На каких свойствах основано выпаривание

Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твер­дых нелетучих веществ путем удаления жидкого растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе ра­створителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обыч­но проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Различают следующие основные способы выпаривания:

• простое (однокорпусное), проводимое в непрерывном или периодическом режиме;

• многократное (многокорпусное), осуществляемое только в непрерывном режиме;

• с применением теплового насоса.

Все перечисленные способы выпаривания в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов реализуют как под давлением, так и в вакууме.

Простое выпаривание. Этот процесс осуществляют на установ­ках небольшой производительности. Его проведение в периоди­ческом режиме возможно с одновременной или порционной за­грузкой исходного раствора.

Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного дей­ствия представлена на рис. 15.1. Аппарат состоит из сепаратора 1 и теплообменника 2. Греющий пар поступает в межтрубное простран­ство. Исходный раствор, подаваемый в аппарат, воспринимает теп-

Рис. 15.1. Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного дей­ствия:

1 — сепаратор; 2 — теплообменник

лоту греющего пара, и растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидко­сти в сепараторе и отводятся через верхнюю часть аппарата. Упа­ренный раствор отбирается из штуцера, расположенного в ниж­ней части аппарата.

Материальный баланс простого выпаривания может быть вы­ражен двумя способами:

1)общий материальный баланс выпарного аппарата — с по­мощью уравнения

GH = GK + W, (15.1)

где GH, GK — массовый расход соответственно исходного и упа­ренного растворов, кг/с; W — массовый расход вторичного пара или выпариваемой воды, кг/с;

2)материальный баланс по сухому веществу, находящемуся в растворе, — с помощью уравнения

, (15.2)

где — массовые доли растворенного вещества соответственно

в исходном и упаренном растворах.

Из уравнений (15.1) и (15.2) найдем массовый расход выпа­риваемой воды:

( ).

Уравнение теплового баланса имеет вид

(15.3)

где — массовый расход греющего пара, кг/с; — удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденса­та, Дж/кг; — удельная теплоемкость исходного и конечного растворов, Дж/(кг-К); — температура исходного раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из него, К; — поте­ри теплоты в окружающую среду, Вт.

Под энтальпией (теплосодержанием) понимают сумму внутрен­ней энергии и потенциальной энергии давления.

С учетом того, что удельная теплота конденсации пара

,

уравнение (15.3) позволяет определить массовый расход греюще­го пара. Расчет показывает, что для удаления 1 кг влаги из раство­ра может потребоваться 1,1… 1,2 кг греющего пара.

Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата согласно основному уравнению теплопередачи (12.4) записывается в виде

где применительно к процессу выпаривания — полезная раз­ность температур, т.е. разность температуры греющего пара и тем­пературы кипения раствора в выпарных установках. Значение определяется по общей разности температур и температурным потерям (депрессиям).

Общей разностью температур в выпарных установках называют разность температур греющего пара и вторичного пара :

Полезная разность температур меньше общей на величину тем­пературных потерь (депрессий):

.

Различают три вида депрессий: температурную (физико-хими­ческую), гидростатическую и гидравлическую.

Так как давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, в условиях, когда давление равно атмо­-

сферному, вода кипит при температуре 100 °С, а 30%-ный ра­створ NaOH — при 117°С. Такая разность температур кипения раствора и чистого растворителя называется температурной де­прессией ‘.

Значение температурной депрессии, зависящее от свойств ра­створенного вещества и растворителя, повышается с увеличени­ем концентрации раствора и давления. Определить значение ‘ можно опытным путем.

Большинство опытных данных относится к температурной деп­рессии атмосферном давлении. Если известна величина , К, то можно найти депрессию ‘ К, и при другом давлении по приближенной формуле Тищенко:

,

где Т — абсолютная температура кипения, К; r — удельная теп­лота испарения, Дж/кг, воды при данном давлении.

Повышение температуры кипения раствора обусловлено также гидростатической и гидравлической депрессиями.

Гидростатическая депрессия ” вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой темпера­туре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верх­них слоев).

Гидравлическая депрессия ‘” учитывает понижение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вто­ричного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расче­тах полагают, что ‘” = 1 К.

Общая депрессия

= ‘+ “+ ‘”.

Проведение выпаривания в вакууме в большинстве случаев иг­рает положительную роль: снижается температура кипения ра­створа, а это позволяет применять для нагревания выпарного ап­парата пар низкого давления, который относится к тепловым от­ходам, образующимся при осуществлении других процессов.

Многократное выпаривание.Сущность этого способа выпари­вания состоит в том, что его проводят в нескольких последова­тельно соединенных аппаратах, давление в которых поддержива­ют на таком уровне, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате. Очевидно, что многократное выпаривание позволяет сократить расход теплоты на проведение процесса приблизительно пропор­ционально числу последовательно соединенных аппаратов (числу корпусов). Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов и поэтому называются многокорпусными.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточ­ными, противоточными и комбинированными.

Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки приведена на рис. 15.2. Исходный раствор подают в корпус 1, далее поступает в корпуса 2 и 3, а затем удаляется из корпуса 3 в виде готового продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что обеспечивает перемещение раствора самотеком под действием перепада давлений.

Греющий пар перемещается в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1, а образовавшийся в этой корпусе вторичный пар направляется в качестве греющего пара в корпус 2. Образовавшийся в корпусе 2 вторичный пар применя­ется для обогрева корпуса 3, а вторичный пар из корпуса 3 поступает для конденсации в барометрический конденсатор 4.

Очевидным достоинством прямоточной схемы выпаривания является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без помощи насосов. К недостаткам этой схемы относится резкое снижение коэффициента теплопередачи от корпуса к корпусу.

Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рис. 15.3. Свежий греющий пар поступает в кор­пус 1, а вторичный пар уже в качестве греющего пара перемеща­ется от корпуса 1 к корпусу 3. Выпариваемый раствор вводится вкорпус 3, перемещается в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1. Поскольку давление в каж­дом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для пере­мещения раствора используются насосы 5— 7.

Преимуществом противоточной схемы выпаривания перед пря­моточной является потребность в меньшей поверхности теплооб­мена, а недостатком — необходимость применения насосов для перекачивания растворов.

Общий массовый расход воды, выпариваемой в многокорпус­ной установке,

Очевидно, что увеличение числа корпусов ограничено вслед­ствие уменьшения полезной разности температур, значения ко­торых при этом возрастают. Оптимальное число корпусов устано­вок многократного выпаривания, при определении которого при­нимаются во внимание и экономические соображения, составля­ет 3—4.

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:

1. Декантация – механическое отделение твердых веществ от жидких. Производится путем сливания жидкости с осадка. Широко применяется работниками ресторанов – сомелье и барменами.

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

3. 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.

• Отстаивание
• Центрифугирование
• Фильтрование
• Действие магнитом
• Выпаривание. Кристаллизация
• Дистилляция (перегонка)

Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.

Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.

Отстаивание

Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.

Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.

На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.

Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.

Центрифугирование

Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.

С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.

Фильтрование

Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.

Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.

Действие магнитом

С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.

Выпаривание. Кристаллизация

Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.

Дистилляция (перегонка)

Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.