В чем выпаривают растворы в химии

9.3. Выпаривание и концентрирование растворов. Часть 1

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 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)

Рекомендуют так же устанавливать снаружи вокруг верхней части чашки или стакан с выпариваемым раствором кольцевой нагреватель в виде стеклянной трубки с нихромовой электрической спиралью.

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)

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.

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).

Источник

Процесс выпаривания. Типы выпарных аппаратов

Процесс выпаривания

Выпаривание – это концентрация раствора какого-либо нелетучего твердого вещества. Этот процесс происходит при обязательном условии кипения жидкости, когда растворитель начинает частично испаряться.

Выпаривание используют для того, чтобы иметь возможность провести дистилляцию (выделить растворенные вещества), кристаллизацию (нелетучие вещества выделяются в твердом состоянии) или концентрацию растворов нелетучих веществ.

Ярким примером выпаривания, когда из раствора выделяется чистый растворитель, является приведение к пресному состоянию морской воды. В этом случае получившийся водяной пар конденсируют и такую воду впоследствии применяют для разных целей.

Для того чтобы выпариваемые растворы нагревались до кипения, пользуются следующими способами:

Водяной пар является самым популярным вариантом за счет своих высоких характеристик удельной теплоты конденсации и коэффициента теплоотдачи.

Выпаривание обычно осуществляют в специальном выпаривающем оборудовании, которое имеет свои виды по принципу действия.

Выпарные аппараты делятся на:

Однако в химической технологии не меньшей востребованностью пользуются и выпаривающие агрегаты поверхностного варианта, в частности, вертикальные трубчатые, отличающиеся непрерывным действием парового обогрева.

Выпарное оборудование также делят на несколько видов по принципу движения в них кипящей жидкости:

Аппарат с естественной циркуляцией, который имеет трубу вскипания и вынесенную нагревающую камеру. В данном приборе раствор циркулирует из-за разницы показателей плотности в отдельных местах аппарата. Раствор, подвергаемый выпариванию, нагревается, поднимаясь по трубам, и вскипает по мере своего подъема. Образовавшуюся смесь пара и жидкости определяют в специальный разделитель (сепаратор), где и проводят отделение паровой и жидкой фаз друг от друга.

При этом высота пространства, где образуется пар, обязательно должна удовлетворять условиям прохождения полной сепарации капель жидкости из пара, которые потом выбрасываются через кипятильные трубы. Далее вторичный пар снова пропускают через сепаратор и освобождают брызгоотделитель от капель, а сам раствор по циркуляционной трубе возвращается в нагревающую камеру.

В подобных аппаратах легче всего проходит очищение поверхности от разного рода отложений, потому что за счет открытой верхней крышки нагревающей камеры упрощается доступ к трубам.

Условия для особо активной циркуляции раствора создаются за счет того, что сама циркуляционная труба практически не нагревается, а плотность раствора в выносной циркуляционной трубе намного больше, чем в прочих циркуляционных трубах, которые размещены в нагревающих камерах. Это не дает образовываться на поверхности отложениям и обеспечивает относительно большую скорость циркуляции раствора.

Чтобы более детально понять, как происходит процесс выпаривания, имеет смысл рассмотреть, как устроены выпарные аппараты:

Все варианты конструкций выпарного оборудования, которое находит применение в промышленности, классифицируют:

Однако более важным признаком для классификации всех выпарных аппаратов, считают кратность и вид циркуляции раствора, поскольку именно эти показатели лучше всего характеризуют интенсивность их работы.

В связи с этим выпарное оборудование делят на подвиды:

Самыми распространенными, считаются конструкции следующего оборудования:

Аппараты, имеющие центральную циркуляционную трубу и внутреннюю нагревательную камеру.

В нижнем отсеке вертикального корпуса агрегата есть специальная нагревательная камера. Она включает в себя циркуляционную трубу внушительного диаметра, которую устанавливают по оси камеры, и две трубные решетки, в которых закрепляют часто развальцованные кипятильные трубы примерной длинной 3-4 м. В пространство между нагревательной камерой и трубой подают горячий пар.

Раствор попадает в аппарат над решеткой верхней трубы и опускается вниз по циркуляционной трубе, а потом идет вверх по кипятильным трубам и вскипает на расстоянии от их нижних краев. Вот почему почти по всей длине труб смесь жидкости и пара идет вверх, наращивая содержание пара по мере движения.

Далее вторичный пар подается в сепарационное поле, где брызгоуловитель меняет направление потока пара, и от него, за счет действия сил инерции, отделяется унесенная влага. Затем вторичный пар удаляют через специальный штуцер вверху прибора, а упаренный раствор поступает в коническое дно аппарата, где его убирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Циркуляция раствора в подобном агрегате идет из-за разности его плотности в циркуляционной трубе и смеси жидкости и пара в кипятильных трубах. Необходимая разность плотностей объясняется тем, что поверхность обмена теплом каждой из кипятильных труб в соотношении с единицей объема упаренного раствора, намного превышает аналог циркуляционной трубы. Это происходит за счет того, что поверхность трубы имеет линейную зависимость от диаметра, а объем в ней жидкости прямо пропорционален квадрату диаметра. Вот и получается, что образование пара в кипятильных трубах должно проходить намного интенсивней, чем в циркуляционных аналогах, а вот плотность раствора в них становится ниже, чем в этом виде трубы.

Как результат происходит естественная циркуляция, которая улучшает передачу тепла и не дает накипи образовываться на поверхности при теплообмене.

В приборах такой конфигурации циркуляционная труба нагревается паром, как и кипятильная, а это уменьшает разность смеси жидкости и пара и плотностей раствора, что может привести к нежелательному образованию пара в циркуляционной трубе. Существенным недостатком таких аппаратов также является и жесткое крепление труб, которое не дает увеличить разность корпуса прибора и тепловых удлинений труб.

Агрегаты с выносной нагревательной камерой

При условии расположения нагревательной камеры не внутри, а вне корпуса прибора, появляется возможность увеличения интенсивности процесса выпаривания за счет повышения длины кипятильных труб, а также посредством увеличения разницы плотностей смеси жидкости и пара и жидкости в циркуляционном контуре.

Аппарат, имеющий выносную нагревательную камеру, содержит кипятильные трубы длиной до 7 м. Его работа при естественной интенсивной циркуляции объясняется тем, что сама циркуляционная труба не подвергается нагреву, а опускной и подъемный отсеки циркуляционного контура отличаются достаточно приличной высотой.

Выносную нагревательную камеру можно быстро отделить от корпуса прибора, это помогает облегчить ее ремонт и ускорить процесс ее чистки. Ремонт и проверку нагревательной камеры с легкостью проводят с помощью присоединения к корпусу двух нагревательных камер, не совершая при этом полную остановку агрегата (в этом случае лишь чуть-чуть временно снижается его производительность).

Начальный раствор подают под нижнюю решетку трубы нагревательной камеры, где он поднимается по кипятильным трубам и выпаривается, но иногда раствор подают сразу в циркуляционную трубу. Вторичный пар и жидкость разделяют в сепараторе, жидкость спускается по циркуляционной трубе, которая не подвергается обогреванию и перемешивается с начальным раствором, затем весь круг циркуляции происходит заново. Вторичный пар проходит через брызгоуловитель, и его убирают через верхнюю часть сепаратора, а упаренный раствор забирают через нижний штуцер как конечный или промежуточный результат.

Скорость циркуляции в оборудовании с выносной нагревательной камерой, порой, достигает до 1.5 м/с, поскольку это позволяет выпаривать кристаллизующиеся и концентрированные растворы, нисколько не боясь, что поверхность теплообмена быстро загрязнится.

Из-за своей гибкой универсальности, хорошей передаче тепла и удобству в использовании, хорошей теплопередачи именно такие приборы заслуженно получили широкое применение и большую популярность.

В некоторых видах конфигурации приборов с выносной нагревательной камерой нет циркуляционной трубы, и тогда они становятся аналогами прямоточных аппаратов с удаленной циркуляционной трубой. В таких условиях процесс выпаривания протекает за один прогон раствора сквозь нагревательную камеру. Однако с помощью выпарных аппаратов прямоточного вида не получится выпаривать кристаллизирующиеся растворы.

Приборы с выносными циркуляционными трубами

При использовании выпарных аппаратов с естественной циркуляцией раствора, ее можно усилить, если в опускном отсеке циркуляционного контура, сам раствор охлаждать. За счет таких манипуляций существенно увеличивается показатель скорости естественной циркуляции в данных аппаратах. Если циркуляционные трубы располагаются вне корпуса аппарата, то можно уменьшить диаметр нагревательной камеры в соотношении с камерой самого прибора, а также более компактно разместить циркуляционные трубы по периметру нагревательной камеры.

Конфигурации подобных аппаратов более сложны, однако в них можно получить более интенсивную передачу тепла и уменьшить расход металла на нагревательной поверхности, что намного целесообразнее, к примеру, в сравнении с приборами, в которых используется центральная циркуляционная труба или подвесная нагревательная камера.

Вертикальные агрегаты для выпаривания с естественно-направленной циркуляцией

С помощью приборов этого варианта, процесс выпаривания происходит при естественной и многократной циркуляции раствора. Эти аппараты имеют ряд преимуществ перед аппаратами других конфигураций, а потому и получили широкое применение в промышленности.

Главным плюсом подобного оборудования для выпаривания считается улучшение процента отдачи тепла в соотношении с раствором при его многократной циркуляции в замкнутом контуре, что сильно снижает отложение накипи на трубах. За счет того, что такие аппараты компактны, они занимают совсем мало производственного места и тем самым более удобны для проверки или ремонта. Развитие конфигурации подобных приборов происходит в области усиления естественной циркуляции, а это становится возможным с помощью увеличения разницы веса между смесью пара и жидкости в подъемном отсеке контура и столбов жидкости в опускной трубе.

Такую разницу достигают с помощью следующих мер:

Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения

В аппаратах с естественной циркуляцией раствор движется со скоростью 0.2-1.5 м/с и, по этой причине становится невозможным предотвратить отложение на поверхности, где происходит теплообмен, твердых осадков. Именно поэтому аппарат приходится иногда останавливать для его очистки, а это значит, что снижается производительность прибора и растет стоимость использования.

В процессе выпаривания кристаллизирующихся растворов, загрязнение поверхности, на которой происходит теплообмен, можно значительно уменьшить, если повысить скорость циркуляции раствора и вынести зону его кипения за нагревательную камеру.

В приборе, где зона кипения вынесена, выпариваемый раствор проходит в нагревательную камеру снизу и когда поднимается по трубам вверх, он не закипает, за счет гидростатического давления. Выходя из кипятильных труб, он попадает в трубу вскипания в нижней части разделителя над нагревательной камерой. Из-за пониженного давления в данной трубе раствор вскипает и получается, что весь процесс образования пара протекает вне пределов нагрева.

Далее циркулирующий раствор спускается по наружной трубе, не подверженной нагреву, а упаренный раствор отводится из специального кармана в нижнем отсеке сепаратора. Вторичный пар проходит отбойник, брызгоуловитель и, его удаляют с поверхности аппарата. Затем исходный раствор поступает в нижний отсек аппарата под решетку трубы нагревательной камеры, или в саму циркуляционную трубу сверху.

Кипящий раствор в этом случае не имеет точек соприкосновения с поверхностью, где происходит теплообмен, что снижает отложение накипи, а из-за широкой поверхности испарения, которая получается за счет объема кипящего раствора и некоторого самостоятельного испарения капель, уносимых с вторичным паром, намного снижается брызгоунос.

Из-за большого перепада температур между раствором и нагревающим паром, а также небольшого снижения напора в области кипения, скорость циркуляции в таких аппаратах развивается до 1.8-2 м/с. Подобный рост скорости увеличивает производительность и интенсивность теплообмена, что отражают коэффициенты теплопередачи. В таком оборудовании они имеют величину дот 3000 вт/.

Приборы для выпаривания с вынесенной зоной кипения эффективно применяют при выпаривании кристаллизующихся растворов с умеренной вязкостью.

Где применяют выпарные аппараты:

Конфигурация выпарного аппарата должна соответствовать установленным требованиям и иметь:

Выбор материала выпарного прибора и его конфигурации также определяется в каждом индивидуальном случае химическими и физическими свойствами самого выпариваемого раствора:

Высокие показатели коэффициентов теплопередачи и производительности получают за счет повышения скорости циркуляции раствора, но в качестве побочного эффекта увеличивается расход энергии на процесс выпаривания и снижается необходимая разность температур, поскольку при постоянном режиме температуры нагревающего пара с одновременным ростом гидравлического сопротивления, растет и температура кипения раствора. И эти противоречия должны обязательно учитываться при экономическом и техническом сравнении при выборе типа аппарата.

При проведении выпаривания растворов с маленькой вязкостью (

Лучшими из них себя зарекомендовали приборы с выносными циркуляционными трубами, которые не обогревают, и такого же типа нагревательной камерой.

Выпаривание растворов без получения кристаллов с большой вязкостью (до

0.1 Па), обычно проводят в оборудовании с принудительной циркуляцией и чуть реже – в роторных аппаратах прямоточного типа или варианте аналогичных приборов с падающей плёнкой.

В роторных аппаратах прямоточного типа образуются более благоприятные обстоятельства для выпаривания растворов, которые имеют особую чувствительность к высоким температурам.

Приборы для выпаривания с принудительной циркуляцией чаще всего применяются для выпаривания вязких растворов или получения кристаллов. Такие растворы имеют достаточную эффективность выпаривания и в приборах с вынесенной зоной кипения, которые работают в условиях естественной циркуляции. Подобные аппараты при получении кристаллов из кристаллизирующихся растворов, могут составить достойную конкуренцию выпарному оборудованию с циркуляцией принудительного типа.

Если же растворы сильно пенятся, имеет смысл использовать приборы для выпаривания с поднимающейся пленкой.

Источник

Шпаргалка: Процесс выпаривания растворов

1. Выпаривание, способы выпаривания, общие сведения

Процесс выпаривания применяют как для частичного удаления растворителя, так и для полного разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В последнем случае выпаривание сопровождается кристаллизацией.

Физическая сущность: превращение растворителя в пар при кипении раствора и удалении образующегося пара.

Выпаривание под избыточным давлением позволяет использовать тепло вторичного пара, но обусловливает повышение температуры кипения раствора и, следовательно, требует применения греющего агента с более высокой температурой. Поэтому данный способ следует применять для выпаривания растворов не чувствительных к высоким температурам.

Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с двумя рассмотренными выше способами:

а) позволяет снизить температуру кипения раствора (выпаривание растворов, чувствительных к высоким температурам, а также высококипящих растворов);

б) при вакууме увеличивается разность температур между греющим агентом и кипящим раствором, что, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить поверхность теплообмена аппарата;

в) за счет понижения температуры кипения раствора при разрежении можно использовать греющий агент более низких рабочих параметров (температуры и давления);

г) можно использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, что значительно снижает расход первичного греющего пара.

В химической технике выпаривание осуществляют либо в одном аппарате (однокорпусное выпаривание ), либо в нескольких последовательно соединенных между собой аппаратах (многокорпусное выпаривание ). Применяется также однокорпусное выпаривание с тепловым насосом.

2. Однокорпусные выпарные установки, материальный и тепловой балансы

При однокорпусном выпаривании раствор выпаривается от исходной до конечной концентрации в одном и том же аппарате. Однокорпусное выпаривание применяют либо в небольших по масштабу производствах, либо при агрессивных растворах, требующих для изготовления аппарата дефицитных материалов, либо если экономия пара не имеет существенного значения.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно объединить в три группы:

с естественной циркуляцией раствора;

с принудительной циркуляцией раствора (при выпаривании вязких растворов);

пленочные аппараты (для выпарки чистых некристаллизующихся растворов и растворов, чувствительных к высоким температурам).

Греющий пар для облегчения чистки поверхности нагрева от накипи (во всех конструкциях выпарных аппаратов) подается в межтрубное пространство греющей камеры 1. Конденсат отводится снизу камеры. Выпариваемый раствор, предварительно нагретый до температуры кипения в выносном теплообменнике, поступает в пространство над трубками 3 и опускается по циркуляционной трубе 4 вниз. Затем, поднимаясь

по греющим трубкам, раствор вскипает. Отделение вторичного пара от раствора происходит в сепарационной части аппарата 2. Для более полного отделения пара от брызг и капель предусмотренбрызгоотделитель (каплеотбойник) 5. Очищенный вторичный пар удаляется сверху сепаратора.

Вследствие разности плотности раствора в циркуляционной трубе ипарожидкостной эмульсии в греющих трубках раствор циркулирует по замкнутому контуру (естественная циркуляция). Возникновение достаточной разности плотностей при этом обусловлено тем, что на единицу объема раствора в трубке приходится большая поверхность, чем в циркуляционной трубе, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем раствора в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Значит, парообразование в греющих трубках должно протекать интенсивнее, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в циркуляционной трубе. Упаренный раствор удаляется из нижней части аппарата.

Тепловой баланс однокорпусного выпаривания.

Согласно схеме тепло в аппарат вносится:

Тепло из аппарата уносится:

с конденсатом греющего пара Q₅ =Dct_кон ;

при концентрировании раствора Q_к ;

Уравнение теплового баланса принимает вид

Рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаренного растворителя, частное уравнение теплового баланса смешения при постоянной температуре кипения t_к раствора (температура упаренного раствора равна t_к ) в аппарате можно записать:

Подставляя правую часть уравнения (2) в уравнение (1), получим

Величина Qп в выпарных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3-5% полезно используемого тепла. Если раствор поступает в аппарат предварительно нагретый до температуры кипения, т.е. tн=·tк, то, пренебрегая суммой Qк+ Qп, получим из уравнения (4)

3. Выпарные аппараты, конструкции, интенсификация процессов выпаривания

Триосн. Направления интенсификации:

4. Движущая сила выпаривания, температурные потери, схема передачи тепла в выпарных установках

Разность температур между греющим и вторичным паром в выпарном аппарате называют общей или располагаемой разностью температур. Общая разность температур Δt_общ в многокорпусной выпарной установке определяется разностью между температурой Т₁ греющего пара в первом корпусе и температурой Т_к вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в конденсатор, т.е.

Полезная разность температур Δt_пол в выпарном аппарате меньше общей разности температур на величину температурных потерь:

Температурные потери при выпаривании обусловлены следующими причинами:

Полная депрессия в аппарате ΣΔ равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессии

5. Прямо и противоточные выпарные установки, явление самоиспаренияи

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаимному направлению движения греющего пара и выспариваемого раствора.

В прямоточной установке, ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис 2), применяются также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях. Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т.д., причем из первого корпуса удаляется окончательно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса используется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

6. Материальный и тепловой балансы МВУ

Расход свежего (первичного) пара d₁ кг/сек, его энтальпия I_Г1 кдж/кг и температура θ₁ °C.

Уравнения тепловых балансов корпусов:

7. Общая полезная разность температур и распределение по корпусам

Складывая полезные разности температур отдельных корпусов, получим или:

б) Оценим распределение общей полезной разности температур при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов.

При минимальной суммарной теплопередающей поверхности в каждом отдельном корпусе поверхность теплообмена будет различной. Различие поверхностей корпусов удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Этот вариант рационален только при изготовлении выпарных аппаратов из дефицитных, дорогостоящих и коррозионностойких материалов.

8. Общая характеристика массообменных процессов, массоотдача и массопередача (аналогия с теплопередачей)

В химической технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, которые характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. С помощью таких процессов можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и т.п.). Причем наиболее часто процессы массопередачи используются для разделения гомогенных систем.

Перенос компонента, совершающийся в пределах фазы, и направленный либо из фазы к межфазной поверхности, либо от межфазной поверхности вглубь фазы, называется массоотдачей (по аналогии с теплоотдачей). А перенос компонента из данной фазы в смежную фазу называют массопередачей. При этом совершается перенос компонента через межфазную поверхность. Поэтому массопередачу можно рассматривать как состоящую в общем случае из следующих основных стадий: из двух стадий массоотдачи и находящейся между ними стадии передачи компонента через межфазную поверхность. В некоторых процессах одна из стадий массоотдачи может отсутствовать, например при кристаллизации.

Перенос компонентов в фазах осуществляется диффузией, поэтому промышленные массообменные процессы иногда называют диффузионными. Совокупность значений концентрации с какого-либо компонента во всех точках фазы называется полем концентрации этого компонента в данной фазе.

В промышленности используются, в основном, следующие процессы массопередачи.

9. Движущая сила МОП, способы выражения сотавов фаз

Составы жидкой и газовой фаз могут быть выражены в мольных или

массовых соотношениях. Наиболее распространены следующие способы выражения состава:

массовая объемная концентрация;

массовая относительная концентрация;

10. Статика МОП, фазовые диаграммы

Правило фаз Гиббса:Ф+C=K+2. Оно указывает число параметров, которое можно менять произвольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена. Применим это правило к реальным процессам:

В расчётах по массопередаче используют зависимости давления от концентрации (при t=const), температуры от концентрации (P=const) и между равновесными концентрациями фаз:

а) P=const, t=const б) P=const

11. Линия равновесия, уравнение линии равновесия, системы газ-жидкость, пар-жидкость

При равновесии достигается определенная зависимость между предельными (равновесными) концентрациями и концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе. И наоборот. В общем виде это представляет собой зависимость.

Эта зависимость в графическом виде называется линией равновесия, которая является либо прямой либо кривой.

а) система газ-жидкость, P=const, t=constб) система пар-жидкость P=const

12. Законы Дальтона, Генри, Рауля, идеальные и неидеальные системы

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной.

Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе, т.е.

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона:

m_A является коэффициентом распределения или константой фазового равновесия.

Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов делятся, на идеальные и неидеальные. Неидеальные смеси можно подразделить на смеси с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Идеальные растворы следуют законам Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси по закону Рауля.

Для ряда смесей отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе подобные смеси имеют постоянную температуру кипения, которая может быть максимальной или минимальной. При этой температуре, согласно общему закону Коновалова, состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (у=х). Такие смеси называются азеотропными, или нераздельно кипящими.

13. Классификация массообменных аппаратов

В основу классификации массообменных аппаратов положен принцип образования межфазной поверхности:

1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта (насадочные и пленочные аппараты, а также аппараты (для сушки, с псевдоожижением), в которых осуществляется взаимодействие газа (жидкости) с твердой фазой);

3) аппараты с внешним подводом энергии (аппараты с мешалками, пульсационные аппараты, вибрационные роторные аппараты и др.)

14. Материальный баланс МОП

Для текущей концентрации:

уравнение рабочей линии процесса

15. Уравнение линий рабочих концентраций, рабочие линии, направление МОП

Решая, получим:

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного в фазу, в которое концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса вещества определяется по линии равновесия и рабочей линии.

16. Кинетика МОП, молекулярная и конвективная диффузия, градиент концентраций

Перенос вещества внутри фазы: молекулярная диффузия, либо молекулярная+конвективная.

Молекулярная диффузия-перенос распределяемого вещества, обусловленный тепловым движением. Описывается первым законом Фика:

Масса вещества, придифундировавшая за время dtчерез элементарную поверхность dt, пропорциональная градиенту концентрации этого вещества:

dM=-D dFdt (dc/dx) =-D dFdt grad c.

D-коэффициент молекулярной диффузии.

Конвективная диффузия-перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии.

МD (x) =-D dzdydt grad c

Аналогично по yи z

МК (x+dx) = [w_x C+] dzdydt

Суммируем по трем осям

dM=dTdVв результате решения:

-уравнение конвективной диффузии

17. Модели массопереноса

1. Общее сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из сопротивления двух фаз

2. На поверхности фазы находятся в равновесии, равновесие на границе фаз устанавливается быстрее изменения средней концентрации в ядре фазы.

18. Уравнение массопередачи, движущая сила

19. Основы расчета массообменной аппаратуры, расчет диаметра и высоты массообменного аппарата

Высота массообменного аппарат определяется в зависимости от типа контакта фаз.

Высота аппаратов со ступенчатым контактом. Для определения числа ступеней используют графические и аналитические методы. Рабочую высоту аппарата находят через число действительных ступеней, пользуясь зависимостью: H=n_д h (h-расстояние между ступенями).

20. Определение коэффициента массопередачи

Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений

При кривой линии равновесия mи коэффициенты Kизменяются по длине аппарата. В этом случае при расчете его обычно разбивают на участки, в пределах каждого из которых mпринимают постоянной величиной и используют среднее для всего аппарата значение K.

21. Определение движущей силы МОП, ЧЕП, ВЕП

Определение средней движущей силы процесса массопередаче

Упрощенный граф. метод.

Высота единиц переноса.

ВЕП обратна пропорциональна объемному коэффициенту массопередачи.

Существуют графические и аналитические методы.

Метод кинетической кривой.

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

Определение числа теоретических тарелок.

КПД зависит от скорости движения фаз, перемешивания, направления движения, физ. свойств фаз.

23. Метод кинетической кривой

Делят их в отношении к-та извлечения E_y

Нt учитывается влияние перемешивание.

При E_y =1кинетическая кривая совмещена с кривой равновесия.

24. Абсорбция, общие сведения, типы абсорберов, насадки, требования к насадкам и абсорбентам, гидродинамические режимы работы абсорберов

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. В случае образования химического соединения между абсорбтивом и абсорбентом процесс называется хемосорбцией.

Абсорбционные процессы широко распространенны в химической технологии, например: поглощение водой серного ангидрида, хлористого водорода и двуокиси азота с образованием соответствующих серной, соляной и азотной кислот; поглощение паров бензола в коксохимическом производстве, поглощение компонентов природного и попутного газов в нефтехимии и нефтепереработке и т.д.

По способу создания этой поверхности абсорберы условно делят на следующие группы:

1. Поверхностные и пленочные.

3. Барботажные (тарельчатые).

Требования к насадкам:

обладать большой поверхностью в единице объема (удельной поверхностью);

хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

оказывать малое гидравлическое сопротивление потоку газа;

равномерно распределять орошающую жидкость;

быть стойкой к химическому воздействию среды в колонне;

иметь малый насыпной вес;

обладать высокой механической прочностью;

быть достаточно дешевой.

подвисание. В режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения и брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Это способствует увеличению интенсивности массообмена. Этот режим заканчивается в переходной точке В.

Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает, что характеризуется отрезком ВС

25. Статика процесса абсорбции, влияние температуры и давления на процесс абсорбции

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, от общего давления, температуры и парциального давления распределяемого компонента.

Для случая бинарной газовой смеси, состоящей из распределяемого компонента А и газа-носителя В, взаимодействуют две фазы и три компонента. Поэтому по правилу фаз число степеней свободы будет равно

Это значит, что для данной системы газ-жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах.

Следовательно, при постоянных температуре и общем давлении зависимость между концентрациями в жидкой и газовой фазах будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление газа над раствором пропорционально мольной доле этого газа в растворе.

,

Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы газа и поглотителя и от температуры, но не зависят от общего давления.

Зависимость константы Генри от температуры выражается уравнением

,

Для идеальных растворов связь между мольными долями компонента в газе и в растворе можно оценить по закону Дальтона,

Тогда уравнение равновесия примет вид

ma-коэффициент распределения или константа фазового равновесия.

26. Материальный баланс абсорбции, влияние удельного расхода абсорбента на размеры аппаратов

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого компонента в относительных единицах.

Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

Увеличение удельного расхода ведет к снижению высоты аппарата и увеличению его диаметра. Оптимальный удельный расход определяется технико-экономическим расчетом.

27. Скорость процесса абсорбции

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнением:

Мольные концентрации газовой фазы можно заменить парциальными давлениями газа в долях общего давления: М=К_Х FΔp_ср

28. Схемы абсорбционных установок

29. Перегонка жидкостей, общие сведения

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка. В широком смысле перегонка представляет процесс частичного испарения и последующей конденсации образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате получается жидкость, состав которой существенно отличается от исходной смеси.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.

Степень обогащения паровой фазы НКК при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки:

а) простая перегонка, или дистилляция;

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для смесей, летучести компонентов которых существенно различаются. Обычно ее используют для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.

30. Классификация бинарных систем, фазовые диаграмма P=f (x); t-x,y; y-x, азеотропные смеси

Ограниченно растворимые друг в друге

31. Простая перегонка, перегонка с дефлегмацией, материальный баланс

Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляется периодическим или непрерывным способом. Если процесс проводится периодически, то в ходе отгонки НКК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем изменяется и состав дистиллята, который обедняется НКК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной перегонкой.

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени содержится L кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию по НКК х. Количество НКК в жидкости в этот момент равно Lx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dτ испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе изменится на dx. При этом образуется dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у* количество НКК в паре будет dLy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L-dL) кг, а его концентрация будет (x-dx). Тогда материальный баланс по НКК выразится уравнением Lx= (L-dL) (x-dx) +dLy* Раскрывая скобки и отбрасывая бесконечно малые высших порядков, после разделения переменных получим . Это дифференциальное уравнение можно проинтегрировать в пределах от начального количества L=F до конечного L=W и при изменении концентрации НКК в кубе от xF до xW. После интегрирования получим . Средний состав получаемого дистиллята рассчитывают по уравнению материального баланса по НКК:

, откуда .

Для повышения степени разделения смеси простую перегонку осуществляют, обогащая дополнительно дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВКК и получаемая жидкость, так называемая флегма, сливается в куб. Пары, обогащенные НКК, поступают в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборники 4. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка.

32. Ректификация, принцип ректификации

В основе разделения жидких смесей летучих компонентов ректификацией используется принцип последовательно повторяющихся процессов однократного испарения. В свою очередь разделение жидких смесей однократным испарением основано на различии в летучестях компонентов (давлениях насыщенных паров чистых компонентов, взятых при одной и той же температуре). Процесс однократного испарения и принцип ректификационного разделения достаточно наглядно иллюстрируется схемами:

Источник

• ← В чем выносят кольца в загсе
• В чем выпекать бисквит для торта если нет формы →