Тема 2.3. Выпаривание растворов

Ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 4ч.

 

Студент должен:

 

знать:

- назначение выпарных аппаратов;

- принципы составления материального и теплового балансов процесса выпаривания;

- устройство и принцип работы выпарных аппаратов;

- принципы расчета выпарных аппаратов;

 

уметь:

- составлять материальный и тепловой балансы;

- определять основные расчетные параметры процесса выпаривания;

- выбрать оптимальные варианты схемы выпарной установки.

Сущность выпаривания.

Выпаривание при атмосферном давлении, при вакууме, при избыточном давлении.

Выпарные установки: однокорпусные, многокорпусные, с термокомпрессией вторичного пара. Общая и полезная разность температур при выпаривании. Температура кипения растворов, температурные потери.

Выпарные аппараты, их классификация.

Аппараты с направленной и неупорядоченной циркуляцией раствора.

Пленочные выпарные аппараты, роторные аппараты, аппараты с барботажем топочных газов и погружными горелками.

Принципы выбора выпарных установок различных конструкций. Материалы для изготовления выпарных аппаратов.

ВЫПАРИВАНИЕ РАСТВОРОВ

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя при кипении в виде пара.

В технике процесс выпаривания получил широкое распространение, так как многие вещества (щелочи, соли, сахар и др.) получают в виде растворов (чаще всего водных), а для дальнейшего потребления, хранения и транспортировки концентрация их должна быть значительно повышена.

Выпаривание применяют иногда для выделения растворителя в чистом виде, например при опреснении морской воды, когда полученный пар конденсируется и используется в бытовых или технических целях.

При использовании насыщенного водяного пара в качестве горячего теплоносителя он называется греющим или первичным. В отличие от него образующийся в процессе кипения раствора пар называют вторичным. Вторичный пар, отбираемый для дальнейшего технического использования, называют экстрапаром.

Свойства растворов

1. Концентрацией х, или составом раствора, называется массовое количество растворенного твердого вещества G_тв в определенном массовом или объемном количестве раствора или растворителя W, которое определяется в процентах как

Для большинства растворов в определенном количестве растворителя при конкретных условиях можно растворить ограниченное количество твердого вещества. Раствор, содержащий при данных условиях предельное количество растворенного вещества, называется насыщенным. Количество растворенного вещества в насыщенном растворе, отнесенное к определенному количеству раствора или растворителя, называется растворимостью. Растворимость твердых веществ в воде не является постоянной величиной, а изменяется в значительных пределах в зависимости от температуры. При этом различают вещества с прямой растворимостью, которая увеличивается с повышением температуры (NaNO₃, KNO₃, NаОН, КОН и др.), и обратной растворимостью, падающей с повышением температуры (MnSO₄, Na₂SO₄ и др.).

2. Теплоемкость с веществ, и в частности растворов, незначительно зависит от температуры. Однако концентрация растворенного вещества оказывает значительное влияние на величину теплоемкости. Функция эта имеет нелинейную зависимость, поэтому для проведения расчетов обычно пользуются справочными данными, представленными в виде таблиц или графиков.

3. Температурная депрессия Δ_т.д. Температура кипения воды при нормальном давлении составляет 100°С. Ту же температуру имеют образовавшиеся водяные пары. Температура кипения воды понижается с уменьшением окружающего давления и повышается с его увеличением. На ту же величину изменяется температура паров над чистой жидкостью.

Если в кипящей жидкости находится растворенное вещество, то раствор начинает кипеть при более высокой температуре, увеличивающейся c повышением концентрации растворенного вещества. Температура образующихся при этом паров над раствором будет меньше, и ее величина соответствует температуре кипения чистого растворителя при том же давлении.

Разность между температурой кипения раствора t_кип.р и растворителя t_кип называют физико-химической или температурной депрессией

и определяют по таблицам и графикам, составленным на основании опытных данных.

4. Теплота растворения (концентрирования). При проведении процесса растворения солей происходят физико-химические процессы, сопровождающиеся противоположными тепловыми эффектами.

Так, разрушение кристаллической решетки твердого вещества требует затрат энергии и сопровождается поглощением теплоты. Химическое взаимодействие растворяемого вещества с растворителем – сольватация (при растворении в воде – гидратация) сопровождается выделением теплоты. Алгебраическая сумма выделившейся и поглощенной теплоты определяет общий тепловой эффект процесса растворения. Эта же величина с обратным знаком характеризует тепловой эффект в процессе концентрирования Δq и может быть определена из справочной литературы для конкретных условий проведения процесса.