Какие процессы происходят при выпаривании раствора соли. Выпарные установки. Упаривание маточного раствора

Учёный из Томска показал, как испаряются соленые растворы February 5th, 2018

Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.

«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо.

Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.

В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С. Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении.

Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции. «Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом.

Возникающее из-за конвекции движение воздуха ускоряет испарение капель с меняющейся концентрацией. Однако этим фактором, как и теплопереносом внутри самой капли, в теоретических моделях до сих пор пренебрегали как несущественным. Мы же показали, что таким образом предполагаемая скорость испарения может быть ошибочно занижена почти в десять раз», — сказал Мисюра. Предсказание скорости испарения капель солевых растворов необходимо для разработки новых технологий струйной печати и покрытий, медицинской диагностики и охлаждения микроэлектроники. Статья с исследованием опубликована в журнале Scientific Reports.

Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

Рассмотрим данный процесс на молекулярном уровне: молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул (то есть самые быстрые), вырываются за границы вещества (жидкости). При этом средняя энергия оставшихся молекул становится меньше (жидкость остывает). Например, очень горячая жидкость: мы дуем на её поверхность, чтобы остудить, при этом мы ускоряем процесс испарения.
Испаряться могут не только жидкости, но и твердые тела. Процесс испарения твердого тела называется сублимацией (или возгонкой). Легко наблюдать образование кристалликов йода из паров йода. Достаточно 2-3 кристаллика йода положить в пробирку и нагреть ее в пламени спиртовки. Можно видеть, что кристаллики йода не плавятся, а испаряются, образуя темно-бурые пары, которые на холодных стенках пробирки оседают в виде пятен. Рассматривая эти пятна через лупу, легко обнаружить, что они представляют собой группы кристалликов.

Факт сублимации твердых фаз убедительно подтверждается и просто в жизни: хорошо известен факт высыхания белья на морозе. Испаряющиеся частицы твердого тела образуют над ним пар совершенно так же, как это происходит при испарении жидкости. При определенных давлении и температуре пар и твердое тело могут находиться в равновесии. Пар, находящийся в равновесии с твердым телом, также называется насыщенным паром. Как и в случае жидкости, давление насыщенного пара над твердым телом зависит от температуры, быстро уменьшаясь с понижением температуры. Без труда можно убедиться в том, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при низкой. В принципе любое твердое вещество сублимирует (именно любое, даже железо или медь). И если мы не замечаем возгонки, то это означает лишь, что плотность насыщенного пара незначительна.

Кривая зависимости давления, насыщенного пара сублимирующих твердых тел от температуры. Эта кривая является линией равновесия твердой и газообразной фаз. Область слева от кривой соответствует твердому, справа от нее - газообразному состоянию.
Сублимация, так же, как и плавление, связана с разрушением кристаллической решетки и требует порцию необходимой для этого энергии. Эта энергия определяет скрытую теплоту сублимации, которая равна скрытой теплоте перехода из газообразного состояния в кристаллическое. Теплота возгонки равна поэтому сумме теплоты плавления и парообразования.

По сути каждое вещество во вселенной испаряется. Молекулы с поверхности улетают в окружающую среду. Запахи, которые мы чувствуем это молекулы любого предмета, залетевшие к нам в нос.

Всё вокруг нас испаряется и рано или поздно испарится?

Источники:

Выпаривание растворов проводят для повышения концентрации растворенного вещества перед его кристаллизацией или для удаления растворителя с целью получения растворенной твердой фазы в виде сухого остатка. Выпаривание проводят как при атмосферном давлении, так и в вакууме при помощи жидкостных, паровых и воздушных бань, инфракрасных излучателей, колбонагревателей и электрических плиток, токопроводящих пленок и других устройств.

Не рекомендуется выпаривать растворы при их кипении вследствие разбрызгивания жидкой фазы и образования корки солей на холодных частях выпаривающего устройства, проводить выпаривание и в сушильных шкафах, быстро выходящих из строя из-за конденсации пара на стенках и внутренних частях, содержащих электронагревательные элементы и терморегулирующие устройства. Не следует выпаривать Растворы в эксикаторах при комнатной температуре из-за необходимости частой смены осушителей. Такое выпаривание можно применять в особых случаях, например для выращивания монокристаллов.

Скорость испарения растворителя зависит от температуры, давления, поверхности испарения, интенсивности перемешивания и толщины слоя нагреваемого раствора. В тех случаях, когда растворенное вещество разлагается в процессе нагревания при атмосферном давлении, растворитель удаляют либо при помощи вакуума пленочных испарителях, либо вымораживанием, или подвергают лиофильному выпариванию.

Выпаривание жидкостей в открытых сосудах проводят, как правило, с использованием фарфоровых, стеклянных, кварцевых или платиновых чашек разного диаметра, заполненных на 2/3 их высоты. Во всяком случае уровень раствора должен быть на 2 - 3 см ниже краев чашки. Для упаривания применяют также низкие широкие стаканы из стекла пирекс или кварцевого. Выбор материала чашек и стаканов зависит от химической активности упариваемого раствора.

Выпаривание растворов с верхним обогревателем 2 (рис. 191, а и рис. 115, а, б) и продуванием воздуха вдоль поверхности испарения путем отсасывания пара через трубку / нагревателя 1 приводит к быстрому удалению растворителя, хотя и влечет за собой загрязнение раствора аэрозолями воздуха. Одновременно чашка 3 с раствором может подогреваться в жидкостной бане 4 или в колбонагревателе (см. рис. 118) с регулируемой температурой.

Если необходимо регенерировать особо ценный растворитель, то применяют прибор со специальной воронкой 1 (рис 191, б) для сбора конденсата. Нижний край воронки над фарфоровой чашкой 4 следует удалить от поверхности раствора на 1 3 см для образования турбулентного воздушного потока, а верхнюю часть трубки при необходимости присоединить к холодильнику. Если у такой воронки есть боковой штуцер 2 с питателем 3, то прибор может служить для непрерывного упаривания разбавленных растворов до получения в чашке 4 суспензии нужной плотности. Чашка 4 нагревается в водяной бане 5.

При выпаривании некоторых растворов образующиеся мелкие кристаллики "ползут" в виде тонкого слоя по стенкам чашки и даже выходят за ее край из-за более слабого нагрева верхней части чашки. Устранение ползучести твердой фазы достигают применением прибора с верхним нагревателем (см. рис. 191, а) или ИК-излучателя (см. рис. 115, а).

Рис. 191. Устройства для упаривания растворов с верхним нагревателем (д), воронкой (б) и со спаренными чашками (в)

Для предотвращения ползучести применяют также спаренные чашки (рис. 191, в). Наружная чашка 2 находится в жидкостной бане 3, а внутренняя более плоская чашка 1 содержит выпариваемый раствор. Ее вставляют так, чтобы ее край находился на 1- 2 см ниже края наружной чашки 2. Так как края внутренней чашки нагреваются сильнее, чем дно, то выделяющаяся корочка кристаллов начинает просыхать сверху вниз, что препятствует ползучести кристаллов.

Выпаривание при постоянной температуре проводят в чашках 3 с паровой рубашкой 2 (рис. 192, а), соединенной с обратным холодильником 1. Теплоносителем в таком приборе является пар высококипящей жидкости (см. табл. 16). Поэтому особого контроля за процессом выпаривания, кроме доливания в чашку очередной порции выпариваемого раствора, не требуется, Если выпаривание необходимо проводить при кипении раствора, содержащего объемистые рыхлые осадки, то применяют правку Шиффа (рис. 192, б).

Рис. 193. Циркуляционный испаритель Панкрата (а), пеноразрушитель (б) и прибор для выпаривания растворов под вакуумом (в)

Она состоит из широкой воронки имеющей ножки по краям кромки длиной до 5 мм и короткую широкую трубку 3, на которую надета пробирка 2 с отверстиями. Вставку Шиффа погружают на дно стакана 1 с рыхлой суспензией. Внутренний диаметр стакана не должен превышать диаметр воронки более чем на 5 - 10 мм. При нагревании электроплиткой 5 содержимого стакана 1 до кипения пузырьки пара и воздуха поднимаются вверх по воронке 4 и увлекают за собой частицы осадка, выбрасывают их через отверстия пробирки 2. одновременно происходит интенсивное перемешивание и испарение раствора. Циркуляция суспензии вверх и вниз по внешней поверхности воронки препятствует разбрызгиванию кипящей жидкости и образованию плотных придонных осадков и толчков жидкой среды.

Выпаривание концентрированных растворов досуха при помощи ИК-излучателей и верхнего нагрева (см. рис. 191, а) не представляет особых трудностей. Выпаривание же таких растворов с нижними нагревателями должно сопровождаться перемешиванием на конечной стадии и строгим контролем за нагреванием, которое надо немедленно прекратить при образовании сырой массы твердой фазы. Из-за перегрева донной части возможно растрескивание массы с разбросом частичек.

При выпаривании щелочных растворов и растворов, содеращих поверхностно-активные вещества, наблюдается образование пены. Устранение пенообразования достигается с помощью простого циркуляционного испарителя Панкрата (рис. 193, а).

Рис. 194. Вакуумные испарители: простой (а), ротационный (б) и роторный (в)

Раствор в циркуляционной трубе 5 нагревается при помощи трубчатого электронагревателя 4, вскипает; смесь жидкости, пара и пены выбрасывается по трубке 3 в сепаратор 2, в котором пенящаяся жидкость наталкивается на противоположную стенку и отделяется от пены, а пар удаляется через трубку 1. Жидкость стекает обратно в циркуляционную трубу 5 и поднимается снова в обогреваемую часть прибора, испаритель. Сконцентрированный раствор периодически удаляют через нижний спуск 6, не допуская выделения кристаллов в циркуляционной трубе.

Для разрушения пены рекомендуют также простой способ. В колбу 3 (рис. 193, б) над поверхностью выпариваемого раствора помещают раскаленную нихромовую спираль 5. Пар удаляют через трубку 1. Токоподводы 2 готовят из толстой медной проволоки. Спираль нагревают так, чтобы пена, разрушаемая теплом, не достигала ее примерно на 1 см и не оставляла бы на ней пленки, которая может быстро разрушить электросопротивление. Нагревают раствор на водяной бане 4.

Вакуумное выпаривание - это выпаривание в герметично закрытом сосуде под вакуумом 5-30 торр (650 - 4000 Па), посредством которого удаляется пар испаряющейся жидкости. В этом случае можно значительно понизить температуру нагрева сосуда, не снижая интенсивности испарения растворителя.

Применяют вакуумное выпаривание в основном для кон-Центрирования растворов, направляемых после этой операции На кристаллизацию термолабильных веществ. При выпаривании под вакуумом не допускают кипения растворов, так как есть опасность уноса капельножидкой фазы и выделения из нее твердой фазы в трубках, связанных с вакуумной системой.

Наиболее простыми приборами для выпаривания растворов под вакуумом являются приборы, схемы которых приведены на рис. 193, в и 194, а.

В первом приборе использована широкогорлая колба Вальтера 2 (см. рис. 17, е), обогреваемая в жидкостной бане 3 (см. рис. 193, в). Капилляр 6 обеспечивает равномерное кипение жидкости, подсасываемой по мере необходимости из стакана 4 через кран 5. С водоструйным насосом (см. рис. 258) колба соединена через трубку 1.

Выпаривание ведут при непрерывном кипении раствора, В тех случаях, когда кипение сопровождается толчками из-за засорения капилляра, в колбе оставляют небольшое количество рас. твора, к которому непрерывно добавляют свежий раствор из стакана 4. При выпаривании сильно пенящихся растворов отводную трубку 1 заменяют на каплеуловитель (см. рис. 43).

Во втором приборе (см. рис. 194, а) пар испаряющейся жидкости из колбы 3 (см. рис. 194, а) удаляют через трубку 2, соединенную с водоструйным насосом, перед которым ставят предохранительную склянку. Колба 3 снабжена капельной воронкой 1 для периодического добавления в нее новых порций раствора. Нагрев колбы осуществляют при помощи водяной бани 4.

Вакуумное выпаривание можно осуществить и при помощи ранее рассмотренного циркуляционного испарителя (см. рис. 193, а), если его пароотводную трубку 1 присоединить к вакуумной системе. В таком циркуляционном испарителе, работающем под вакуумом, можно упаривать растворы веществ, разлагающихся при нагревании в обычных условиях. Разбавленные растворы таких веществ лучше всего упаривать при температурах не выше 50 °С, что отвечает давлению примерно 80 торр (10600 Па).

Ротационные испарители (рис. 194, б) применяют для концентрирования разбавленных растворов термолабильных и пенящихся веществ, а также для удаления высококипящих растворителей. Такие приборы выпускают многие отечественные и зарубежные фирмы. Они позволяют вести упаривание растворов с остаточным давлением не более 30 торр (4000 Па). Принцип работы испарителя - упаривание раствора в пленке. Благодаря вращению колбы 5 вместимостью не менее 1 л с частотой 20 -150 об/мин на внутренней ее поверхности образуется пленка раствора, что значительно увеличивает площадь испарения и облегчает процесс парообразования. Колба обогревается в жидкостной бане 6 , температура которой поддерживается постоянной в зависимости от состава раствора в интервале от 20 до 90 °С. Конденсат улавливается холодильником 1 и собирается в приемнике 3.

Выпаривание , осуществляют для растворов, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. Выпариванию подвергают преимущественно водные растворы нелетучих или малолетучих веществ.

Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего используют водяной до 1,2 МПа, который называют греющим, или первичным) и непрерывному удалению образующегося при раствора пара, называют вторичным (при отборе на сторону называют экстра-паром). Движущая сила выпаривание – разность температур греющего пара и кипящего раствора, называют полезной . Она всегда меньше разности между температурами первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Указанное различие в температурах , называют физико-химической (концентрационной, температурной) депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления. Например, в случае выпаривание при 760 мм рт. ст. 50%-ный водный раствор NaOH кипит при 142,2°С ( = 42,2°С), 75%-ный раствор NaOH-при 192°С (= = 92,0). Температура кипения раствора повышается также из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве. Одна из главных причин повышения давления - гидростатическое давление раствора, или так называемая гидростатическая депрессия, которая в среднем составляет =1 -3 °С.

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты (выпарные аппараты), работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) или разрежением (до 0,008 МПа). При работе под избыточным повышается температура кипения раствора, поэтому возможности данного способа ограничены свойствами раствора и температурой теплоносителя. Разрежение в выпаривании а. создается в результате вторичного пара в специальных конденсаторах, охлаждаемых водой или исходным раствором, и удаления неконденсирующихся с помощью вакуум-насоса. Выпаривание в условиях разрежения позволяет снизить температуру кипения раствора; применяется для термочувствительных растворов, например . послеспиртовых бард гидролизных производств, а также высококипящих растворов, например H 2 SO 4 .

В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпаривания делят на поверхностные (теплота передается от теплоносителя к раствору через стенку) и контактные, в которых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором.

Поверхностные выпарные аппараты. Наиболее распространены выпарные аппараты с трубчатыми греющими камерами. В таких аппаратах раствор находится в трубном, а греющий - в межтрубном пространстве. Основные достоинства: интенсивная теплопередача, многократное использование теплоты вторичного пара, высокая степень чистоты целевого продукта, возможность создания аппаратов большой единичной мощности, легкость удаления инкрустирующих отложений с поверхности кипятильных труб. Различают выпарные аппараты с многократной циркуляцией раствора (естественной и принудительной) и однократной - так называемые однопроходные, или пленочные.

Движение раствора в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией (рис. 1,а, б, в) осуществляется благодаря разности плотностей парожидкостной смеси в зоне кипения и раствора вне ее (рис. 1,б) или вследствие увлечения всплывающими пузырьками пара (аппараты с кипением раствора в трубах камеры). Эти аппараты применяют для маловязких ( до 6-8 мПа*с) растворов. Основные характеристики: скорость циркуляции раствора обычно не более 1,0-1,5 м/с, = 15-25°С, поверхность нагрева до 630 м 2 , коэффициент теплопередачи 1,2-1,8 кВт/(м*К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой 3-4 суток. Достоинство - отсутствие расхода электроэнергии; недостаток – зависимость интенсивности выпаривание от тепловой нагрузки, которая снижается при загрязнении поверхности нагрева.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (рис. 1,а, б )над греющей камерой установлена дополнительная подъемная труба (труба вскипания), которая обеспечивает высокую скорость естественной циркуляции. Кипение происходит в трубе (поскольку труба заполнена раствором, давление в греющих трубах выше, чем насыщенного вторичного пара при температуре раствора, на величину массы гидростатического столба парожидкостной смеси). Эти аппараты предназначены для растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на поверхности нагрева значительный слой накипи (NaCl, Na 2 CO 3 , CaCO 3 и др.), а также при опреснении морской воды. Для насыщенных растворов хорошо растворимых , не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи (например, NaNO 2 , NaNO 3 , NH 4 NO 3 , КСl), применяют выпарные аппараты, в кипятильных трубах которых раствор не только нагревается, но и кипит (рис. 1, в). Разновидность рассмотренных аппаратов - выпарные аппараты с двухходовой греющей камерой (рис. 1, г, д). Они не имеют циркуляционной трубы (ее роль выполняет часть трубного пучка камеры), менее металлоемки, занимают меньшую площадь (поверхность нагрева до 1600 м 2). Эти аппараты используют для растворов веществ, которых возрастает с повышением температуры (например, щелока в производстве и каустической , содово-поташные растворы в производстве глинозема).

Рис. 1. Поверхностные выпарные аппараты: а, б, в-с естественной циркуляцией; г, д-с двухходовой греющей камерой; е-с принудительной циркуляцией; ж, з, и - пленочные; 1-греющая камера; 2-сепаратор; 3-брызгоуловитель; 4-труба вскипания; 5-циркуляционная труба; 6-ротор;7-осевой насос.

Для повышения интенсивности движения раствора и коэффициента теплопередачи применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой специальным осевым насосом (рис. 1, е). Такие аппараты служат для выпаривания сравнительно вязких ( до 1 Па*с) продуктов, например аммофосных пульп в производстве минеральных удобрений. Основные характеристики: скорость циркуляции раствора 2,0-2,5 м/с, = 7-15 °С, поверхность нагрева до 1800 м 2 , коэффициент теплопередачи до 3 кВт/(м 2* К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой до 30 суток. Важное достоинство - независимость интенсивности выпаривания раствора от тепловой нагрузки. Недостатки: необходимость использования насосов, затраты электроэнергии на циркуляцию раствора.

Пленочные выпарные аппараты применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, например в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе. Концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 6-8 м (поверхность нагрева до 2200 м 2). Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением раствора за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, который движется снизу вверх с достаточно большой скоростью (рис. 1, ж); с нисходящим движением жидкости, свободно стекающей по поверхности нагрева (рис. 1, з); роторные, в которых раствор перемещается ("размазывается") скребками ротора по поверхности теплообмена (рис. 1, и). В роторных аппаратах концентрируют очень вязкие (до 20 Па*с) термочувствительные вещества, например карбамид, желатину, капролактам, глицерин; в результате получают пасто- или порошкообразные продукты. Достоинства пленочных аппаратов: отсутствие гидростатической депрессии, малое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи [до 2500 кВт/(м*К)], большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемых ими площадях, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора, трудоемкость очистки поверхности нагрева. Важное значение для эффективной работы выпарные аппараты имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе, отделение вторичного пара от капель концентрируемого раствора. Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов ТЭЦ, а также служат причиной инкрустации (иногда значительной) поверхности нагрева и источником безвозвратных потерь концентрируемого раствора. Степень сепарации вторичного пара зависит от свойств раствора и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос раствора паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость раствора способствуют появлению пены. Присутствие в растворе взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к раствору иногда добавляют вещества, которые повышают поверхностное натяжение (например, растительные масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед выпаривание путем фильтрования раствора.

Унос может происходить также в результате попадания капель выпариваемого раствора в паровое пространство и их механического захвата вторичным паром. Для предотвращения этого скорость пара в сепараторе должна быть сравнительно невелика (2-4 м/с), а высота парового пространства - достаточно большой (1,6-3,0 м), чтобы увлеченные паром капли успевали оседать под действием силы тяжести. Для улучшения сепарации пара применяют специальные ловушки, или брызгоуловители. Они действуют аналогично инерционным пылеуловителям или циклонам для очистки газов: брызги отделяются от пара вследствие резкого изменения скорости и направления его движения либо под действием центробежной силы.

Одно из условий нормальной работы выпарных аппаратов - непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной повети нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропуска несконденсировавшегося (пролетного) пара применяют конденсатоотводчики. Наиболее распространены поплавковые устройства, действие которых основано на различии плотностей пара и конденсата. При поступлении пара конденсат вытесняется из поплавка, открытого сверху или снизу; последний всплывает и при помощи штока закрывает пропускное отверстие.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значительной степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэффициент теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, может быть причиной коррозии в сварных швах. Снижение коэффициента теплопередачи компенсируют увеличением . Это достигается повышением давления греющего пара при постоянном давлении в аппарате или уменьшением, давления в аппарате при постоянных температуре и давлении первичного пара. Для сохранения неизменной производительности выпарные аппараты (при условии постоянства состава выпариваемого раствора и давления) температура греющего пара должна возрастать пропорционально продолжительности работы аппаратов. Последняя определяется кол-вом отложений на поверхности нагрева. Накипь удаляют путем периодической промывки или механической очистки выпарных аппаратов.

Контактные выпарные аппараты. Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, например H 2 SO 4 , СаС1 2 , Na 2 SO 4 *10H 2 O (мирабилит), применяют аппараты с погружным горением (рис. 2) - цилиндрические емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (например, природного газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе с вторичным паром. Важное достоинство таких выпарные аппараты - отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из которых изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром.

Рис. 2. Выпарной аппарат с погружным горением: 1 -горелка; 2-корпус.

Для получения небольших масс продукта (несколько грамм или килограмм) в лабораторных условиях обычно применяют стеклянные колбы, снабженные внутренними или внешними конденсаторами.

Выпарные установки. Одноступенчатые установки могут быть непрерывного и периодического действия. Последние отличаются более высокими коэффициентами теплопередачи, но сложнее в обслуживании, поскольку их нельзя полностью автоматизировать. В одиночных аппаратах выпаривают сравнительно небольшие количества растворов, например в производствах особо чистой NaCl, а также Na 2 S, томатных паст, сгущенного молока. Образующийся вторичный для выпаривания не используют. Упомянутый недостаток устранен в аппаратах с тепловым насосом. В них вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором, повышая таким образом его температуру до температуры греющего пара. В первом случае используется практически полностью вторичный пар, расходуется только электроэнергия, однако возрастают стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Во втором случае вследствие добавления в систему первичного пара часть вторичного пара удаляется из цикла. Аппараты с тепловым насосом целесообразно применять для растворов, характеризующихся небольшими температурными депрессиями, при разрежениях в паровом пространстве 0,02-0,08 МПа и малых степенях сжатия вторичного пара (не более 2).

Расход греющего пара в одиночных выпарных аппаратах весьма велик (1,20-1,25 кг на 1 кг выпариваемой воды). Для его уменьшения в промышленности широко применяют многоступенчатые установки (преим. непрерывного действия), состоящие из ряда последовательно соединенных одиночных аппаратов. В этих установках, работающих при постепенно понижающемся давлении (в последней ступени 8-12 кПа), первичным паром обогревается только первая ступень, а каждая последующая - вторичным паром предыдущей. Число ступеней определяется полезной разностью температур, физико-химическими свойствами растворов и типом вещества. В установках, включающих аппараты с естественной циркуляцией и восходящим движением пленки раствора, которые эффективно работают только при значительной полезной разности температур, число ступеней обычно не превышает 3-5. При использовании выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и со стекающей пленкой раствора, работа которых не зависит от температурного напора, число ступеней достигает 10 и более. Оптимальное число ступеней находится с учетом минимальной стоимости единицы массы выпаренной воды.

В зависимости от направления относительного движения раствора и пара многоступенчатые установки делятся на прямоточные, противоточные, смешанного типа и с параллельным питанием ступеней. В наиболее простой по аппаратурному оформлению прямоточной установке раствор подается в первый аппарат и, перемещаясь последовательно через остальные под действием перепада давлений между ступенями, удаляется из последней. Достоинства этих установок: возможность переработки термолабильных растворов (например, электролитических щелоков, алюминатных и содово-поташных растворов в производстве кальцинированной , пониженный износ аппаратуры, небольшие потери теплоты с выпаренным раствором. Недостаток: переток раствора по мере его концентрирования в аппарат, находящийся под меньшим давлением; при этом снижается температура кипения раствора, но возрастает его вязкость, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.

В противоточной установке выпариваемый раствор (например, MgCl 2 или оборотный рассол в производстве калийных подается в последнюю ступень и удаляется из первой. При этом увеличение раствора сопровождается повышением температуры, вследствие чего коэффициента теплопередачи по ступеням выше, чем при прямотоке. Недостатки такой установки: применение насосов между ступенями для подачи раствора из аппарата, работающего при меньшем давлении, в аппарат, находящийся под более высоким давлением; необходимость автоматического регулирования уровня раствора в каждом выпарные аппараты

Рис. 3. Выпарная установка мгновенного вскипания: 1-подогреватель; 2 - испаритель; 3-конденсатор; 4-вакум-насос; 5, 6, 7-сборники соответственно конденсата, исходного и конечного растворов

В ряде случаев в последнем по ходу раствора аппарате требуется поддерживать высокое давление вторичного пара, что ограничивает число ступеней выпаривание и, следовательно, кратность использования пара. Для ее увеличения применяют установки со смешанным направлением движения пара и раствора. Последний поступает в какой-либо из промежуточных выпарные аппараты и проходит через одну группу ступеней прямотоком, а через другую - противотоком, что дает возможность выделять одновременно нескольких кристаллических веществ [СаСО 3 , CaSO 4 , Mg(OH) 2 ]. Эти установки сочетают достоинства и недостатки прямо- и противоточных установок.

В установке с параллельным питанием раствор подают одновременно в каждую ступень, а сконцентрированный раствор последовательно отбирают из всех ступеней. Эти установки служат главным образом для выпаривания растворов, состав которых мало изменяется в ходе процесса, а также для насыщенных кристаллизующихся растворов (например, рассолов в производстве пищевой NaCl). В каждой ступени раствор выпаривается при постоянной концентрации с выделением соли в результате испарения части растворителя. Вторичный пар, получаемый в предыдущей ступени, обогревает последующую. Достоинство параллельного питания: наиб. простая система коммуникаций для подачи исходного и отбора конечного растворов. Недостаток: сравнительно низкие коэффициентов теплопередачи по ступеням, поскольку в каждой из них находится раствор с макс. конечной концентрацией растворенного вещества.

Спец. разновидность многоступенчатых выпарных установок – установки мгновенного вскипания, или с адиабатическими испарителями (рис. 3). Исходный раствор с помощью насоса последовательно движется через систему подогревателей, каждый из которых обогревается вторичным паром своего испарителя. Пройдя систему подогревателей, перегретый раствор вскипает в системе последовательно соединенных испарителей. Давление в них поддерживается таким, чтобы температура вторичного пара превышала температуру нагреваемого раствора в соответствующем подогревателе. Вторичный

Выварочная соль получается в результате выпаривания искус­ственных или естественных рассолов, добываемых из недр земли. Такие рассолы отличаются сравнительно высокой концентрацией NaCl и малым содержанием примесей. Для получения выварочной соли непригодны рассолы любых поверхностных озер вследствие высокого содержания в них кальциевых солей и других примесей. Растворимость CaS04 в растворах поваренной соли больше, чем в воде. Максимум растворимости CaS04 и СаС03 в растворах NaCl соответствует концентрации приблизительно 2 моль NaCl в 1000 г воды80"81. Обычно рассол содержит (в г на 1 л):

NaCl.............................. 280-310 MgCl2 и MgS04 . . 0,2-4

CaS04............................ 5-6 СаС12............................ 0,2-0,8

Плотность рассола при 15° равна 1,19-1,20 г/см3. Высокое со­держание MgCl:2 в рапе не препятствует выварке из нее поварен­ной соли, так как последующая промывка соли позволяет снизить концентрацию MgCl2 в межкристальной жидкости и получить соль высокого качества (стр. 113).

При выпарке рассолов морского типа (являющихся концентра­тами морской воды) при температуре кипения под атмосферным давлением после достижения насыщения кристаллизуется NaCl. На рис. 8 доказана равновесная диаграмма растворимости при 100° в водной взаимной бйстеме

2NaCl + MgS04 - Na 2SQ4 + MgCl 2

Состоящей из главных компонентов морской воды. Фигуративная точка солевой массы жидкой фазы по мере кристаллизации NaCl движется из начального положения 1. В стабильной области кри­сталлизации выделяется около 70% NaCl, когда точка состава жидкой фазы достигает границы полей кристаллизации NaCl и левеита Na2S04 MgS04 2,5Н20 в точке 2. Однако при дальней­шем выпаривании вместо смеси галита и левеита продолжает кри­сталлизоваться один галит в метастабильной области (подобно тому, как это происходит и при солнечном испарении рассолов, ко­гда NaCl кристаллизуется в мета­стабильной области без астрахани - та Na2S04-MgS04-4H20 - см. рис. 83 на стр. 272). Примерный ход кристаллизации показан пунк­тирной линией. Задержка выделе­ния сульфатов вследствие достаточ­но большой стойкости метастабиль - ного состояния повышает общую степень извлечения NaCl при кипе - нии раствора до 91%. При выпари­вании же обессульфаченного кон­центрата морской можно вы­кристаллизовать до 96% поварен­ной соли82-85. Стабильные фазы выделяются лишь при добавке боль­шого количества затравки.

Выпаривание рассолов в заводских условиях осуществляют "либо в чренах, обогреваемых топочными газами, либо в вакуум - выпарных аппаратах, обогреваемых паром. На чренных установ­ках очистку рассола от примесей производят в процессе его упа­ривания. Соль получается в виде более крупных кристаллов, чем при вакуумной выпарке. Для выварки соли в вакуум-выпарных аппаратах в ряде случаев необходима предварительная очистка рассола от кальциевых и магниевых солей.

Температуры кипения рассолов морского типа различного со­става могут быть определены расчетным путем. О методе расчета см.75.

90

Это старый метод, который сохранился и до настоящего вре­мени. Имеются чренные солеварни (варницы), действующие с XVI в. (солеварни в районе Соликамска и др.)69. В США чрен - ную выварку соли осуществляют, например, на заводе в Манисти (штат Мичиган) производительностью более 1000 т! сутки 86>87. Рас­сол, подогретый с 10-15° до 60-70°, поступает в выпарной чрен,
представляющий собой открытый прямоугольный резервуар (ско­вороду), изготовленный из котельной стали толщиной 6-8 мм. Размеры его: длина 15-20 м, ширина 8-10 м, глубина 0,4-0,5 м.

В процессе выпарки в чрене поддерживают постоянный уро­вень рассола 18-20 см. При нагревании рассола в чрене до 80° из него выделяются сероводород и другие растворенные газы, а также выпадает сульфат кальция (рис. 9). По достижении температуры кипения (108°) происходит разложение бикарбоната кальция и

Образующийся СаС03 выделяется в Осадок; продолжается выпадение твер­дого CaS04. Твердые примеси уда­ляются специальными гребками через борт чрена. По достижении насыще­ния (через 6-8 ч) начинает кристал­лизоваться NaCl. Магнезиальные соли остаются в растворе, попадают в го­товую поваренную соль с маточным раствором, понижая ее качество. Для получения мелкокристаллической соли температуру рассола в процессе кри­сталлизации поддерживают в преде-

„---------- - 4 5 лах 90-100°. Для получения крупно-

МольС^о^атомольНА кристаллической соли температуру по­нижают (50-60°) и выгребают соль Рис. 9. Растворимость CaS04 1-2 раза в сутки.

В насыщенном растворе NaCl. Соль> кристаллизующаяся в про­цессе выпарки, механизированными гребками выгребается через наклонный борт чрена и отжи­мается на центрифугах (до влажности 3-5%) или высушивается в .

Температуру в топке под чреном поддерживают на уровне 1000-1200°; температура газов, уходящих из последнего газохода, 350-400°. При содержании в рассоле 24-25 % NaCl расходуется 0,45-0,5 т условного топлива на 1 т готовой соли; при понижении концентрации рассола до 15-16% NaCl расход топлива возрас­тает до 1,1 -1,2 т/т. Среднесуточный съем соли с 1 м 2 поверхности нагрева чрена составляет 80-100 кг при исходной концентрации рассола 300 г/л NaCl; при этом интенсивность испарения воды со­ставляет 11 -12 кг в 1 ч на 1 м2 поверхности нагрева чрена.

175

<50

100

75

50

Г5

При интенсивном выпаривании раствора в чренах получается соль с размерами зерен 0,1-0,2 мм. При снижении температуры до 60° (для получения крупнозернистой соли) производительность чренов уменьшается почти в 10 раз по сравнению с производитель­ностью при интенсивном кипении. Однако более важным считают не интенсивность выпарки, а получение крупнозернистой соли, по­этому до сих пор пользуются чренным способом вываривания
соли, несмотря на его Примитивность. Крупнозернистую соль можно получить и при высокой температуре выпаривания рассола (90-95е), для этого необходимо добавить к нему поверхностно - активное вещество - мыла, жиры, спирты и др.88"89 (0,0002% ог веса получаемой соли). В качестве добавок предложены также такие, как бромистый цетилпиридин90 или 0,002% Мп в виде MnS04 и 0,001% смеси сексвиолеата сорбитана и монолаурата

Полиоксиэтилен-сорбитана91. Более экономичным является брике­тирование мелкокристаллической соли, полученной интенсивными методами выварки, с последующим дроблением брикетов до зерен требуемых размеров (стр. 91).

В зависимости от качества выпариваемых рассолов чрен оста­навливают на чистку через 7-12 дней. За это время в маточном растворе накапливается много примесей, а полотно чрена покры­вается накипью - плотной коркой солей (называемой в Сибири чренным камнем или ширеем, а в Украине омокой) толщиной 7-10 см, производительность чрена сильно понижается (иногда до 50%), и создается опасность его прогара, а расход топлива зна­чительно возрастает.

Накипь состоит из смеси кристаллов NaCl (86-90%), неболь­шого количества других растворимых солей и 5-8% нераствори­мых осадков, главным образом сульфата кальция. Коэффициент теплопроводности соляной накипи равен 2-2,5 ккал/ (м ■ ч град), Т. е. в 25-30 раз меньше, чем стали. Очистку от накипи можно производить механическими способами и размыванием ее струями

На рис. 10 показана схема осуществляемой на Усольском за­воде выварки соли в круглых чренах с механизированным удале­нием соли 88. Выгрузка соли со дна чрена в солесборники произво­дится при помощи скребков и проволочных щеток, укрепленных на мешалке, вращающейся со скоростью 2-3 об/мин. Отфугованную соль с 5-6% влаги направляют по транспортеру на склад или во вращающуюся барабанную сушилку. Выпарной чрен изготовляют из стальных листов толщиной 6-7 мм. Он имеет диаметр 10 м и высоту борта 0,5 м, сверху покрыт деревянным колпаком, снаб­женным двумя вытяжными трубами высотой 10 м для отвода пара и люками, служащими для наблюдения за работой мешалки и для ремонта чрена. Благодаря непрерывному удалению солей со дна чрена образование чренного камня происходит значительно мед­леннее, и длительность работы чрена между остановками для чистки достигает 30 суток, т. е. в 3 раза больше, чем при выварке соли в иемеханизированных чренах.

Как добыть соль из морской воды? На протяжении веков этот вопрос ставил в тупик моряков, блуждающих по морям, и учеников, точно так же блуждающих по ярмаркам научных проектов. Ответ прост: испарение. Когда вы заставляете морскую воду испаряться (естественным путем или искусственно разогревая ее), в пар превращается одна лишь вода, а соль остается. Обладая этим знанием, довольно легко отделить соль от воды с помощью простых материалов, которые, возможно, уже есть у вас дома.

Шаги

Как провести базовый эксперимент по испарению воды

Нагрейте воду и добавьте в нее соли, чтобы получить соленую воду. С помощью этого простого эксперимента легко увидеть принципы испарения в действии. Для начала вам понадобится обычная мелкая столовая соль, вода из-под крана, сковорода, немного черного строительного картона и плита. Налейте несколько чашек воды в сковороду и поставьте ее на зажженную горелку. Подождите, пока вода нагреется: ей необязательно закипать, просто, чем она горячее, тем быстрее в ней будет растворяться соль.

Добавляйте соль, пока она не перестанет растворяться. Продолжайте сыпать ее по чайной ложке и размешивать. В конце концов, вы достигнете того состояния воды, когда она больше не сможет растворять соль, какой бы горячей она ни была. Это называется линией насыщения воды. Выключите горелку и дайте воде слегка остыть.

Налейте столовой ложкой воду на темный строительный картон. С помощью черпака или столовой ложки вылейте немного соленой воды на кусок темного строительного картона. Заранее положите этот кусок на тарелку, чтобы не намочить рабочую поверхность или стол. Все, что вам нужно теперь – это ждать, пока вода не испарится. Этот процесс будет происходить быстрее, если оставить картон на солнечном свету.

Подождите, пока сформируется соль. По мере выпаривания вода будет оставлять после себя миниатюрные кристаллы соли. Они должны выглядеть как маленькие блестящие белые или прозрачные хлопья на поверхности картона. Поздравляем! Вы только что отделили соль от воды.

• Спокойно соскребите себе немного соли с бумаги, чтобы приправить еду: она должна быть совершенно безопасна и пригодна к употреблению в пищу. Но следите за тем, чтобы не соскрести вместе с ней и частички бумаги себе в еду!

Как сделать дистиллятор

1. Начните с кипячения ковшика соленой воды. Простой эксперимент, описанный выше, показывает, как добыть соль из воды, но что, если вы хотите получить еще и менее соленую воду? Дистилляция – вот ответ. Дистилляция – это процесс нагревания воды для ее отделения от других растворенных в ней химикатов, затем – сбор конденсата, который должен быть относительно "чист". В этом случае мы начнем с того, что сделаем несколько чашек соленой воды (читайте выше, как) и закипятим их на плите.

2. Прикройте ковшик крышкой, но не полностью. Далее, найдите крышку для своего ковшика (она необязательно должна идеально подходить). Положите крышку так, чтобы какая-то ее часть свисала с ковшика и находилась ниже всех остальных частей. Наблюдайте за тем, как на крышке начинает формироваться конденсат, а затем капать с нее.

   • По мере кипения соленой воды сама вода (без соли) будет превращаться в пар и подниматься из ковшика. Сталкиваясь с крышкой, пар будет слегка остужаться и формировать жидкий конденсат (воду) на нижней части крышки. Эта вода не содержит соль, так что все, что нам остается – это собрать очищенную от соли воду.

3. Дайте воде накопиться в миске. Так как вода бежит вниз, конденсат с внутренней стороны крышки будет естественным образом собираться в ее нижней точке. Как только его соберется достаточно, он начнет формироваться в капли и падать вниз. Поставьте под эту точку миску, чтобы поймать капли дистиллированной воды.

   • Если хотите, можете спустить от нижней точки крышки в миску длинный, узкий металлический или стеклянный объект (вроде стеклянной палочки для помешивания или термометра): тогда вода будет сбегать по нему прямо в емкость.

4. Если нужно, повторите предыдущий шаг. Чем дольше кипит вода в ковшике, тем больше дистиллированной воды должно собраться в миске. Эта вода будет лишена большей части соли. Тем не менее, в некоторых случаях небольшое количество соли все же останется. Тогда вам может понадобиться двойная дистилляция: кипячение уже собранной в миску воды для удаления остатков соли.

   • Технически эта вода должна быть пригодна для питья. Тем не менее, если вы не уверены в том, что крышка от ковшика и миска для сбора воды (и металлическая или стеклянная палочка для ее стока, если вы ею пользовались) были чистыми, не стоит ее пить.