повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в В. а. создается в результате конденсации вторичного пара в спец. конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. В. в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора; применяется для концентрирования термочувствит. растворов, напр. лизина, послеспиртовых бард гидролизных производств, а также высококипящих растворов, напр. H₂SO₄.

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

Поверхностные выпарные аппараты. наиб. распространены В. а. с трубчатыми греющими камерами. В таких аппаратах раствор находится в трубном, а греющий пар — в межтрубном пространстве. Осн. 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 В. а. с многократной циркуляцией раствора (естественной и принудительной) и однократной — т. наз. однопроходные, или пленочные.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (рис. 1,а, б) над греющей камерой установлена дополнит. 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 гидростатич. столба парожидкостной смеси). Эти аппараты предназначены для растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на поверхности нагрева значит. слой накипи (NaCl, Na₂CO₃, CaCO₃ и др.), а также при опреснении морской воды. Для насыщ. растворов хорошо растворимых солей, не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи ( напр., NaNO₂, NaNO₃, NH₄NO₃, KCl), применяют В. а., в кипятильных трубах которых раствор не только нагревается, но и кипит (рис. 1, в). Разновидность рассмотренных аппаратов — В. а. 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, растворимость которых возрастает с повышением температуры ( напр., щелока в производстве хлора и каустич. соды, 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.}

Пленочные В.а. применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, напр. 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 повети 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) термочувствит. вещества, напр. карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных В.а.: отсутствие гидростатич. депрессии, малое гидравлич. сопротивление, высокий коэф. 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 В. а. 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 ( напр., растит. масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед В. путем фильтрования раствора.

Унос может происходить также в результате попадания капель выпариваемого раствора в паровое пространство и их мех. 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 жидкости успевали оседать под действием силы тяжести. Для улучшения сепарации пара применяют спец. 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 В. а. — 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 т. наз. конденсатоотводчики. Наиб. 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 В.а., особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значит. степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэф. теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, м. б. причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэф. 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 В. а. (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется количеством отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодич. промывки или мех. очистки В. а.

Контактные выпарные аппараты. Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, напр. H₂SO₄, CaCl₂, Na₂SO₄*10H₂O (мирабилит), применяют аппараты с т. наз. погружным горением (рис. 2) — цилиндрич. емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива ( напр., прир. газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких В. а. — 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 ( неск. г или кг) в лаб. условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутр. или внеш. конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки м. б. непрерывного и периодич. действия. Последние отличаются более высокими коэф. теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие количества растворов, напр. в производствах особо чистой NaCl, а также Na₂S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный пар для В. не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая т. обр. 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 В. а. 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, физ.-хим. свойствами растворов и типом В.а. 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 В.а. 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 миним. стоимости единицы массы выпаренной воды.

В зависимости от направления относит. движения раствора и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиб. 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 ( напр., электролитич. щелоков, алюминатных и содово-поташных растворов в производстве кальциниров. соды), 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 коэф. теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый раствор ( напр., MgCl₂ или т. наз. оборотный рассол в производстве калийных солей) подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение концентрации раствора сопровождается повышением температуры, вследствие чего коэф. 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 автоматич. регулирования уровня раствора в каждом В. а.

_{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 В. и, следовательно, кратность использования пара. Для ее увеличения применяют установки со смешанным направлением движения пара и раствора. Последний поступает в какой-либо из промежуточных В. а. и проходит через одну группу ступеней прямотоком, а через другую — противотоком, что дает возможность выделять одновременно неск. кристаллич. веществ [CaCO₃, CaSO₄, 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 гл. обр. для В. растворов, состав которых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщ. кристаллизующихся растворов ( напр., 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 коэф. 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 адиабатич. 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 пар из последнего испарителя поступает на конденсацию, а сконцентрированный раствор — в сборники. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых температурных напорах (2-3 °C). Конструкция и размеры испарителей полностью исключают перегрев раствора. Установки мгновенного вскипания применяют для растворов с малойпри невысокой степени их концентрирования, напр. при опреснении морской воды. Достоинства: отсутствие контакта выпариваемого раствора с поверхностью нагрева, что очень важно при В. кристаллизующихся растворов; простота изготовления; миним. число насосов для циркуляции раствора; компоновка из стандартных теплообменников и емкостей. Осн. недостаток: ограниченная степень концентрирования раствора за один проход (0,15–0,20).

Расчет процесса. Для расчета должны быть известны рабочие параметры: контролируемые — расход и концентрация исходного раствора, давления греющего и вторичного паров, температура кипения раствора; регулируемые — давления паров, уровень раствора в В. а., концентрация конечного раствора. Эти данные определяют на спец. пилотных установках, оснащенных одиночными В. а. Неизвестные параметры далее вычисляют на основе уравнений материального и теплового балансов, а также уравнения теплопередачи. Применительно к типичному процессу концентрирования раствора с выделением соли для одноступенчатой выпарной установки в общем виде имеем:

где C_исх-количество (расход) исходного раствора, G_к — количество сконцентрированного раствора, W_{в –} количество выпаренной воды, G_c-количество выделенной соли, W_кр,-количество кристаллизац. воды.

Тепловая нагрузка на одиночный В. а. в общем виде составляет:

где r_вп и r_кр-теплоты образования вторичного пара и кристаллизации соли, с_исх и t_исх-концентрация и температура исходного раствора, t_кип — температура кипения парожидкостной смеси, и — теплоты концентрирования в исходном и конечном растворах.

Поверхность нагрева аппарата и расход греющего пара соотв. составляют:

где К- коэф. теплопередачи, t_г.п и t_в.п — температуры греющего и вторичного паров, А_п = 1,02–1,05- коэф., учитывающий потери теплоты в окружающую среду, r_г.п. — теплота образования греющего пара.

При расчете многоступенчатой установки количество воды, выпариваемой в любой i-той ступени, составляет:

где D₁ — расход греющего пара, подаваемого в 1-ю ступень, X_i и Y_i — параметры, учитывающие физ.-хим. свойства раствора, а также направление относительного движения питания и пара.

Тепловая нагрузка на i-тую ступень и поверхность нагрева этой ступени соотв. составляют:

Общую и полезную разность температур определяют из уравнений:

где n_к-число ступеней, -потери температурного напора между ними.

Совершенствование техники выпаривания. Реализуются три осн. направления: 1) интенсификация теплообмена — применение развитых поверхностей нагрева, напр. в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2–1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со спец. турбулизаторами в форме внутр. кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок; 2) снижение накипеобразования — использование, напр., затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме раствора, или антиадгезионных полимерных покрытий; 3) экономия энергозатрат — применение, напр., экстра-пара и конденсата для нагревания исходного раствора либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.

Лит.: Таубман Е.И., Выпаривание, М., 1982; Перцев Л. П., Ковалев Е. М, Фокин В.С, Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизирующихся растворов, М., 1982.

_{Л. П. Перцев, Е. М. Ковалев, В. С. Фокин}

Источник