Физические основы процесса выпаривания

В диапазоне изменения концентраций (х2 - х1) теплота растворения определяется из справочных данных (рис. 2.2.2) в соответствии с законом Гесса (тепловой эффект превращения не зависит от пути превращения) по интегральной теплоте растворения как q = q1 - q2.

Проведение эксперимента и обработка опытных данных

Следует отличать выпаривание от испарения. Испарение происходит с поверхности и при любой температуре, тогда как выпаривание происходит из всей массы жидкости при температуре, соответствующей точке кипения при данном давлении.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории при выпаривании и испарения происходит удаление части находящихся в тепловом движении молекул вещества (растворителя) из пространства, занимаемого жидкостью. Удаляющиеся из жидкости молекулы заполняют паровое пространство и образуют насыщенный пар данной жидкости причем, между жидкостью и паровым пространством устанавливается подвижное равновесие, вследствие чего число молекул над жидкостью, а следовательно и давление насыщенного пара, принимает вполне определенную величину при данной температуре.

При изменении температуры кипения равновесие нарушается, что вызывает соответствующее изменение плотности и давления пара.

Исследования процесса кипения жидкостей показывают, что при кипении пограничный слой жидкости у стенки нарушается, поскольку на мельчайших неровностях стенки, передающей тепло, образуются пузырьки пара. Величина, форма и число пузырьков определяются количеством подводимого тепла, шероховатостью и чистотой поверхности нагрева, а также способностью жидкости смачивать эту поверхность.

Таким образом, местами возникновения пузырьков пара (центрами парообразования) служат отдельные точки поверхности нагрева: бугорки на твердой поверхности, шероховатости, частицы загрязнений, пузырьки адсорбированных газов. При кипении превращение жидкости в пар происходит и внутри паровых пузырьков, причем последние сами становятся центрами парообразования. Пузырек пара по мере испарения в него жидкости увеличивается в объеме, возрастает и его подъемная сила. Поэтому, преодолевая сопротивление со стороны жидкости, он всплывает наверх. Такое продвижение пузырьков из нижних слоев жидкости к ее поверхности обуславливает непрерывный перенос образующегося внутри жидкости пара в паровое пространство. Таким образом, процесс переноса тепла при кипение складывается из отдачи тепла от поверхности нагрева к жидкости, а от жидкости к внутренней поверхности пузырька в виде теплоты испарения.

Следует отметить, что интенсивность образования пузырьков при кипении возрастает до некоторого предела с увеличением разности температур между стенкой и кипящей жидкостью ?t. С возрастанием ?t увеличивается плотность теплового потока q, т. е. количество тепла, передаваемого жидкости в единицу времени единицей поверхности стенки.

Возникающее при этом перемешивание жидкости, обусловленное ростом, отрывом и всплыванием пузырьков, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи ?. Этой области соответствует режим пузырчатого или ядерного кипения, характеризуемый относительно высокой интенсивностью теплоотдачи. Дальнейшее увеличение приводит, однако, к тому, что число центров парообразования возрастает настолько, что происходит слияние пузырьков пара и поверхность нагрева покрывается плохо проводящей тепло пленкой пара и коэффициент теплоотдачи резко уменьшается.

Кипение при наличии плотной пленки пара на поверхности нагрева называется пленочным в отличии от кипения с парообразованием лишь в отдельных центрах, пузырчатого кипения.

В точке перехода от ядерного кипения к пленочному достигается максимальное (критическое) значение ? и q, устанавливаемое экспериментально.

Некоторые свойства растворов

При изучении процесса выпаривания необходимо выделить некоторые свойства растворов, оказывавшие непосредственное влияние на протекание самого процесса.

Как указывалось, при выпаривании жидкости, во время кипения температура ее остается постоянной, так как с момента начала кипения тепло расходуется только на изменение агрегатного состояния, т.е. на превращение частиц жидкости в пар. Известно также, что температура кипения жидкости есть функция давления и что с понижением давления снижается температура кипения жидкости.

Выпаривание растворов отличается от кипения однокомпонентной жидкости тем, что они кипят при более высокой температуре, чем растворитель при том же давлении. Или то же самое может быть сформулировано так: при одной и той же температуре Т упругость пара над чистым растворителем Ра больше, чем упругость пара над раствором Рв.

Величина повышения температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при одном и том же давлении называется температурной депрессией.

Величина температурной депрессии зависит от концентраций раствора, от давления при кипении и от природы растворенного вещества.

Причиной повышения температуры кипения растворов является различие в ходе температурной кривой t = f (Р) для чистых жидкостей и для растворов вследствие неодинаковой их летучести. Температура кипения однокомпонентной жидкости есть функция только давления, а для растворов она является функцией - давления и концентрации.

Необходимо отметить, что температурная депрессия нередко достигает больших значений. Что касается температуры образующегося над кипящим раствором пара, то она практически равна температуре кипения чистого растворителя. И, следовательно, значение температурной депрессии может быть определено и как разность между температурой кипения раствора и температурой пара, над этим раствором образующимся.

Величина температурной депрессии ?q или температура кипения раствора при различной его концентрации, полученные опытным путем для различных растворов, приводятся в справочной литературе [6, 5, 4].

Причем, в справочной литературе температура кипения водных растворов различных концентраций приводится во многих случаях только для условий нормального атмосферного давления, в то время, как для практических расчетов (расчета выпарных установок) необходимо знать температуру кипения растворов для давлений, от атмосферного отличных.

Поэтому для нахождения температурной депрессии необходимо уметь определить температуру кипения раствора при любом давлении.

Существует несколько способов определения температуры кипения растворов.

Рис.1 Зависимость ? и q от ?t для кипящей воды при Р = 1 ат.

Правило Бабо

Эмпирический закон Бабо гласит: «Относительное понижение упругости пара (Р - Р1)/Р1 или Р/Р1 над разбавленным раствором данной концентрации есть величина постоянная, не зависящая от температуры кипения раствора», т. е.

,

где Р1 - упругость пара раствора; Р - упругость пара чистого растворителя.

Пользуясь правилом Бабо можно вычислить температуру кипения раствора, данной концентрации при произвольном давлении, если таковая известна для какого-либо давления.

ПРИМЕР 1

Водный раствор данной концентрации кипит при давлении 1 ат и температуре 115 °C. Определить температуру его кипения при давлении 0,5 ат.

Из таблиц насыщенного водяного пара находим, что вода (растворитель) при температуре 115 °C имеет давление 1,724 aт, на основании чего:

.

При давлении над раствором 0,5 ат:

.

Откуда

,

чему соответствует по таблицам насыщенного водяного пара температура кипения tк = 95 °С.

Таким образом, данный раствор при Р = 0,5 ат кипит при температуре 95 °С, а вода при том же давлении имеет температуру кипения 80,9 °С, следовательно температурная депрессия равна:

.

Для концентрированных растворов, кипящих под разряжением, к величине температурной депрессии, рассчитанной по правилу Бабо следует вводить поправку, предложенную В.Н. Стабниковым, величина которой зависит от отношения Р1/Р и давления Р1. Поправка прибавляется к величине депрессии, полученной по правилу Бабо, если теплота растворения положительна и вычитается, если эта теплота отрицательна.

Судя по данным Стабникова, погрешность при применении правило Бабо в среднем равна 1 - 3 °С.

Для примера 1 поправка по табл. 2.2.3 будет равна 2 0С.

Правило линейности физико-технических функций

Отношение разности температур кипения [tm// - tm/] какой-либо жидкости при двух произвольно взятых давлениях к разности температур кипения [tв// - tв/] какой-либо другой жидкости при тех же давлениях есть величина постоянная.

При расчете по этой формуле в качестве жидкости, для которой известны температуры кипения при различных давлениях принимается обычно вода.

ПРИМЕР 2

Известно, что раствор данной концентрации кипит при одной атмосфере при tm/ = 120 0С, а при 1,5 ат его температура кипения tm// = 140 0С. Определить температуру кипения этого раствора при 2 ат. По таблицам водяного пара находим:

tв/ = 99,1 0С при 1 ат;

tв// = 110,8 0С при 1,5 ат.

Определяем К из соотношения:

.

Находим tm// (при 2ат) из соотношения:

,

причем, = 119,6 0С (при 2ат).

Следовательно,

.

Отсюда

.

Таким образом, для определения температуры кипения по этому методу необходимо заранее знать температуры кипения этого раствора при двух произвольных давлениях.

Формула Тищенко И.A.

Величину температурной депрессии при любом давлении можно получить, пользуясь формулой И.А. Тищенко:

,

где - температурная депрессия при атмосферном давлении в 0С; Т - температура кипения чистого растворителя (в °К); r - теплота испарения при данном давлении (в дж/кг).

Если величину обозначить через К, то получим:

.

Значения К в зависимости от давления (табл. 2.2.2).

На величину температуры кипения влияет также высота слоя кипящей жидкости, если жидкость кипит внутри вертикальной трубки, то температура кипения на поверхности будет ниже, чем внизу трубки, где к внешнему давлению добавляется гидростатическое давление столба жидкости, которой может быть приближенно подсчитано следующим образом:

?Р = Н?, [Н/м2],

где Н - высота столба жидкости в метрах; ? - удельный вес кипящей жидкости в кг/м3.

Давление в среднем слое жидкости:

Рср = Р0 + Нср?,

где Р0 - давление на поверхности жидкости; Нср - принимается средняя высота столба, поскольку гидростатическое давление на поверхности равно 0, а внизу трубки Н?.

Следует отметить, что при кипении под вакуумом влияние гидростатического давления столба жидкости значительно, ибо в этом случае температура сильно изменяется с давлением.

Среди свойств растворов, имеющих значение для роста процесса выпаривания следует еще упомянуть о теплоемкости растворов. Теплоемкость растворов является функцией температуры и концентрации растворенного вещества. Для большинства растворов теплоемкость не имеет аддитивных свойств и не может быть точно вычислена по теплоемкости растворенных веществ и растворителей.

Для выполнения точных расчетов необходимо пользоваться опытными данными, помещенных в справочниках физико-химических величин.

Для двухкомпонентных водных растворов (вода + растворенное вещество) теплоемкость приближенно может быть вычислена:

а) разбавленный водные растворы (концентрация х < 20 %):

с = 4190(1 - х/100), [дж/кг 0С];

с = 1 - х/100, [ккал/кг 0С];

б) концентрированные водные растворы (концентрация х > 20 %)

с = 4190[1 - (х/100)(1 - ср.в.)], [дж/кг 0С];

с = 1 - (х/100)(1 - ср.в.), [ккал/кг 0С],

где: ср.в. - теплоемкости растворенного вещества в дж/кг 0С, (ккал/кг 0С); К - концентрация растворенного вещества в %.

При растворении твердых веществ в большинстве случаев наблюдается охлаждение раствора, так как разрушается кристаллическая решетка твердых веществ, а на это требуется затрата энергии (теплота плавления). Кроме того, растворяемое вещество вступает в химическое взаимодействие с растворителем, образуя сольваты (при растворении в воде - гидраты). При этом выделяется тепло.

Теплота растворения, таким образом, представляет собой сумму теплот плавления и химического взаимодействия.

Существует понятие - интегральная теплота растворения. Интегральная теплота растворения - это количество тепла, поглощающегося или выделяющегося при растворении 1 кг твердого вещества в очень большом количестве растворителя, т. е. в таком количестве, что дальнейшее его прибавление практически не сопровождается тепловым эффектом.

Вещества, образующие гидраты, имеют положительные теплоты растворения. Вещества, не образующие гидраты, имеют отрицательные растворения в воде.

Таким образом, теплота растворения зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, а также концентрации раствора.

Оборудование лабораторной работы

1. Колба;

2. Электроплитка;

3. Штатив;

4. Термометр ртутный;

5. Соль;

6. Весы;

7. Разновес;

8.Барометр.

Порядок выполнения работы

1. Влить в колбу 150 г воды и довести ее до кипения.

2. Замерить температуру кипения воды и атмосферное давление.

3. Взвесить необходимое количество соли сделать 5 % раствор, довести до кипения. Замерить температуру кипения 5 % раствора.

4. Получить аналогично температуры кипения 10 %, 15 %, 20 %, 25 % растворов.

5. Получить величину температурной депрессии для каждого из опытов.

Обработка опытных данных и составление отчета

В отчете по лабораторной работе должны быть представлены:

1. Графические зависимости t = f(х); ?q = f(х) полученные из эксперимента при условии атмосферного давления.

2. По правилу Бабо и по формуле И.А. Тищенко рассчитать и построить графическую зависимость ?/q = f(х). Расчетные давления взять по указанию преподавателя.

3. Графические зависимости ?q = f(х) и ?/q = f(х) для наглядности должны быть построены на одном графике.

4. Определить теплоемкость раствора при различной его концентрации и построить графическую зависимость с = f(х).

раствор пар температура кипение

Таблица 2.2.1.

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры

Пересчет в СИ; 1 кгс/см2 = 9,81·104 Па.

Таблица 2.2.2.

Пересчет в СИ: 1 кгс/см2 = 9,81·104 Па.

Таблица 2.2.3.

Таблица 2.2.4.

Значение коэффициента К в зависимости от давления

Вопросы для контроля

Физическая сущность процесса выпаривания?

Что такое температурная депрессия и методы ее определения?

Для чего в выпарной аппарат встраивается греющая камера?

Какими параметрами отличается первичный греющий пар от вторичного пара?

Чем отличается полезная разность температур от общей разности?

Какие существуют способы экономии греющего пара?

В чем состоит оптимизация выбора числа корпусов выпарной установки?

Из каких статей складывается тепловой баланс выпарной установки?

Перечислите достоинства и недостатки компоновочных решений выпарных установок (прямоток, противоток)?

Каков порядок расчета выпарных установок?

Список использованной литературы

1. Касаткин А.Г. "Основные процессы и аппараты химической технологии". Изд-во "Химия", 1971.

2. Плановский А.Н. и Николаев П.И. "Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии", Госхимиздат, 1967

3. Плановский А.Н. "Процессы и аппараты химической технологии" Госхимиздат, 1962

4. Чернобыльский И.И. "Выпарные установки", Изд-во Киевского университета, I960

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии". Изд-во "Химия", I970

6. Справочник химика, т.3, Госхимиздат, 1952

7. Вукалович М.П. "Термодинамические свойства воды и водяного пара”. Машгиз, 1950.

Размещено на Allbest.ru