Выпаривание это в химии кратко
Обновлено: 02.07.2024
Все смеси веществ можно разделить на две большие группы – гомогенные и гетерогенные. Для химического анализа смеси необходимо предварительно разделять на все составляющие компоненты. Способы разделения гомогенных и гетерогенных смесей отличаются.
Методы разделения однородных смесей
Однородными (гомогенными) называют такие смеси, в каждой точке объема которых состав одинаков, т. е. это системы, не имеющие границы раздела фаз. Частицы таких смесей увидеть невозможно. Например, раствор поваренной соли – это гомогенная смесь.
Растворы довольно стабильны и долго не разделяются. Существует несколько методов разделения растворов – дистилляция, выпаривание, кристаллизация и хроматография.
Дистилляция или перегонка
Дистилляция – это метод разделения растворов, который основан на разных температурах кипения веществ. При перегонке жидкость помещают в колбу, которую затем доводят до кипения с конденсацией паров в холодильнике. Например, с помощью перегонки можно разделить спирт и воду. Первыми начинают кипеть компоненты с низкими температурами кипения, поэтому они первые собираются в виде конденсата в холодильнике. Смеси, температуры кипения которых одинаковы, называются нераздельнокипящими или азеотропными.
Выпаривание и кристаллизация
Выпаривание – это метод разделения растворов с помощью испарения одного из веществ. Данный способ применяется для выделения твердых веществ. Раствор помещают в фарфоровую чашку и нагревают. В результате на дне чашки образуются кристаллы.
Кристаллизация – процесс образования и роста кристаллов. Данный способ заключается в нагревании насыщенной гомогенной смеси и фильтровании полученного горячего раствора. Затем раствор охлаждают, и выпавшие кристаллы промывают и высушивают.
Выпаривание и кристаллизация – это способы, подходящие для разделения жидких и твердых веществ. Эти два процесса идут параллельно.
Хроматография
Хроматография – метод разделения растворов, который основан на различном поглощении разделяемых веществ поверхностью другого вещества. Если полоску из фильтровальной бумаги опустить нижним концом в раствор красителей, то подниматься они будут с разной скоростью и на разную высоту.
Способы разделения неоднородных смесей в химии
Неоднородные (гетерогенные) смеси – смеси, состав которых в разных точках объема неодинаков. Частицы можно обнаружить либо невооруженным глазом, либо с помощью микроскопа. Например, смесь воды и песка – это гетерогенная смесь. Существует несколько способов разделения гетерогенных смесей – отстаивание, фильтрование, центрифугирование.
Отстаивание
Отстаивание – это способ разделения жидкостей и твердых веществ. При отстаивании смеси на дне сосуда оседает твердое вещество.
Фильтрование
Фильтрование – способ разделения гетерогенных смесей, который основан на пропускании смеси через воронку с вложенным в нее смоченным бумажным фильтром. Часто для отделения осадка от фильтрата используют фильтрование при уменьшенном давлении.
Центрифугирование
Центрифугирование заключается в помещении смеси в центрифужные стаканы и помещают в центрифуги. После проведения этой операции надосадочную жидкость сливают, осадок взмучивают с небольшим объемом растворителя и повторно центрифугируют.
Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Различают следующие основные способы выпаривания:
• простое (однокорпусное), проводимое в непрерывном или периодическом режиме;
• многократное (многокорпусное), осуществляемое только в непрерывном режиме;
• с применением теплового насоса.
Все перечисленные способы выпаривания в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов реализуют как под давлением, так и в вакууме.
Простое выпаривание. Этот процесс осуществляют на установках небольшой производительности. Его проведение в периодическом режиме возможно с одновременной или порционной загрузкой исходного раствора.
Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного действия представлена на рис. 15.1. Аппарат состоит из сепаратора 1 и теплообменника 2. Греющий пар поступает в межтрубное пространство. Исходный раствор, подаваемый в аппарат, воспринимает теп-
Рис. 15.1. Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного действия:
1 — сепаратор; 2 — теплообменник
лоту греющего пара, и растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидкости в сепараторе и отводятся через верхнюю часть аппарата. Упаренный раствор отбирается из штуцера, расположенного в нижней части аппарата.
Материальный баланс простого выпаривания может быть выражен двумя способами:
1)общий материальный баланс выпарного аппарата — с помощью уравнения
где GH, GK — массовый расход соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с; W — массовый расход вторичного пара или выпариваемой воды, кг/с;
2)материальный баланс по сухому веществу, находящемуся в растворе, — с помощью уравнения
где — массовые доли растворенного вещества соответственно
в исходном и упаренном растворах.
Из уравнений (15.1) и (15.2) найдем массовый расход выпариваемой воды:
Уравнение теплового баланса имеет вид
где — массовый расход греющего пара, кг/с; — удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, Дж/кг; — удельная теплоемкость исходного и конечного растворов, Дж/(кг-К); — температура исходного раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из него, К; — потери теплоты в окружающую среду, Вт.
Под энтальпией (теплосодержанием) понимают сумму внутренней энергии и потенциальной энергии давления.
С учетом того, что удельная теплота конденсации пара
уравнение (15.3) позволяет определить массовый расход греющего пара. Расчет показывает, что для удаления 1 кг влаги из раствора может потребоваться 1,1. 1,2 кг греющего пара.
Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата согласно основному уравнению теплопередачи (12.4) записывается в виде
где применительно к процессу выпаривания — полезная разность температур, т.е. разность температуры греющего пара и температуры кипения раствора в выпарных установках. Значение определяется по общей разности температур и температурным потерям (депрессиям).
Общей разностью температур в выпарных установках называют разность температур греющего пара и вторичного пара :
Полезная разность температур меньше общей на величину температурных потерь (депрессий):
Различают три вида депрессий: температурную (физико-химическую), гидростатическую и гидравлическую.
Так как давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, в условиях, когда давление равно атмо-
сферному, вода кипит при температуре 100 °С, а 30%-ный раствор NaOH — при 117°С. Такая разность температур кипения раствора и чистого растворителя называется температурной депрессией '.
Значение температурной депрессии, зависящее от свойств растворенного вещества и растворителя, повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определить значение ' можно опытным путем.
Большинство опытных данных относится к температурной депрессии атмосферном давлении. Если известна величина , К, то можно найти депрессию ' К, и при другом давлении по приближенной формуле Тищенко:
где Т — абсолютная температура кипения, К; r — удельная теплота испарения, Дж/кг, воды при данном давлении.
Повышение температуры кипения раствора обусловлено также гидростатической и гидравлической депрессиями.
Гидростатическая депрессия " вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев).
Гидравлическая депрессия '" учитывает понижение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах полагают, что '" = 1 К.
Проведение выпаривания в вакууме в большинстве случаев играет положительную роль: снижается температура кипения раствора, а это позволяет применять для нагревания выпарного аппарата пар низкого давления, который относится к тепловым отходам, образующимся при осуществлении других процессов.
Многократное выпаривание.Сущность этого способа выпаривания состоит в том, что его проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратах, давление в которых поддерживают на таком уровне, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате. Очевидно, что многократное выпаривание позволяет сократить расход теплоты на проведение процесса приблизительно пропорционально числу последовательно соединенных аппаратов (числу корпусов). Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов и поэтому называются многокорпусными.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.
Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки приведена на рис. 15.2. Исходный раствор подают в корпус 1, далее поступает в корпуса 2 и 3, а затем удаляется из корпуса 3 в виде готового продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что обеспечивает перемещение раствора самотеком под действием перепада давлений.
Греющий пар перемещается в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1, а образовавшийся в этой корпусе вторичный пар направляется в качестве греющего пара в корпус 2. Образовавшийся в корпусе 2 вторичный пар применяется для обогрева корпуса 3, а вторичный пар из корпуса 3 поступает для конденсации в барометрический конденсатор 4.
Очевидным достоинством прямоточной схемы выпаривания является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без помощи насосов. К недостаткам этой схемы относится резкое снижение коэффициента теплопередачи от корпуса к корпусу.
Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рис. 15.3. Свежий греющий пар поступает в корпус 1, а вторичный пар уже в качестве греющего пара перемещается от корпуса 1 к корпусу 3. Выпариваемый раствор вводится вкорпус 3, перемещается в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1. Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора используются насосы 5— 7.
Преимуществом противоточной схемы выпаривания перед прямоточной является потребность в меньшей поверхности теплообмена, а недостатком — необходимость применения насосов для перекачивания растворов.
Общий массовый расход воды, выпариваемой в многокорпусной установке,
Очевидно, что увеличение числа корпусов ограничено вследствие уменьшения полезной разности температур, значения которых при этом возрастают. Оптимальное число корпусов установок многократного выпаривания, при определении которого принимаются во внимание и экономические соображения, составляет 3—4.
Выпаривание — это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Различают следующие основные способы выпаривания:
• простое (однокорпусное), проводимое в непрерывном или периодическом режиме;
• многократное (многокорпусное), осуществляемое только в непрерывном режиме;
• с применением теплового насоса.
Все перечисленные способы выпаривания в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов реализуют как под давлением, так и в вакууме.
Простое выпаривание. Этот процесс осуществляют на установках небольшой производительности. Его проведение в периодическом режиме возможно с одновременной или порционной загрузкой исходного раствора.
Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного действия представлена на рис. 15.1. Аппарат состоит из сепаратора 1 и теплообменника 2. Греющий пар поступает в межтрубное пространство. Исходный раствор, подаваемый в аппарат, воспринимает теп-
Рис. 15.1. Схема однокорпусной выпарной установки непрерывного действия:
1 — сепаратор; 2 — теплообменник
лоту греющего пара, и растворитель испаряется. Образовавшийся вторичный пар и инертные газы освобождаются от брызг жидкости в сепараторе и отводятся через верхнюю часть аппарата. Упаренный раствор отбирается из штуцера, расположенного в нижней части аппарата.
Материальный баланс простого выпаривания может быть выражен двумя способами:
1)общий материальный баланс выпарного аппарата — с помощью уравнения
где GH, GK — массовый расход соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с; W — массовый расход вторичного пара или выпариваемой воды, кг/с;
2)материальный баланс по сухому веществу, находящемуся в растворе, — с помощью уравнения
где — массовые доли растворенного вещества соответственно
в исходном и упаренном растворах.
Из уравнений (15.1) и (15.2) найдем массовый расход выпариваемой воды:
Уравнение теплового баланса имеет вид
где — массовый расход греющего пара, кг/с; — удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, Дж/кг; — удельная теплоемкость исходного и конечного растворов, Дж/(кг-К); — температура исходного раствора на входе в аппарат и конечного на выходе из него, К; — потери теплоты в окружающую среду, Вт.
Под энтальпией (теплосодержанием) понимают сумму внутренней энергии и потенциальной энергии давления.
С учетом того, что удельная теплота конденсации пара
уравнение (15.3) позволяет определить массовый расход греющего пара. Расчет показывает, что для удаления 1 кг влаги из раствора может потребоваться 1,1. 1,2 кг греющего пара.
Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата согласно основному уравнению теплопередачи (12.4) записывается в виде
где применительно к процессу выпаривания — полезная разность температур, т.е. разность температуры греющего пара и температуры кипения раствора в выпарных установках. Значение определяется по общей разности температур и температурным потерям (депрессиям).
Общей разностью температур в выпарных установках называют разность температур греющего пара и вторичного пара :
Полезная разность температур меньше общей на величину температурных потерь (депрессий):
Различают три вида депрессий: температурную (физико-химическую), гидростатическую и гидравлическую.
Так как давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, в условиях, когда давление равно атмо-
сферному, вода кипит при температуре 100 °С, а 30%-ный раствор NaOH — при 117°С. Такая разность температур кипения раствора и чистого растворителя называется температурной депрессией '.
Значение температурной депрессии, зависящее от свойств растворенного вещества и растворителя, повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определить значение ' можно опытным путем.
Большинство опытных данных относится к температурной депрессии атмосферном давлении. Если известна величина , К, то можно найти депрессию ' К, и при другом давлении по приближенной формуле Тищенко:
где Т — абсолютная температура кипения, К; r — удельная теплота испарения, Дж/кг, воды при данном давлении.
Повышение температуры кипения раствора обусловлено также гидростатической и гидравлической депрессиями.
Гидростатическая депрессия " вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев).
Гидравлическая депрессия '" учитывает понижение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах полагают, что '" = 1 К.
Проведение выпаривания в вакууме в большинстве случаев играет положительную роль: снижается температура кипения раствора, а это позволяет применять для нагревания выпарного аппарата пар низкого давления, который относится к тепловым отходам, образующимся при осуществлении других процессов.
Многократное выпаривание.Сущность этого способа выпаривания состоит в том, что его проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратах, давление в которых поддерживают на таком уровне, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате. Очевидно, что многократное выпаривание позволяет сократить расход теплоты на проведение процесса приблизительно пропорционально числу последовательно соединенных аппаратов (числу корпусов). Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов и поэтому называются многокорпусными.
Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.
Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки приведена на рис. 15.2. Исходный раствор подают в корпус 1, далее поступает в корпуса 2 и 3, а затем удаляется из корпуса 3 в виде готового продукта. Давление в установке уменьшается в направлении от корпуса 1 к корпусу 3, что обеспечивает перемещение раствора самотеком под действием перепада давлений.
Греющий пар перемещается в том же направлении, что и раствор: свежий пар вводится в корпус 1, а образовавшийся в этой корпусе вторичный пар направляется в качестве греющего пара в корпус 2. Образовавшийся в корпусе 2 вторичный пар применяется для обогрева корпуса 3, а вторичный пар из корпуса 3 поступает для конденсации в барометрический конденсатор 4.
Очевидным достоинством прямоточной схемы выпаривания является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без помощи насосов. К недостаткам этой схемы относится резкое снижение коэффициента теплопередачи от корпуса к корпусу.
Схема противоточной многокорпусной выпарной установки представлена на рис. 15.3. Свежий греющий пар поступает в корпус 1, а вторичный пар уже в качестве греющего пара перемещается от корпуса 1 к корпусу 3. Выпариваемый раствор вводится вкорпус 3, перемещается в установке в направлении от корпуса 3 к корпусу 1 и отбирается из корпуса 1. Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора используются насосы 5— 7.
Преимуществом противоточной схемы выпаривания перед прямоточной является потребность в меньшей поверхности теплообмена, а недостатком — необходимость применения насосов для перекачивания растворов.
Общий массовый расход воды, выпариваемой в многокорпусной установке,
Очевидно, что увеличение числа корпусов ограничено вследствие уменьшения полезной разности температур, значения которых при этом возрастают. Оптимальное число корпусов установок многократного выпаривания, при определении которого принимаются во внимание и экономические соображения, составляет 3—4.
концентрирование растворов (чаще всего твёрдых веществ в воде) частичным испарением растворителя при кипении. При этом повышаются концентрация, плотность и вязкость раствора, а также температура его кипения. При пересыщении раствора растворённое вещество выпадает в осадок. Температура кипения растворов всегда выше температуры кипения растворителей; разность между ними, называется температурной депрессией, растёт с увеличением концентрации растворённого вещества и внешнего давления.
В. производится за счёт подводимого извне тепла: при температуре ниже 200°C теплоносителем является водяной пар, выше 200°С — высококипящие жидкости (дифенильная смесь, масло) и топочные газы. Обогрев производится через стенку аппарата, а при сильно агрессивных средах — барботажем пузырьков газа сквозь раствор или распылением последнего в струе газа.
В. ведут при атмосферном, пониженном или повышенном давлении. В большинстве случаев экономически выгодно работать под давлением выше 0,1 Мн/м 2 (1 кгс/см 2 ), так как в этом случае можно использовать вторичный пар для обогрева других аппаратов. При работе с термически нестойкими веществами пользуются вакуум-выпаркой, что позволяет снизить температуру кипения растворов и уменьшить поверхность нагрева (вследствие увеличения разности температур между нагревающими агентами и кипящим раствором). Вакуум в аппаратах создаётся конденсацией вторичного пара и отсасыванием вакуум-насосом несконденсировавшейся паровоздушной смеси.
В. используется в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Существует более 80 разновидностей выпарных аппаратов с паровым обогревом. В малотоннажных производствах обычно применяют вертикальные и горизонтальные цилиндрические выпарные аппараты с обогревом змеевиками или нагревательными рубашками; в крупнотоннажных производствах — аппараты с внутренними и выносными нагревательными камерами (рис. 1), плёночные аппараты, в которых струя пара увлекает вверх тонкую плёнку раствора, в результате чего создаются благоприятные условия для В., и аппараты с принудительной циркуляцией (рис. 2). Последние применяют при необходимости предотвратить осаждение солей на поверхности нагрева, а также при упаривании вязких растворов.
В однокорпусных аппаратах расход греющего пара составляет 1,2—1,25 кг на испарение 1 кг воды. Значительно экономнее многокорпусные выпарные установки, из которых наиболее распространены прямоточные (рис. 3); в них слабый раствор и греющий пар, движущиеся в одном направлении, последовательно поступают в выпарные аппараты. В последнем аппарате, присоединённом к барометрическому конденсатору и вакуум-насосу, создаётся разрежение, вследствие чего давление и температура кипения раствора постепенно понижаются от первого корпуса к последнему; благодаря этому осуществляется переток раствора и его испарение при обогреве вторичными парами. В противоточных установках раствор и греющий пар движутся навстречу друг другу, при параллельном питании слабый раствор подаётся одновременно во все корпуса.
На практике число корпусов редко бывает больше пяти, так как дальше полезная разность температур становится очень малой. Расход греющего пара на испарение 1 кг выпариваемой воды составляет для трёхкорпусной установки 0,4 кг, а для пятикорпусной 0,25—0,28 кг. Многокорпусные выпарные установки широко применяются в многотоннажных производствах, потребляющих большое количество греющего пара (например, производство сахара).
Лит.: Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 7 изд., М., 1961; Гельперин Н. И., Выпарные аппараты, М. — Л., 1947; Кичигин М. А., Костенко Г. Н., Теплообменные аппараты и выпарные установки, М. — Л., 1955; Колач Т. А., Радун Д. В., Выпарные станции, М., 1963; Лунин О. Г., Теплообменные аппараты пищевой промышленности, М., 1967.
Рис. 1. Выпарные аппараты: а — с центральной циркуляционной трубой; б — с выносной нагревательной камерой; 1 — корпус; 2 — нагревательные трубки; 3 — циркуляционная труба; 4 — сепаратор; 5 — отбойник.
Рис. 2. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией: 1 — корпус; 2 — циркуляционный насос; 3 — циркуляционная труба; 4 — сепаратор; 5 — отбойник.
Рис. 3. Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки: 1 — подогреватель; 2 — выпарные аппараты; 3 — конденсатор; 4 — барометрическая труба.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
ВЫПА́РИВАНИЕ, процесс частичного удаления растворителя из раствора при нагревании. В. применяют для концентрирования растворов, выделения растворённого вещества (в произ-ве пластмасс, солей и пр.), получения чистого растворителя (в т. ч. обессоленной воды для бытовых и технич. нужд), концентрирования эмульсий и суспензий (в целлюлозно-бумажном произ-ве, при концентрировании молока и пр.). Чаще всего В. подвергают водные растворы нелетучих или малолетучих веществ. В. – один из древнейших способов разделения жидких смесей с использованием теплоты; процесс, в частности, применялся в солеварнях для выделения поваренной соли из растворов.
Читайте также: