1.1.Литературный обзор по теории и технологии процесса выпарки

Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ при кипении и удалении жидкого нелетучего растворителя в виде паров. Выпаривание применяют для концентрирования растворов в производстве минеральных солей, органических полупродуктов и удобрений, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, а также для регенерации различных растворов (с целью возврата их в технологический цикл) и термического обезвреживания промышленных стоков.

Растворитель может превращаться в пар при кипении жидкости или при поверхностном её испарении. В выпарных аппаратах применяется более интенсивный из этих способов превращения растворителя в пар, а именно кипение. Впервые выпаривание получило промышленное применение в производстве сахара, а в дальнейшем и в химической промышленности. При концентрировании растворов вода иногда удаляется до 90% первоначального веса.

В элементарном виде процесс выпаривания можно осуществить в простом открытом или закрытом сосуде, наполненном раствором, при подводе к нему тепла для кипения и отводе образующихся паров в атмосферу или в конденсирующее устройство.

Выпарные аппараты по принципу работы и конструктивному оформлению имеют много общего с испарителями, применяемыми на электростанциях. Но процесс выпарки водных растворов в выпарных аппаратах имеет принципиальное отличие от процесса кипения чистой воды в испарителях.

Понижение температуры образующихся из раствора водяных паров по сравнению с температурой кипения раствора называют физико-химической температурной депрессией. Обозначив её через ∆1, можем написать

∆1 = tр – υ

где tр – температура кипения раствора, 0С;

υ – температура образующихся паров воды, 0С.

Физико-химическая температурная депрессия различна для разных растворов. Она больше у растворов веществ с малым молекулярным весом. Для раствора одного и того же вещества физико-химическая температурная депрессия увеличивается с повышением его концентрации.

Под концентрацией раствора понимают отношение массы сухого вещества в растворе к общей массе раствора в процентах

где b – массовая концентрация раствора, %;

W – количество растворителя или воды в растворе, кг;

Gсух. – количество растворённого или сухого вещества в растворе, кг.

При выпарке вес сухого вещества в растворе остаётся постоянным, а количество растворителя (воды) уменьшается, а концентрация раствора увеличивается

На практике выпаривание часто ведут и под вакуумом и под давлением. В таких случаях физико-химическая температурная депрессия может быть вычислена по приближённой формуле И.А. Тищенко

где ∆1 – искомая физико-химическая температурная депрессия при давлении выпаривания;

∆’1 – депрессия, взятая из таблиц, при атмосферном давлении;

Т – температура кипения чистого растворителя, 0К;

r – скрытая теплота парообразования для воды при давлении выпаривания, кДж/кг.

Наличие физико-химической температурной депрессии понижает полезную разность температур между первичным и вторичным паром в выпарном аппарате.

С повышением концентрации раствора увеличиваются его вязкость, плотность и температурная депрессия и понижаются теплоёмкость и теплопроводность.

Удельную теплоёмкость раствора определяют по формуле, кДж/(кг*0С)

где ссух. – удельная теплоёмкость безводного нелетучего вещества, раствор которого выпаривается (определяется по справочнику), кДж/(кг*0С);

св – теплоёмкость воды, св = 4,19 кДж/(кг*0С);

b – процентное содержание вещества в растворе.

Вследствие увеличения вязкости растворов и понижения их теплопроводности и теплоёмкости уменьшается и коэффициент теплоотдачи αр от греющей стенки к кипящему раствору.