Выпаривание.

Выпаривание представляет собой процесс концентрирования раствора нелетучих веществ путем испарения жидкого летучего растворителя. Часто это необходимо для повышения скорости последующих химических превращений за счет увеличения концентрации растворенного вещества, а также для удешевления и облегчения транспортировки и хранения готовой продукции. 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.

В химической промышленности выпаривание широко применяется для концентрирования водных растворов щелочей и солей (едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др.), а также высококипящих жидкостей, обладающих, как и твердые тела, при температуре выпаривания малым давлением пара (глицерин, серная кислота и т. п.). Широкое применение выпаривание получило в пищевой, целлюлозно-бумажной, фармацевтической промышленности и в цветной металлургии. Применяют выпаривание и для опреснения морской воды.

Физическая сущность выпаривания заключается в превращении растворителя в пар при кипении раствора и удалении образующегося пара. Переход жидкости в пар может происходить при любой температуре, поэтому следует различать испарение и кипение.

Испарение происходит только с поверхности жидкости и при любой температуре ниже температуры кипения, при любой низкой упругости пара. При этом необходимо, чтобы упругость пара была больше его парциального давления в окружающем пространстве. С повышением температуры жидкости увеличивается упругость ее паров. Когда упругость паров становится равной внешнему давлению, жидкость кипит. Парообразование при кипении происходит по всей массе жидкости и является более интенсивным процессом, чем испарение. Поэтому выпаривание проводят в условиях кипения, а не испарения.

Источником тепловой энергии при выпаривании могут служить любые теплоносители, хотя чаще всего используется насыщенный водяной пар, который называют греющим, или первичным. Греющий пар отдает тепло выпариваемому раствору через стенку («глухой» пар). Пар, образующийся при кипении выпариваемого раствора, называют вторичным.

В зависимости от свойств выпариваемого раствора и дальнейшего использования тепла вторичного пара выпаривание производят как при атмосферным давлением, так и при давлениях выше (избыточном) или ниже атмосферного (вакуум). Самым простым способом является выпаривание под атмосферным давлением, но образующийся при этом вторичный пар не используется, а удаляется в атмосферу. Вторичный пар, отбираемый на сторону вне целей выпаривания, называют экстра-паром.

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, что очень важно при выпаривании растворов, чувствительных к высоким температурам, а также высококипящих растворов, когда температура греющего агента не позволяет вести процесс при атмосферном давлении;

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 (см. многокорпусное выпаривание).

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.

Схема материальных потоков в выпарном аппарате представлена на рис. 1.1.