Випарювання

4.1. Загальні відомості

Випарюванням називають процес концентрування рідких розчинів нелетких або малолетких речовин з рідких летких розчинників під час їхнього кипіння.

Випарюванню піддають розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей тощо), а також висококиплячі рідини, для яких за температури випарювання характерними є малі тиски пари, – деякі мінеральні та органічні кислоти, багатоатомні спирти тощо. Випарювання інколи застосовують для виділення розчинника в чистому вигляді: під час опріснення морської води випарюванням утворену з неї водяну пару конденсують і воду використовують для питних чи технічних потреб.

На випарювання затрачається велика кількість теплоти. Тепло для випарю­вання можна підводити тими самими теплоносіями, які застосовують для нагріван­ня (димові гази, високотемпературні теплоносії), однак здебільшого тепловим агентом є водяна пара, і такий теплоносій називають гріючим або первинним. Пара, яка утворюється під час випарювання киплячого розчину, називається вторинною.

Під час кипіння пара видаляється зі всього об’єму розчину, а за температур, що є нижчими від температури кипіння, випаровування здійснюється тільки з поверхні рідини.

Концентрування розчинів і твердих речовин випарюванням здійснюють з метою полегшення і здешевлення подальшої їхньої переробки, збереження і транспортування.

Тепло, необхідне для випарювання розчину, підводять або через стінку, що відділяє теплоносій від розчину, або безпосередньо введенням його в розчин, який випарюється.

Процеси випарювання проводять під вакуумом за підвищеного або атмосферного тисків.

Перевагою випарювання під вакуумом є можливість здійснювати процес за нижчих температур, що є важливим у разі концентрування розчинів термочутливих речовин. Крім цього, під час створення розрідження зростає корисна різниця температур між гріючим агентом і розчином, що дає змогу зменшити поверхню нагрівання апарата (за інших однакових умов). У разі однакової різниці температур можна використовувати гріючий агент з нижчими робочими параметрами (температура та тиск). Тому випарювання під вакуумом часто використовують для концентрування висококиплячих розчинів (розчинів лугів), а також концентрування розчинів з використанням теплоносія (пари) з невисокими параметрами. Застосування цього методу випарювання дає змогу використовувати як гріючий агент вторинну пару самої випарної установки. Однак використання вакууму призводить до зростання витрат на створення апарата.

Під час випарювання під тиском, більшим, ніж атмосферний, зростає температура кипіння, що дає можливість використовувати вторинну пару. Тому цей метод застосовують для випарювання термічно стійких продуктів, а теплоносії повинні бути з вищою температурою.

Для здійснення випарювання під атмосферним тиском вторинну пару не використовують. Такий спосіб є найпростішим, але не економічним.

Випарювання під атмосферним тиском і деколи під вакуумом здійснюють в окремих випарних апаратах (однокорпусних випарних установках). Однак більше розповсюдження мають багатокорпусні випарні установки – кілька послідовно з’єднаних випарних апаратів чи корпусів, в яких вторинна пара кожного попереднього корпусу направляється як гріючий агент в наступний корпус. Тиск в цьому разі зменшується за напрямом руху випарюваного розчину так, що забезпечується наявність необхідної рушійної сили для здійснення процесу випарювання (різниця температур між вторинною парою з попереднього корпусу і киплячим розчином в цьому корпусі).

Порівняно з однокорпусними установками, у багатокорпусних досягається значна економія первинної пари, оскільки нею обігрівається тільки перший корпус.

Для економного використання первинної пари в однокорпусних установках встановлюють тепловий насос, що стискає вторинну пару на виході з апарата до тиску, який відповідає температурі первинної пари, після чого вона повертається в апарат для випарювання.

За режимом проведення процесу розрізняють періодичне і безперервне випарювання. Періодичне випарювання застосовують у малотоннажних виробниц­твах, коли необхідно одержати розчини з високими концентраціями, а також, коли випарювання супроводжується іншими технологічними процесами, що відбува­ються в цьому самому апараті (наприклад, кристалізацією).

За безперервного випарювання процес є встановленим в часі, тобто в установку в постійній кількості надходять початковий розчин і нагрівальна пара, а з установки також безперервно і в постійній кількості відводяться концентрований розчин (кінцевий продукт), вторинна пара і конденсат нагрівальної пари.

Поверхні нагрівання у сучасних випарних апаратах досягають 2000 м² (і більше) і потребують великої кількості тепла.