Способы концентрирования растворов

Концентрирование растворов, заключающееся в удалении растворителя путем парообразования при кипении, называется вы­париванием. В большинстве случаев из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в выпарных аппаратах обычных конструкций с паровым обогревом упаренный раствор должен оставаться в текучем состоянии. Температура кипения растворов зависит от химической природы растворенных веществ и растворителя (растет с увеличением концентрации раствора и внешнего давления). При одинаковом внешнем давлении температура кипения растворов всегда выше температуры кипения чистых растворителей.

В промышленности в основном выпаривают водные растворы разных веществ, поэтому в дальнейшем качестве растворителя будем принимать воду.

Повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения воды (пара) три одинаковом внешнем давлении называется физико-химической температурной депрессией

∆_т = t_p - t_п, (4.30)

где t _р, t _п — температуры кипения раствора и парообразования.

Температурная депрессия достигает существенных значений:

Раствор.......................................................................... t_K °C ∆_т, °С

50%, NaOH................................................................... 142,2 42,2

60%, КОН...................................................................... 178,8 78,8

Однако образующиеся при этом водяные пары имеют ту же температуру, что и в случае кипения чистой воды, т. е. около 100 °С. Парообразование связано с понижением упругости водяного пара (давления насыщения) над раствором по сравнению с упруго­стью водяного пара над чистой водой при одинаковой температу­ре. Физико-химическая температурная депрессия может быть вы­числена по приближенной формуле И.А.Тищенко [6]

∆_Т = ∆_НК, (4.31)

где ∆_т, ∆_н — температурная депрессия, искомая при давлении выпаривания, и табличная (табл. 4.8) при нормальном давлении; К —коэффициент пропорциональности, зависящий от темпера­туры кипения чистой воды:

t, °С
К	0,6609	0,7106	0,7628	0,8177	0,8735	0,9362	1,0	1,0674	1,1384	1,2135

Повышение температуры кипения раствора определяется не только температурной, но также гидростатической и гидравли­ческой депрессиями.

Гидростатическая депрессия ∆_с вызывается тем, что слои жид­кости, находящиеся в нижней части аппарата, кипят при более высокой температуре, чем верхние из-за гидростатического дав­ления столба жидкости.

Гидродинамическая депрессия ∆_г представляет разность температур вследствие гидродинамических сопротивлений в греющих трубах и соединительных трактах выпарных аппаратов.

Таким образом, суммарная депрессия при выпаривании раство­ров

∆ = ∆_Т+∆_С+∆_Г. (4.32)

Практика показала, что для большинства типовых выпарных аппаратов ∆_с =1... 3 °С, ∆_г < 1 ^оС.

Важный вопрос при расчете выпарных аппаратов — определение температуры пара над кипящим раствором. Обычно ее принимают равной температуре насыщения при давлении в аппарате или же Равной температуре кипения раствора за вычетом суммарной де­прессии:

t _п =t_p-∆. (4.33)

В выпарных аппаратах непрерывного действия с естественной или принудительной циркуляцией концентрация кипящего раствора близка к конечной, поэтому ∆ в этих аппаратах берут для раствора конечной концентрации.

Таблица 4.8

Температурная депрессия водных растворов при атмосферном давлении ∆_т [6]

Раствор вещества	Концентрация раствора, масс. %
СаС12	1,5	4,5	10,5	14,3	19,0	24,3	30,0	36,5	43,0	50,7	60,0	75,0	-	-	-	-
Ca(NO3)2	1,1	2,5	4,3	5,4	6,7	8,2	10,0	13,2	17,2	23,0	31,2	40,2	49,2	-	-	-
CuSO4	0,3	0,6	1,4	2,1	3,1	4,2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
FeSO4	0,3	0,7	1,3	1,6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
КС1	1,3	3,3	6,1	8,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
KNO3	0,9	2,0	3,2	3,8	4,5	5,2	6,1	7,2	8,5	10,0	11,6	13,7	-	-	-	-
КОН	2,2	6,0	12,2	17,0	23,6	33,0	45,0	60,4	78,8	100,5	126,5	155,5	190,3	225,0	-	-
K2CO3	0,8	2,2	4,4	6,0	8,0	10,9	14,6	19,0	14,2	31,4	-	-	-	-	-	-
MgCl2	2,0	6,6	15,4	22,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
MgSO4	0,7	1,7	3,4	4,8	7,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
NH4Cl	2,0	4,3	7,6	9,6	11,6	14,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
NH4NO3	1.1	2,5	4,0	5,1	6,3	7,5	9,1	11,0	13,2	15,7	19,0	23,0	28,0	35,5	47,5	L 72,5
(NH4)2SO4	0,7	1,6	2,9	3,7	4,7	5,9	7,7	-	-	-	-	-	-	-	-	-
NaCl	1,9	4,9	9,6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
NaNO3	1,2	2,6	4,5	5,6	6,8	8,4	10,0	12,0	14,5	17,9		-	-	-	-	-
NaOH	2,8	8,2	17,0	22,0	28,0	35,0	42,2	50,6	59,5	69,0	79,6	92,0	106,6	124,0	145,5	174,5
Na2CO3	1,1	2,4	4,2	5,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		-
Na2SO4	0,8	1,8	2,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

При периодическом процессе выпаривания, когда исходный раствор выпаривается до заданной концентрации, рекомендуется определять ∆ для средней концентрации раствора.

С целью экономии греющего пара применяются многокор­пусные выпарные установки, в которых вторичный пар каждого корпуса (кроме последнего) используется для обогрева последу­ющего корпуса. Давление от корпуса к корпусу уменьшается так, чтобы температура кипения раствора в каждом корпусе была ниже температуры насыщения шара, обогревающего этот корпус. В мно­гокорпусной выпарной установке расход греющего пара на 1 кг выпаренной воды обратно пропорционален числу корпусов.

Кристаллизация — процесс выделения твердого вещества из его раствора. Обязательное условие кристаллизации — пересыщение раствора, которое может создаваться:

- охлаждением растворов, растворимость которых заметно уменьшается с понижением температуры;

- испарением части растворителя при кипении раствора в вы­парном аппарате с паровым обогревом, в процессе концентриро­вания в аппаратах погружного давления (АПГ) или в установке мгновенного вскипания;

- комбинированием, т.е. одновременным охлаждением и испа­рением части растворителя.

В выпарном аппарате с поверхностным теплообменником кри­сталлизация раствора нежелательна вследствие осаждения крис­таллов на теплопередающей поверхности, что в значительной сте­пени ухудшает условия теплопередачи.

В АПГ кристаллизация возможна, однако при охлаждении рас­твора получаются мелкие кристаллы, которые в дальнейшем слож­но отделять от маточника. Для образования крупных кристаллов требуются специальные условия.

Поэтому кристаллизацию обычно ведут в отдельных аппара­тах-кристаллизаторах с водяным или воздушным охлаждением, расположенных после выпарок (см. гл. 8). В некоторых случаях кри­сталлизацию осуществляют в вакуум-кристаллизаторах, где одно­временно протекают процессы испарения и охлаждения раствора. В основе расчета кристаллизаторов лежат уравнения материально­го и теплового балансов. Обозначим В_кр массовое содержание без­водного кристаллизирующегося вещества в кристаллах, %. Если вещество кристаллизируется в безводной форме, то В_кр = 100 %, если в виде кристаллогидратов, то

В_кр = 100М/М_КР, (4.34)

где М, М_кр — молекулярные массы соответственно безводного ве­щества и кристаллогидрата.

Экстрагирование — извлечение из твердого или жидкого веще-ства одного или нескольких компонентов с помощью растворите ля. При этом извлекаемые компоненты переходят из твердой или жидкой фазы в растворитель [10].

Экстракция основана на разной растворимости компонентов в жидкости и растворителе, используемом в качестве экстрагента. При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и практически не растворяются остальные компоненты исходной смеси. Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный обычно многократный контакт.

В результате взаимодействия фаз получают экстракт — раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат — остаточный исходный раствор.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) разделяются отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. Затем извлекают целевые продукты из экстракта и экстрагента из рафината.

Для регенерации экстрагента могут использоваться любые массообменные процессы, применимые для разделения жидких растворов, выпаривания, а также химические методы. Примеры применения экстракции: обесфеноливание сточных вод бензолом, бутилацетоном, диазопропиловым эфиром, экстракция нитробензола из воды бензолом [8, 9].