Основные сведения о процессе выпаривания водных растворов

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов, состоящий в удалении растворителя посред­ством испарения или кипения.

При кипении растворов нелетучих веществ в паровую фазу переходит только растворитель. При этом по мере испарения растворителя и удаления его в виде паров концентрация рас­твора, т. е. содержание в нем растворенного нелетучего веще­ства, повышается. Под нелетучими веществами понимают вещества, обладающие при температуре процесса ничтожно малым давлением пара. К ним относятся некоторые высококипящие жидкости (глицерин, серная кислота и др.), а также большинство твердых тел. В действительности абсолютно нелетучих веществ не суще­ствует, и в парах растворителя может быть незначительное количество (следы) растворимого вещества, которое в расчетах выпарных установок не учитывают.

Обычно из раствора удаляется лишь часть растворителя, так как в выпарных аппаратах применяемых конструкций упа­ренный раствор должен оставаться в жидком состоянии. Пол­ное удаление растворителя в таких аппаратах возможно в тех случаях, когда растворенное вещество либо является жидким (например, выпаривание растворов глицерина), либо при темпе­ратуре процесса находится в расплавленном состоянии (выпа­ривание растворов едкого натра или аммиачной селитры). Пол­ное удаление растворителя из раствора возможно также и в некоторых аппаратах специальной конструкции, например в распылительных сушилках.

В некоторых случаях при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем уда­лении растворителя из такого раствора происходит кристалли­зация, т.е. выделение растворенного твердого вещества.

Выпаривание широко применяется для повышения концент­рации разбавленных растворов или выделения из них раство­ренного вещества путем кристаллизации.

В промышленности выпаривают преимущественно водные растворы различных веществ, поэтому в дальнейшем рассматри­вается только выпаривание водных растворов. Вместе с тем рас­смотренные ниже выпарные аппараты и методы их расчета при­менимы для выпаривания растворов с любыми растворителями, а также для испарения чистых жидкостей.

Для обогрева выпарных аппаратов применяются теплоносители (нагревающие агенты), рассмотренные в главе 1. Наи­большее распространение получил водяной пар.

В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпари­вание при высокой температуре, используют топочные газы и высокотемпературные теплоносители, а также иногда применяют элек­трический обогрев.

Нагрев выпариваемого раствора происходит путем передачи тепла от нагревающего агента через разделительную стенку либо путем непосредственного соприкосновения вещества. Вы­паривание путем непосредственного соприкосновения нагреваю­щего агента с раствором применяется только при обогреве то­почными газами.

Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под повы­шенным или пониженным давлением.

При выпаривании раствора под атмосферным давлением об­разующийся (вторичный, или соковый) пар выпускается в ат­мосферу. Такой способ выпаривания наиболее прост.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может использоваться как нагревающий агент для потреби­телей тепла.

При выпаривании под давлением повышается температура кипения раствора, поэтому применение такого способа ограни­чено температурой нагревающего агента и свойствами раствора.

При выпаривании под пониженным давлением (при разре­жении) в аппарате создается вакуум путем конденсации вто­ричного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Вакуум-выпарка позволяет снизить температуру кипения раствора и применяется для выпаривания чувствительных к вы­сокой температуре растворов (сахар, молоко и другие растворы органических веществ), а также высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не позволяет вести процесс под атмосферным давлением. Применение вакуума по­зволяет также увеличить разность температур между нагреваю­щим агентом и кипящим раствором, а, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Недостатком выпарки при вакууме является удорожание установки и ее эксплуатации из-за допол­нительных затрат энергии на вакуум-насос, затрат на конденса­ционное устройство, расходов на обслуживание, амортизацию конденсационного устройства.