2. Выпарные установки Общие понятия о процессе выпаривания водных растворов

Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде; при этом растворимое нелетучее вещество (твердое тело, например соль, или вязкая жидкость, например вазелин) остается в концентрированном виде в аппарате. Получаемые при выпаривании пары удаляются в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем – в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

В технологических процессах в различных отраслях промышленности выпаривают преимущественно водные растворы различных нелетучих веществ.

В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяющимися на электрических станциях. Однако процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальные отличия от процесса кипения чистой воды в испарителях.

Предположим, имеется два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором – 70%-ный водный раствор аммиачной селитры NH₄NO₃. Пусть давление греющего пара составляет 4 ат. Вода закипит при температуре около 100^оС; раствор при том же атмосферном давлении закипит только при температуре 120^оС. Однако, образующиеся из этого раствора водяные пары будут иметь температуру ту же, что и в случае кипения чистой воды, т.е. около 100^оС.

Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив ее через D₁, можем написать:

D₁ = t_p - J,

где t_p – температура кипения раствора, ^оС; J – температура образующихся паров воды, ^оС.

Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

Под концентрацией раствора понимают отношение веса сухого вещества в растворе к общему весу раствора в процентах:

,

где b – весовая концентрация раствора, % ; W – количество растворителя или воды в растворе, кг; G_сух – вес растворенного или сухого вещества в растворе, кг.

При выпарке вес сухого вещества в растворе остается постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается; следовательно, при этом концентрация раствора увеличивается.

Процесс выпарки характерен не только наличием физико-химической температурной депрессии, но и значительным изменением физических констант раствора, связанных с изменением его концентрации. С повышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижаются теплоемкость и теплопроводность.

Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоемкости уменьшается и коэффициент теплообмена a_р между греющей стенкой и кипящим раствором. По опытным данным, например, в начале выпаривания клеевого раствора с начальной концентрацией 2% коэффициент теплопередачи k = 3000 ккал/м²×ч×град, а в конце выпаривания при концентрации 50% k = 250 ккал/м²×ч×град.