Основи процесу випарювання

Випарювання є процесом видалення з розчину розчинника з метою підвищення концентрації розчину. Процес слід вести в умовах, що виключають втрату сухої речовини. Найчастіше в процесі випарювання видаляють воду як розчинник. Кількість випареної води:

, (7.1)

де S ₀, S_n – відповідно кількість розчину, що поступає у випарний апарат

(вихідний, розведений розчин) і виходить з випарного апарату

(кінцевий, концентрований), кг або кг/с;

b_n, b ₀ – концентрація (% мас.) розведеного і концентрованого розчинів.

Фізична сутність випарювання полягає в перетворенні розчинника на пару. Випарювання здійснюється в процесі кипіння. Парові бульбашки утворюються в мікрозападинах і тріщинах на поверхні нагрівання і в розчинених газових бульбашках в рідині. Вони швидко ростуть, відриваються і спливають. На місці бульбашки, що відірвалася, утворюється нова і цикл повторюється. Найчастіше для обігрівання апаратів для здійснення процесу кипіння використовується злегка перегріта або насичена пара. Може використовуватися газове або електричне обігрівання.

Температура кипіння розчинів вища за температуру кипіння однокомпонентної рідини, тобто для розчинів характерна температурна депресія. Температура кипіння розчинів залежить від тиску, природи та концентрації розчиненої речовини. Температура вторинної пари практично дорівнює температурі кипіння чистого розчинника. Для визначення температурної депресіїрозчинів використовуються:

1. Закон Бабо

, (7.2)

де р₁, р – пружність (тиск) пари розчину і чистого розчинника.

2. Правило лінійності функцій: відношення різниці температур кипіння будь-якої рідини при двох довільно взятих тисках до різниці температур кипіння будь-якої іншої рідини, наприклад води, при тих самих тисках є величина стала, . Наприклад, для органічної рідини гексану можна записати:

. (7.3)

Даний метод використовується рідко.

3. Рівняння Клапейрона-Клаузіса:

, (7.4)

де – температурна депресія при нормальному тиску;

– температурна депресія при довільному тиску.

ω =0,0162 Т²/ r (Т – абсолютна температура кипіння розчинника, К;

r – теплота пароутворення при заданому тиску в кДж/кг).

При випарювання під вакуумом температура кипіння знижується. У вертикальних контурах з природною циркуляцією температура кипіння зростає за рахунок гідростатичного тиску стовпа рідини. Збільшення тиску у середньому шарі гідростатичного стовпа рідини визначається за формулою:

, Па, (7.5)

де h – висота стовпа рідини по водомірному склу, м;

ρ – густина розчину, кг/м³.

Тоді вважають, що кипіння у вертикальній трубці відбувається при температурі, що відповідає тиску (), де Р – тиск у паровому просторі апарату.

Випаровування у промислових умовах проводять у випарних апаратах. Випарна станція може складатися з одного апарату або декількох, зв'язаних між собою. При цьому відбувається одноразове або багаторазове випарювання. Станції, що складаються з кількох апаратів, називають багатокорпусними. Вони працюють як під тиском, так і під розрідженням. У станціях під розрідженням вторинна пара останнього корпусу має тиск менший за атмосферний і не використовується, а в станціях, що працюють під тиском, тиск вторинної пари останнього корпусу перевищує атмосферний і використовується для обігрівання іншої апаратури. Станції бувають прямо- і протитечійні. У більшості конструкцій випарних апаратів теплопередача відбувається між парою, що конденсується, і розчином, що кипить, через стінку поверхні нагрівання. У паровій камері пара конденсується, а усередині трубок розчин кипить.