1 Общая часть

1.1 Теоретические основы процесса

Выпаривание используется для концентрирования растворов твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), а также высококипящих жидкостей, которые при температуре выпаривания имеют сравнительно малое давление насыщенных паров, некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др.

По своей сути, выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т.е., в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата.

Процесс выпаривания относится к числу широко распространенных. Последние объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, аммиачная селитра, хлористый магний и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

К свойствам растворов, имеющим значение для процессов выпаривания, относятся температурная депрессия, теплоемкость, и теплота растворения.

Как известно, при одной и той же температуре Т давление паров над чистым растворителем Р_а больше, чем давление над раствором Р_в - рис. 2.1, и соответственно при одном и том же давлении температура кипения растворителя ниже температуры кипения раствора. Разность между температурами кипения раствора и растворителя Т_в – Т_а = называется температурной депрессией.

Для определения температурной депрессии неконцентрированных растворов недиссоциирующих веществ может быть использовано основное уравнение эбуллиоскопии:

где - универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль ∙ ⁰С);

- температура кипения, ⁰С;

r- теплота испарения растворителя, кДж/кг;

с- концентрация растворенного вещества, кмоль/кмоль;

Определяя депрессию для диссоциирующихся растворенных веществ, в правую часть равенства вводят сомножитель i, выражающий отношение общего числа частиц, получающихся в результате диссоциации, к исходному числу частиц растворяемого вещества.

Температурная депрессия для концентрированных растворов может быть определена по уравнению:

где b - константа определяемая опытным путем.

Обычно температурную депрессию не вычисляют, а находят по соответствующим таблицам, составленных на основании опытных данных.

Пар, образующийся над кипящим раствором, называется вторичным паром. Практически в результате взаимодействия насыщенного пара с брызгами кипящего раствора его температура оказывается выше, чем температура растворителя при заданном давлении. Однако при анализе процессов выпаривания допускают, что температура вторичного пара равна температуре насыщенного пара растворителя при заданном давлении.

При растворении твердых веществ, если они не реагируют с растворителем, наблюдается охлаждение раствора, так как разрушается кристаллическая решетка, а на это требуется затрата энергии (теплота плавления). Если же растворяемое вещество вступает в химическую реакцию с растворителем, образуя сольваты, при растворении в воде - гидраты, то за счет этого выделяется тепло. Теплота растворения представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия. Интегральной теплотой растворения называют количество тепла, поглощающегося или выделяющегося при растворении 1_кг твердого вещества (или раствора, в котором содержится 1_кг твердого вещества) в очень большом количестве растворителя, т.е. в таком количестве, что дальнейшее его прибавление практически не сопровождается тепловым эффектом.

Рисунок 1.1 - Определение температурной депрессии

Для анализа процессов выпаривания необходимо знать теплоту изменения концентрации раствора , которая легко определяется по интегральной теплоте растворения.

Пусть известны интегральная теплота растворения q₁ раствора с концентрацией х₁ и интегральная теплота растворения q₂ раствора с концентрацией х₂. На основании закона Гесса (тепловой эффект превращения зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от пути, по которому превращение протекает) для рассматриваемого случая можно записать:

или

Тепло выделяется при разбавлении раствора от концентрации х₂ до х₁ и поглощается при концентрировании раствора от концентрации х₁ до х₂.

В химической технике используются следующие основные способы выпаривания: простое выпаривание (однокорпусная установка), проводимое как непрерывным, так и периодическим методами, многократное выпаривание (многокорпусные установки), осуществляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса. Два последних способа проведения процесса обеспечивают экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.

Все перечисленные способы проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов. [2]