Для подготовки маточного раствора после декомпозиции к выщелачиванию новой порции боксита из процесса должна быть выведена вода, добавленная ранее для разбавления вареной пульпы. Количество воды, которую надо выпарить, примерно соответствует разности между объемами алюминатного и оборотного растворов. Кроме сведения баланса по воде, в ходе процесса выпарки попутно решается задача очистки алюминатных растворов от примесей: соды, органики, кремнезема (гидроалюмосиликата натрия) и сульфата натрия. Сода образуется в основном в результате декаустификации щелочи карбонатами, присутствующими в боксите и извести:
RCO2 + 2NaОН ⇔ Na2CO3 + R(OH)2, R = Са2+, Mg2+, Fe2+,
а также при поглощении щелочно-алюминатным раствором углекислого газа из воздуха:
СO2возд + 2NaOHр-р → Na2CО3р-р + Н2Ор-р.
Упариванием (или выпариванием) называют процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя (воды) испарением при кипении жидкости.
Для упаривания растворов обычно используют тепло водяного пара, который называют первичным или «острым» паром. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным или паром самоиспарения. Для процесса используют выпарные аппараты (см. рис. 9.3-9.9).
В процессе выпаривания воды из маточного раствора с увеличением концентрации щелочи в растворе с 155-165 до 300-305 г/л Na2Oк кристаллизуется и выделяется в осадок сода, содосульфатные соединения и органические примеси.
Часть солей отлагается на теплообменной поверхности, тем самым резко снижая теплопередачу. Выделившиеся на греющих трубках соли периодически растворяют в слабых маточных растворах или промводах.
Растворимость соды в щелочно-алюминатных растворах резко снижается с повышением концентрации растворов. Для синтетического раствора с концентрацией ~ 300 г/л Na2O растворимость Nа2СO3 составляет ~ 8 % от Na2Oобщ(см. рис. 9.1). В производственных растворах растворимость соды выше на 1,5-2,0 %, поскольку она содержит органические примеси, повышающие вязкость растворов и мешающие отделению солей.
Органические вещества отделяют от раствора вместе с содой в составе так называемой «рыжей соды» - моногидрат соды - Nа2СO3*H2O. Органические вещества окрашивают соду в характерный рыжий цвет. Органические примеси поступают в процесс в основном с бокситом. Часть органических веществ выводится из процесса с красным шламом и при кальцинации глинозема, большая же часть их удаляется при выпарке, так как увлекается из раствора с кристаллами соды.
При переработке бокситов, содержащих серу, происходит постепенное обогащение оборотных растворов сульфатом натрия NaSO4. Растворимость сульфата натрия близка к растворимости соды - падает с ростом концентрации щелочи; на заключительной стадии выпарки создаются условия для кристаллизации содосульфатной смеси с преобладающим количеством сульфата.
При выпарке также происходит выделение кремнезема в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия, который, осаждаясь на стенках трубок, снижает коэффициент теплопередачи выпарных аппаратов. Вредное влияние кремнезема может быть в значительной степени уменьшено обескремниванием маточного раствора.
Выпарка маточных растворов проводится в многокорпусных выпарных батареях (см. рис. 9.2), работающих под вакуумом и позволяющих многократно использовать вторичный пар.
Выпарка растворов под вакуумом имеет следующие преимущества:
- снижается температура кипения раствора, что увеличивает полезную разность температур и количество тепла, идущего от греющего пара к раствору;
- вторичный пар из аппарата с повышенным давлением можно использовать как греющий в аппаратах с низким давлением и в результате уменьшить расход свежего пара;
- возможность уменьшить поверхность нагрева раствора и таким образом применять более компактные и дешевые выпарные аппараты.
К недостаткам можно отнести то, что применение вакуума увеличивает стоимость выпарной установки, т. к. требуются дополнительные затраты на устройства, обеспечивающие разрежение в системе: конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы, пароэжекторные установки, и соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы.
Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, расход свежего пара сокращается по мере увеличения числа корпусов (кратности выпарки) в батарее. Одновременно при отсутствии потерь число корпусов не влияет на производительность батареи по выпаренной воде, определяемую переданным раствору количеством тепла Q:
Q = F * k * Δt,
где F - поверхность теплообмена, м2; k - коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2*К); Δt - полезная разность температур (между t1 - температурой греющего пара и t2 - температурой раствора), °С.
Выбор t ограничивается условиями выделения гидроалюмосиликата натрия и возрастающей коррозией греющих трубок: t1 ≤ 150 °С. Выбор t2 ограничивается возрастающей с понижением температуры вязкостью раствора и затратами на создание вакуума. При разрежении в последнем корпусе 0,08 МПа t2 составляет 60 °С, что соответствует значению Δt = 150-60 = 90 °С. Однако реальное значение Δt ниже расчетного на величину полной температурной депрессии θ:
θ = θ1 + θ2 + θ3,
где θ1 - физико-химическая температурная депрессия, определяемая как разность в температурах кипения раствора и чистого растворителя при постоянном давлении; θ2 - гидростатическая депрессия, определяемая как разность в температурах кипения в верхнем и нижнем слоях раствора в выпарном аппарате; θ3 - гидравлическая депрессия, обусловленная снижением давления вторичного пара из-за гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами.
Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения воды при том же давлении называют физико-химической температурной депрессией. Величина этой депрессии (θ1) зависит от природы растворенного вещества, концентрации раствора и давления, при котором происходит его кипение. С повышением концентрации температурная депрессия возрастает; для раствора, содержащего Nа2Ообщ = 300 г/л, она достигает 15-10 °С. Таким образом, температура кипения такого раствора при атмосферном давлении равна 115-110 °С. Температура же образующегося пара практически равна температуре кипения воды, т. е. 100 °С.
Суммарная величина θ составляет величину не менее 40 °С, а оставшаяся разность температур не превышает 50 °С. Реальный удельный расход пара уменьшается с ростом выпарных аппаратов в выпарной установке до какого-то определенного предела (как правило, для отечественных заводов при значении кратности не выше 5). Поэтому с ростом числа корпусов в батарее растет величина потерь, производительность батареи снижается при одновременном увеличении капитальных затрат. Вопрос об оптимальном числе корпусов в батарее должен решаться после детальных технико-экономических расчетов, учитывающих влияние всех перечисленных выше факторов.
07.03.2019
Самая крупная перуанская металлургическая корпорация Aceros Arequipa оформила заказ у SMS group на оснащение из Германии для инновационной сталелитейной линии, её монтаж...
07.03.2019
На сегодняшний день обработка различных типов металлов под значительным давлением считается самым популярным и обоснованным в техническом плане способом создания...
07.03.2019
Создание и внедрение эффективной системы управления охраной труда осуществляется в соответствии со всеми стандартами СТБ 18001-2009 «Система управления охраной труда....
06.03.2019
Корпорация из Швейцарии Sider Alloys сделала заявление о том, что она собирается уже в следующем году восстановить деятельность единственного итальянского алюминиевого...
06.03.2019
Гофрированный картон, либо же сокращённо гофрокартон, используется с целью изготовления тары для упаковки, при этом многослойность такого материала гарантирует стойкость...
05.03.2019
Первого марта на территории сталепроволочной площадки номер два «БМЗ» управляющее предприятие «БМК» передало в использование инновационный агрегат, позволяющий...
05.03.2019
Важнейшим ультрасовременным способом изготовления продукции из железобетона считается использование виброформ. Виброформы являются одним из типов металлических форм, в...
05.03.2019
На сегодняшний день шнеками именуют рабочие элементы, которые применяются с целью комплектации разных машин и устройств. Главное предназначение подобных изделий –...
ВЫПАРИВАНИЕ, процесс частичного удаления растворителя из раствора при нагревании. Выпаривание применяют для концентрирования растворов, выделения растворённого вещества (в производстве пластмасс, солей и пр.), получения чистого растворителя (в том числе обессоленной воды для бытовых и технических нужд), концентрирования эмульсий и суспензий (в целлюлозно-бумажном производстве, при концентрировании молока и пр.). Чаще всего выпариванию подвергают водные растворы нелетучих или малолетучих веществ. Выпаривание - один из древнейших способов разделения жидких смесей с использованием теплоты; процесс, в частности, применялся в солеварнях для выделения поваренной соли из растворов.
Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего теплоносителем служит водяной пар давлением до 1,2 МПа, называемый греющим или первичным) и непрерывному удалению вторичного пара, образующегося при нагревании раствора. Движущая сила выпаривания - разность между температурами греющего пара и кипящего раствора, так называемая полезная разность температур. Она всегда меньше разности температур первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения растворителя, называемая температурной или физико-химической депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших (до 90 °С и более) значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления. 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 (так называемая гидростатическая депрессия).
Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). Выпарные аппараты для паросиловых установок, опреснительных установок атомных электростанций и холодильных агрегатов часто называют испарителями. В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпарные аппараты делятся на поверхностные (теплота передаётся от теплоносителя через стенку аппарата) и контактные (теплопередача осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителя с раствором).
Наибольшее распространение получили поверхностные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также плёночные выпарные аппараты. В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией осуществляют обычно выпаривание маловязких (вязкость до 6-8 мПа·с) ненасыщенных растворов хорошо растворимых солей. Для выпаривания растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на нагреваемой поверхности значительный слой накипи, а также при опреснении морской воды применяют выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения, в которых над греющей камерой установлена дополнительная труба, обеспечивающая естественную циркуляцию. Для выпаривания сравнительно вязких (до 1 Па·с) продуктов применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой насосом.
Вертикальные плёночные выпарные аппараты используют для выпаривания сильно пенящихся, термочувствительных продуктов (например, в производстве дрожжей, фруктовых соков, антибиотиков, растворимого кофе); концентрирование в этих аппаратах происходит в результате однократного движения тонкого слоя (плёнки) раствора вместе с вторичным паром вдоль трубок длиной 6-8 м. Достоинства таких выпарных аппаратов - малый объём жидкости в аппарате и малая продолжительность контакта выпариваемого продукта с нагреваемой поверхностью при большой производительности аппарата. Очень вязкие (до 20 Па·с) термочувствительные вещества (например, карбамид, капролактам) концентрируют в роторных выпарных аппаратах, в которых раствор перемещается («размазывается») скребками ротора по поверхности теплообмена в виде тонкой турбулизованной плёнки. В результате получают пастообразные продукты. Возможно выпаривание до сухого остатка.
Контактные выпарные аппараты с погружным горением, обогреваемые барботирующими через раствор дымовыми газами, используют для выпаривания химически агрессивных высококипящих растворов.
В одиночных аппаратах непрерывного и периодического действия перерабатывают сравнительно небольшие количества растворов, например в производстве особо чистой поваренной соли, а также томатных паст, сгущённого молока. Выпаривание растворов, характеризующихся небольшими значениями температурной депрессии (до 20 °С), осуществляют в одиночных выпарных аппаратах с тепловым насосом; вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором для повышения температуры до температуры греющего пара. Для уменьшения расхода греющего пара широко применяют многоступенчатые (многокорпусные) установки непрерывного действия, состоящие из ряда последовательно соединённых аппаратов, работающих при постепенно снижающемся давлении. Первичным паром обогревается только первый корпус, а каждый последующий - вторичным паром предыдущего. Разновидность многоступенчатых выпарных установок - установки мгновенного вскипания. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых (2-3 °С) значениях полезной разности температур и полностью исключает перегрев раствора. В установках мгновенного вскипания осуществляют выпаривание растворов с малой температурной депрессией при невысокой степени их концентрирования, например при опреснении морской воды.
Выпаривание используется в химической, пищевой и других отраслях промышленности, при подготовке воды из природных источников для питания испарителей-кипятильников. Многокорпусные выпарные установки применяются для обработки промышленных стоков.
Лит.: Таубман Е. И. Выпаривание. М., 1982; Billet R. Evaporation technology: principles, applications, economics. Weinheim, 1989; Таубман Е. И., Пастушенко Б. Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. М., 1990.
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.
Cтраница 1
Выпаривание раствора соли контролируют по удельному весу, кристаллизацию и центрифугирование - по качеству получаемого уксуснокислого натрия, переработку маточных растворов - по их качеству (содержание муравьинокислого натрия и восстанавливающих веществ), по содержанию уксуснокислого натрия в отходах, спускаемых в канализацию, и по их щелочности.
Выпаривание растворов солей производится в выпарных аппаратах, обогреваемых водяным паром.
При выпаривании раствора соли магния соляная кислота, образующаяся при гидролизе, постепенно отгоняется, а гидролиз идет все дальше и дальше.
Так, при выпаривании раствора соли образуются небольшие кубические кристаллы твердой соли. Эти кубические кристаллы ограничены плоскими квадратными гранями.
Нитраты получаются при выпаривании растворов солей Zr и Hf с HNOS Ока представляют собой бесцветные соединения. Все соли, кроме последних двух, гидролизуются в водных растворах, которые приобретают сильнокислую реакцию.
На рис. 2 показана современная конструкция аппарата с погружной горелкой для выпаривания растворов солей. Для равномерного распределения дымовых газов, барботирующих в жидкости, погружная горелка оснащена решетчатым барботером и направляющим конусом, расположенным в устье сопла.
Основными стадиями технологического процесса производства уксуснокислого натрия являются: нейтрализация уксусной кислоты, выпаривание раствора соли, кристаллизация и центрифугирование соли, переработка маточных растворов.
Аппараты с погружной горелкой, расположенной в центральной части корпуса, применяют для выпаривания растворов солей. Йыкристаллизовавшиеся соли удаляются при помощи специального клапана, установленного в нижней части конусного днища. Парогазовая смесь отводится через установленную на крышке аппарата трубу, внутри которой размещены отбойные щитки для сепарации капель раствора. В качестве барботера в таких аппаратах применяют диски с цилиндрическими или щелевыми отверстиями. Это увеличивает поверхность контакта и интенсифицирует процессы тепло - и массообмена. Недостатком таких аппаратов является неравномерное распределение газа по сечению диска, особенно в аппаратах больших размеров, а также, отсутствие циркуляции жидкости в нижней части аппарата.
| Типовая конструкция аппарата. |
Аппараты с погружной горелкой, расположенной в центральной части сосуда, применяют для выпаривания растворов солей. Необходимый уровень раствора в аппарате / устанавливается при помощи сливной трубы 6 с передвижным патрубком. Выкристаллизовавшиеся соли удаляются через нижний штуцер конусного днища при помощи специального пульсирующего клапана. На крышке 2 аппарата установлена труба 4 для вывода парогазовой смеси. Внутри трубы размещены отбойники 5 для сепарации капель раствора, уносимых парогазовым потоком из аппарата. Погружная горелка 3 проходит через паровое пространство аппарата, поэтому следует применять горелки туннельного типа с удлиненной камерой горения.
Улетучивания, однако, не происходит при кипячении разбавленных солянокислых растворов, содержащих олово (IV), в покрытых часовым стеклом сосудах или при выпаривании солоно-сернокислых растворов солей этого элемента до появления паров серной кислоты.
Вынос зоны парообразования из греющих трубок является надежным способом предохранения их от инкрустаций лишь при кристаллизации солей, растворимость которых с повышением температуры увеличивается. Этой меры оказывается недостаточно при выпаривании растворов солей с обратной растворимостью, так как именно возле теплопередающей поверхности образуется пересыщенное состояние. К тому же в подъемной трубе, где раствор интенсивно вскипает и поддерживается его максимальное пересыщение, велика вероятность образования инкрустаций уже независимо от характера растворимости соли.
Раствор соли, отделенный от механических примесей фильтрованием, подвергался действию различных реактивов. Георги указывает, что при выпаривании раствора соли образовались в нем маленькие кубические кристаллы, излишество щелочной соли в себе содержащие. Для насыщения сей излишней щелочной соли потребно было на 5 унций салярки 2 / 2 драхмы купоросной кислоты.
При прямоточной схеме нет необходимости устанавливать промежуточные насосы для перекачивания раствора, который самотеком перетекает от первого аппарата к последнему вследствие понижения давления в каждом последующем корпусе. Однако постепенное снижение температуры раствора по мере его концентрирования (что может вызвать преждевременную кристаллизацию и забивку переточных труб при выпаривании растворов солей с прямой растворимостью) является большим недостатком прямоточной схемы и она обычно не применяется для выпаривания кристаллизующихся растворов.
При кипении растворов нелетучих веществ (например, растворов солей, щелочей, органических веществ с очень низким давлением паров при температуре кипения и т.п.) в пары переходит практически только растворитель. По мере его испарения и удаления в виде паров концентрация раствора повышается.
Парообразование – это Переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное называется парообразованием. Различают следующие виды парообразования: испарение и кипение.
Парообразование со свободной поверхности жидкости называется испарением, с поверхности твердого тела - сублимацией или возгонкой.
Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры скорость испарения увеличивается.
Испарение – Парообразование со свободной поверхности жидкости.
Выпаривание – Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его перевода в парообразное состояние испарения при нагревании кипении (иногда при понижении давления), называется выпариванием.
Концентрирование – Процесс выпаривания, применяемый для частичного разделения (концентрирования) растворов.
Кристаллизацией сопровождается процесс выпаривания, применяемый для полного выделения твердых веществ из раствора.
Кипение
Упругостью насыщенных паров капельной жидкости называется такое их парциальное давление, при котором наступает термодинамическое равновесие между паровой и жидкой фазами(или давление насыщенных паров жидкости р [Па]).
Парциальное давление паров- это
Испарение – переход жидкости в парообразное состояние при такой температуре, когда упругость паров жидкости равна давлению окружающего пространства.
Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всем объеме кипящего растворителя из раствора.
Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т.е. выделение из него твердого вещества.
Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворенных веществ путем кристаллизации, а иногда – для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).
Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур . В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным , хотя, конечно, для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.
Таким образом, выпаривание является типичным процессом переноса теплоты от более нагретого теплоносителя - греющего пара – к кипящему раствору. Основные отличия процесса выпаривания, вследствие которых выпаривание в ряду тепловых процессов выделяют в самостоятельный раздел, заключаются в особенностях его аппаратурного оформления и методе расчета выпарных установок.
Выпаривание проводят при атмосферном давлении, под вакуумом или под давлением, большим атмосферного. Образующийся при выпаривании растворов пар называется вторичным , или соковым . (экстра-пар – это вторичный пар, который отбирается от выпарной установки и предназначен для использования в нагревательных установках вне данной выпарной установки).
Выпаривание под вакуумом имеет ряд преимуществ по сравнению с атмосферной выпаркой: снижается температура кипения раствора, что дает возможность использовать этот способ для выпаривания растворов термически нестойких веществ; повышается полезная разность температур, что ведет к снижению требуемой поверхности теплопередачи выпарного аппарата; несколько снижаются потери теплоты в окружающую среду (так как снижается температура стенки аппарата); появляется возможность использования теплоносителя низкого потенциала. К недостаткам выпаривания под вакуумом относятся удорожание установки (так как требуется дополнительное оборудование – конденсатор, вакуум–насос и др.), а также несколько больший расход греющего пара на 1 кг выпариваемой жидкости (вследствие снижения давления над раствором происходит увеличение теплоты испарения растворителя – «скрытой теплоты испарения»).
При выпаривании под повышенным давлением (выше атмосферного) вторичный пар может быть использован в качестве греющего агента для различных технологических нужд.
В случае, если в выпарной установке имеется один выпарной аппарат (рис.1.1), такую установку называют однокорпусной . Если же в установке имеются два и более последовательно соединенных корпусов, то такую установку называют многокорпусной . В этом случае вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что приводит к существенной экономии свежего греющего пара. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называют экстра-паром . В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д.
При больших производительностях (от нескольких кубических метров выпариваемого раствора в час и выше), что характерно для промышленности, выпаривание проводят по непрерывному принципу. В аппаратах непрерывного действия обычно создают условия для интенсивной циркуляции раствора, т.е. в таких аппаратах гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального смешения. Поэтому концентрация раствора в таких аппаратах ближе к конечной, что приводит к ухудшению условий теплопередачи (так, с повышением концентрации раствора увеличивается его вязкость и, следовательно, снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору).
Рис. 1.1. Схема однокорпусной выпарной установки:
1 – сепаратор; 2 – греющая камера; 3 – циркуляционная труба; 4 – барометрический конденсатор; 5 – барометрическая труба; 6 – вакуум-насос
Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и необходимости упаривания раствора до существенно высоких концентраций.
1.1. Свойства растворов
Под концентрацией раствора b понимается отношение массы сухого вещества G c , , кг, содержащегося в растворе, к общей массе раствора. Она может выражаться в процентах или относительных величинах.
b=, (1.1)
где W – количество растворителя в растворе, кг.
Растворителями могут быть вода, спирты, органические жидкости и т.д. В технике чаще всего имеют дело с водными растворами солей.
Для большинства растворов в определенном количестве воды или другого растворителя нельзя растворить неограниченное количество твердого вещества. Раствор, содержащий при данных условиях предельное количество растворенного вещества, называется насыщенным .
Количество растворенного вещества в насыщенном растворе, отнесенное к определенному количеству раствора или растворителя, называется растворимостью (табл. 1.1). Растворимость твердых веществ в воде не является постоянной величиной, а изменяется в значительных пределах в зависимости от температуры. Для большинства солей растворимость в воде с повышением температуры растет; для некоторых солей она понижается (CaCrO 4 , MnSO 4 , NaSO 4 и др.), и избыток соли выпадает в виде кристаллов. У поваренной соли NaCI растворимость от температуры практически не зависит .
Присутствие кристаллов в растворе при выпаривании нежелательно, так как они осаждаются на стенках аппарата и поверхностях нагрева кипятильников и образуют слой накипи или осадка, которые снижают теплопередачу и ухудшают работу выпарных аппаратов.
Таблица 1.1. Растворимость некоторых веществ в воде при температуре 20 о С
| Вещество | Вещество | Растворимость в воде г/100 г H 2 О | Концентрации насыщенного раствора, % | ||
| NaCI | 35,8 | 26,4 | BaSO 4 | 0,00023 | 0,00023 |
| КCI | 34,2 | 25,5 | Mg(OH) 2 | 0,001 | 0,001 |
| Na 2 СO 3 | 21,2 | 17,6 | CaCO 3 | 0,0014 | 0,0014 |
| NaOН | 107,0 | 51,7 | Ca(OH) 2 | 0,16 | 0,16 |
| ВаCI | 35,6 | 26,3 | NaSO 4 | 32,8 | 24,7 |
| СаSO 4 | 0,2 | 0,2 | MgCI 2 | 35,3 | 26,1 |
Процесс выпаривания характерен значительным изменением физико-химических свойств растворов, связанных с изменением его концентрации.
С повышением концентрации увеличиваются плотность и вязкость, понижаются удельная теплоемкость, теплопроводность и интенсивность теплоотдачи, изменяется теплота растворения .
Плотность раствора можно легко определить по правилу аддитивности, зная его концентрацию и плотности чистых компонентов при данной температуре:
, (1.2)
где - плотность безводного нелетучего вещества, кг/м 3 ; - плотность растворителя (воды), кг/ м 3 .
Все жидкие растворы обладают вязкостью, характерной для данного раствора. Вязкость всех растворов существенно зависит от температуры, уменьшаясь с ее повышением.
Численные значения динамической и кинематической вязкости растворов даются в справочной и специальной литературе. Изменение вязкости в зависимости от концентрации для некоторых растворов приведено
 |
на рис. 1.2.
Рис.1.2. Изменение массовой удельной теплоемкости водных растворов в зависимости от концентрации раствора при 20 о С:
1 – NaOH; 2 – KOH; 3 – (NH 4) 2 SO 4 ; 4 – NaNO 2 ; 5 – NH 4 NO 3 ; 6 – K 2 CO 3 ; 7 – CACI 2
Удельную теплоемкость раствора с р , кДж/(кг·К), приближенно можно определить также по правилу аддитивности:
с р =с с b + с в (1-b ), (1.3)
где с с – удельная теплоемкость безводного нелетучего вещества в растворе (табл. 1.2); с в – удельная теплоемкость воды при 20 о С.
Таблица 1.2. Удельная теплоемкость сухих (безводных) веществ
Удельную теплоемкость химического соединения при отсутствии данных можно ориентировочно рассчитать по уравнению :
где - молекулярная масса химического соединения; с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/(кг ·К); п 1 , п 2 , п 3 … - число атомов элементов, входящих в соединение; с 1 , с 2 , с 3 , … - атомные теплоемкости, Дж/(кг·атом·К), приведенные в табл.1.3.
Таблица 1.3. Атомная теплоемкость
Удельные теплоемкости некоторых веществ приведены в табл.1.2. Удельная теплоемкость раствора зависит не только от концентрации растворенного вещества, но и от температуры. Для многих растворов удельная теплоемкость не подчиняется правилу аддитивности и не может быть достаточно точно вычислена по формуле (1.3). Отклонение от правила аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества (рис.1.2). Поэтому в точных расчетах целесообразно использовать опытные значения удельной теплоемкости растворов, приводимые в виде таблиц или номограмм.
Теплопроводность растворов за редким исключением с ростом концентрации растворенного вещества уменьшается (рис. 1.3).
Теплопроводность воды и водных растворов электролитов в интервале от 20 до 100 о С различаются незначительно. Поэтому зависимость теплопроводности водных растворов солей и щелочей от температуры может быть принята такой же, как и для воды:
(1.5)
Для воды
При растворении твердых веществ в воде наблюдается охлаждение раствора, так как разрушается кристаллическая решетка, а на это требуется затрата энергии. Теплота растворения зависит от природы вещества и растворителя, а также от концентрации раствора.
Рис.1.3. Изменение теплопроводности водных растворов солей в зависимости от концентрации раствора при 20 о С:
1 – КОН; 2 – КСI; 3 – КNО 3 ; 4 – К 2 СО 3 ; 5 – MgCI 2 ; 6 – MgSO 4 ; 7 – NaCI; 8 – NaNO 3 ; 9 – NaSO 4 ; 10 – Na 2 CO 3 ; 11 – NaOH; 12 – CaCI 2
