Выпаривание.

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов твердых веществ, при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии. В подавляющем большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы и удаленный растворитель представляет собой водный пар, носящий название вторичного пара.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных для жидких систем, однако он чрезвычайно энергоёмок и требует для аппаратурного оформления высоколегированных сталей и других металлов (Ni, Cr и т.д.). При выпаривании из раствора сначала удаляют растворитель до той степени, чтобы не выпадал осадок, затем кристаллизацией (если необходимо) выделяют чистое твёрдое вещество. Греющим реагентом в аппаратах является водяной пар, энергия которого и расходуется на выпаривание.

Пусть у нас имеется раствор с начальной концентрацией а_н. При выпаривании его концентрация повышается до а_к, а масса уменьшается с S_н до S_к (растворитель улетучивается). Так как растворенное вещество практически нелетучее, то разность S_н–S_к = W, где W – количество испаренной воды. Из условия постоянства количества растворенного вещества в исходном и концентрированном растворах следует:

а_нS_н = а_кS_к или учитывая, что S_к = S_н–W

а_нS_н = а_к(S_н–W) =а_кS_н–а_кW

Отсюда, количество воды (W), которое необходимо выпарить для увеличения концентрации от а_н до а_к равно

W = S_н(1–а_н/а_к)

Из формулы следует, что одинаковой степени концентрирования соответствует одинаковое количество испаренной воды независимо а_н.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, повышенном и пониженном давлении. При выпаривании под атмосферном давлении образуется вторичный пар, который либо выпускают в атмосферу, либо регенерируют его тепло. При выпаривании в вакууме появляется возможность снизить температуру кипения, что важно для легко разлетающихся веществ. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован вторично при многокамерной выпарке. Эта система очень экономична.

Выпарные аппараты состоят из двух частей:

1. кипятильник (греющая камера)

2. сепаратор (пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора)

Раствор должен все время циркулировать через кипятильник, чтобы испарение было равноме6рно по объему. В промышленности применяют аппараты с естественной и принудительной циркуляцией.

Естественная циркуляция осуществляется по принципу теплового насоса. Переток раствора осуществляется за счет различной плотности в коленах «насоса» (образующиеся пузырьки понижают плотность раствора). Для естественной циркуляции необходимо:

1. Достаточная высота раствора в циркуляционной трубе (движущая сила процесса gH(ρ_т –ρ_п-ж)).

2. Достаточно интенсивное парообразование в кипятильной трубе.

Сами аппараты для выпаривания можно представить следующим образом:

Наиболее выгодны многоступенчатые выпарные аппараты, так как они значительно экономят энергию.

Сушка

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых материалов с использованием тепловой энергии. Вследствие большой величины удельной теплоты парообразования воды высушивание является дорогим процессом. Поэтому перед сушкой из материала вначале удаляют влагу фильтрованием или центрифугированием.

Методы сушки, используемые в промышленности, различаются способами подвода тепла к материалу и различают следующие методы:

1. конвективная сушка – сушка при непосредственном контакте с нагретыми газами.

2. контактная сушка – сушка в вакууме с передачей тепла от теплоносителя через стенку.

3. терморадиационная сушка – сушка тонколистовых материалов с использование инфракрасного излучения.

4. высокочастотная сушка – сушка толстолистовых материалов ТВЧ (для диэлектриков).

5. сублимационная сушка – для плазмы крови и подобных препаратов. Испарение влаги из замороженных материалов в вакууме.

А теперь рассмотрим основные теоретические положения сушки материалов.

Влагосодержащие материалы χ (хи) – масса влаги (а), содержащаяся в материале и отнесённая к массе сухого материала

Влагосодержание воздуха χ (хи) – масса пара в 1 м³ влажного воздуха (С_п) отнесённая к массе сухого воздуха в 1 м³ влажного воздуха (С_в)

с другой стороны:

где у – мольная концентрация пара в воздухе, а М_п и М_в – мольные массы пара и воздуха.

или

где P_п – парциальное давление пара в воздухе, P – общее давление

В насыщенном паром воздухе

π – упругость насыщенного пара.

Рассматриваем сушилку непрерывного действия.

Количество влаги испарившейся из материала равно

W₁ = G_м(χ_н– χ_к)

Эта влага перейдёт в воздух, и его влагосоединение повысится и составит:

W₂ = G_в(χ_к– χ_н)

Тогда материальный баланс (W₁ = W₂) можно записать следующим образом

G_м(χ_н– χ_к) = G_в(χ_к– χ_н)

Количество тепла, которое потребуется на испарение W кг влаги будет равно.

Q₁ = Wr_t = G_м(χ_н– χ_к)r_t

где r_t – теплота парообразования при t°С. Это тепло берется от теплого воздуха

Q ₂ = G_вС_{p вл}(t _н – t _к)

где С_{p вл} – теплоемкость влажного воздуха. Тогда при Q₁ = Q₂

G_м(χ_н– χ_к) = G_вС_{p вл}(t _н – t _к)

Из этого уравнения определяют количество газа (воздуха) необходимого для осушки G кг материала.