Теоретические основы процесса выпаривания

Процесс выпаривания применяется для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ в жидких летучих растворителях. Этот процесс заключается в том, что путем нагревания, а иногда и понижения давления некоторую часть растворителя переводят в парообразное состояние и в виде пара удаляют из жидкой смеси.

Процесс выпаривания широко применяется как для частичного разделения (концентрирования) растворов, так и для полного выделения твердых веществ из раствора; в последнем случае выпаривание сопровождается кристаллизацией. Переход вещества из жидкого состояния в парообразное происходит при любой температуре жидкости, при этом различают испарение и кипение.

Под кипением понимают переход жидкости в парообразное состояние при такой температуре, когда упругость паров жидкости равна давлению окружающего пространства, а под испарением - при температуре, когда упругость паров жидкости ниже давления окружающего пространства.

Жидкости обычно выпаривают путем нагревания их до температуры кипения и удаления образующихся паров в атмосферу (или конденсации паров в холодильниках-конденсаторах).

Нагревание жидкости при выпаривании можно производить с помощью любого теплоносителя, но в большинстве случаев применяют водяной пар. Обычно выпаривают различные водные растворы, удаляя из них воду в парообразном состоянии. Образующийся при выпаривании раствора пар называют вторичным паром.

Выпаривание производят при атмосферном давлении, под вакуумом и под давлением выше атмосферного. Для выпаривания при атмосферном давлении применяют главным образом открытые аппараты, а для выпаривания при давлении, отличном от атмосферного, - закрытые.

Тепло, затрачиваемое на выпаривание, может быть использовано однократно или многократно. В первом случае раствор выпаривают в одном аппарате и выпарную установку в этом случае называют однокорпусной, а процесс выпаривания в нем - однокорпусным выпариванием; вторичный пар при этом не используется. Во втором случае тепло образующегося вторичного пара используется для нагревания в других выпарных аппаратов той же установки. В этом случае установки, в которых производят выпаривание, называют многокорпусными, а процесс выпаривания в них - многокорпусным выпариванием.

Чтобы процесс выпаривания был возможен нужно жидкости передать тепло от теплоносителя, что осуществляется только при наличие температурного перепада между ними.

Поэтому передача тепла от греющего пара к кипящему раствору в любом корпусе выпарной установки будет происходить, если температура греющего пара будет выше температуры кипения раствора в этом корпусе.

Полезная разность температур для любого корпуса будет равна:

, (1.1)

где Δt_п – полезная разность температур, ⁰С;

t_г.п – температура греющего пара, ⁰С;

t_к – температура кипящего раствора, ⁰С.

Общей разностью температур для всей выпарной установки является разность между температурой греющего пара в первом корпусе и температурой пара в конденсаторе, соединенном с последним корпусом:

, (1.2)

где Δt_об – общая разность температур, ⁰С;

t₁ – температура греющего пара в первом корпусе, ⁰С;

t_конд – температура пара при входе в конденсатор, ⁰С.

Сумма полезных разностей температур всегда значительно меньше общей разности температур в выпарной установке вследствие температурных потерь:

, (2.3)

где ∑Δt_n – сумма полезных разностей температур, ⁰С;

∑Δ – сумма температурных потерь:

, (2.4)

где Δ^/ – температурная депрессия, ⁰С;

Δ^// – гидростатическая депрессия, ⁰С;

Δ^/// – гидродинамическая депрессия, ⁰С.

Температурная депрессия (понижение упругости паров растворов) – это разность между температурами кипения раствора и растворителя:

, (2.5)

где t_к – температура кипящего раствора, ⁰С;

t_р – температура кипения растворителя, ⁰С.

Гидростатической депрессией является разность температур кипения раствора в нижней части кипятильных трубок, которые находятся под давлением гидростатического столба жидкости H в аппарате, и температуры кипения на поверхности трубной решетки греющей камеры:

, (2.6)

где t_ср – средняя температура кипения раствора в трубках, ⁰С;

Δt’’ – гидростатическая депрессия, или повышение температуры кипения раствора вследствие гидростатического давления столба жидкости в аппарате (гидростатический эффект).

t_вп – температура вторичного пара.

Гидродинамическая депрессия обусловлена потерей давления пара на преодоление гидравлических сопротивлений трубопроводов при переходе из корпуса в корпус. Обычно в расчетах принимают:

Δ^/// = 1,0 – 1,5⁰С на корпус.

Также при расчете выпарных аппаратов играет не малую роль определение температуры пара над кипящей жидкостью. Ее можно принять равной температуре насыщения при давлении в аппарате, или равной температуре жидкости, соответственно результатам экспериментальных исследований.