4.5.4. Випарювання

Загальні відомості. Процес випарювання відіграє значну роль у багатьох галузях промисловості. Незважаючи на те, що процес випарювання застосовують з різною метою, проте суть його завжди лишається у вилученні з розчину нелеткої речовини летко­го розчинника при температурі кипіння. Остання умова встанов­лює відмінність між процесами випаровування і випарювання.

Рідка фаза — чи то чистий розчинник, чи то розчин — утворює другу фазу (пару) незалежно від температури рідкої фази. Над рідкою фазою утворюється парова фаза. Процес пароутворення до настання моменту кипіння називають випаровуванням. Ме­ханізм процесу випаровування з точки зору молекулярно-кінетич­ної теорії можна уявити так. Молекули рідини на поверхні поділу двох фаз перебувають у русі, інтенсивність якого залежить від тем­ператури. Частина молекул, що має більшу швидкість, вилітає з рідини в паровий простір. Пружність пари при цьому зростає.

Процес випаровування, таким чином, поверхневий і розви­вається на межі двох фаз. Інтенсивність його залежить від умов на поверхні поділу двох фаз. Тут, якщо випаровування відбу­вається у відкритій посудині, відіграє роль швидкість руху повітря над поверхнею поділу фаз. По суті — це процес ди­фузійний. Момент кипіння настає тоді, коли тиск насиченої пари рідини стає рівним зовнішньому тиску. Для кожного значення тиску ця температура при кипінні чистого розчинника лишається

172

сталою. У випадку кипіння розчину, в міру зростання його кон­центрації, температура кипіння підвищуватиметься. Процес утворення пари під час кипіння називають випарюванням.

Механізм процесу утворення пари в процесі кипіння, тобто випарювання, досить складний. Його можна уявити так. На відміну від випаровування, під час випарювання нова фаза вини­кає на поверхні нагрівання. Для виникнення цієї фази треба, щоб на поверхні нагріву були центри, навколо яких утворюватимуть­ся елементи нової фази. Цими центрами є бульбашки повітря, по­рошинки та ін. Загальновідомо, що без центрів кипіння в чистій дегазованій воді в посудинах з гладенькими стінками температу­ру кипіння при нормальному тиску можна довести до 200 °С.

Застосуємо до цього явища правило фаз. Якщо у розчині є один нелеткий компонент, то число компонентів К дорівнювати­ме 2. Кількість фаз теж дорівнює 2. У такому випадку число сту­пенів вільності

тобто система стає визначеною, якщо задані два параметри з трьох, що визначають її стан (тиск, температура, концентрація). Отже, якщо ми задамося тиском р і концентрацією С, матимемо температуру, визначену цими умовами.

Температура кипін«я розчинів. Як відомо, розчини нелетких речовин за однакового тиску киплять при температурі, вищій за температуру чистого розчинника. Для визначення температури кипіння розчину за різних тисків найнадійніший спосіб — експе­риментальне дослідження, в результаті якого знаходять залежність

Такі експериментальні дані для нормального тиску є для всіх технічно важливих розчинів. Є вони і для розчинів сахарози та глюкози.

Багатокорпусне випарювання показано на рис. 4.28, де гріюча пара D, надходить до камери (міжтрубний простір) і, кон­денсуючись в ній, передає свою теплоту розчину, який кипить у трубках. Конденсат пари відводять з парової камери внизу. Роз­чин S, якій надійшов у 1-й корпус, кипить в кип'ятильних трубках парової камери і піднімається в них знизу вгору. Циркуляційна труба в центрі камери призначена для опускання розчину, і забез­печує організовану циркуляцію. Вторинна пара з 1-го корпуса че­рез сепаратор надходить у парову камеру 2-го корпуса. Частину

173

цієї пари можна використати для обігрівання теплообмінних апа­ратів або для інших потреб виробництва. Цю пару називають ек-страпарою Е. Розчин з 1-го корпуса, вже більшої концентрації, надходить у 2-й корпус, як це й показано на схемі.

Гази гріючої пари, що не конденсуються, відводять з парової камери через труби у паровий простір наступного корпуса. З ос­таннього корпуса вторинну пару спрямовують у конденсатор, де вона проходить знизу вгору між полицями, зустрічається з хо­лодною водою і конденсуються. Змішаний з водою конденсат ви­сокою барометричною трубою передається в приймач, а гази, що не конденсуються, через вловлювач відсмоктуються вакуум-на­сосом. Завдяки конденсатору і вакуум-насосу в цій випарній ус­тановці створюється певний режим тисків і температур. Темпера­тура гріючої пари 1-го корпуса тиск ; температура киплячого розчину в 1-у корпусі температура вторинної пари 1-г корпуса і тиск . Конденсат з 1-го корпуса виходить з температурою

Величина , — рушійна сила процесу, яка визначає інтен­сивність переходу теплоти від пари до киплячої рідини., тобто різниця між температурами кипіння води і розчину

174

дорівнює сумі фізико-хімічної та гідростатичної депресій. За період переходу вторинної пари з 1-го корпуса по трубопроводу в парову камеру 2-го корпуса, тиск пари на якусь величину падає і температура гріючої пари буде. Температура конден­сату гріючої пари 1-го корпуса дорівнює вона трохи менша від температури пари оскільки, стікаючи до поверхні труб, які омиває кипляча рідина з температурою конденсат трохи охоло­джується. Величину , можна орієнтовано визначити з рівняння

, (4.38)

Гази, що не конденсуються, з верхньої частини парової камери спрямовують у паровий простір 2-го корпуса. Частину пари 1-го корпуса , можна використати для обігрівання інших апаратів.

Тиск у 2-му корпусі установки менший від тому розчин, що надходить з 1-го корпуса, кипить при температурі , меншій за . Різниця температур має бути досить значною, щоб здійснювався перехід теплоти від пари, яка конденсується, до киплячої рідини.

Температури кипіння розчину в корпусах встановлюють залеж­но від їх продуктивності. Остання залежить від відбору екстрапари. Механізм процесу, в результаті якого має місце спад температури кипіння, в міру зростання номера корпуса такий: в останньому кор­пусі, з якого вторинна пара вже надходить у конденсатор, ство­рюється тиск, трохи вищий, ніж у конденсаторі, за рахунок втрати тиску в трубопроводі від корпуса до конденсатора. Чим нижчим буде тиск у конденсаторі, тим нижчим буде і тиск в останньому корпусі установки. Парова камера n-го корпуса є поверхневим кон­денсатором п - 1-го корпуса. Отже, випарна установка складається з ланцюга кип'ятильників і конденсаторів, сполучених послідовно в загальну систему. Зміна режиму роботи заключного конденсато­ра негайно вплине на режим роботи усієї установки.

Переважна більшість процесів у промисловості пов'язана з витратою гріючої пари і з утворенням вторинної пари. Сюди на­лежать і розглянуті нами процеси випарювання, сушіння, розва­рювання сировини тощо. Як ми вже переконалися, вторинна па­ра за тепловмістом мало відрізняється від гріючої пари, а викори­стання її у будь-якому процесі економічно доцільне. Зараз вто­ринну пару використовують належним чином і повністю лише у процесі випарювання двома шляхами: 1) повторно при зниженні

175

тиску в кожному наступному пароприймачі і 2) підвищення теп­лового потенціалу за допомогою теплового насоса.

Ці самі способи можна використати і при інших теплових процесах, наприклад, ректифікації.