Concentrația soluțiilor diluate prin evaporare

1.NOTIUNI GENERALE

Din punct de vedere fizic, evaporarea (vaporizarea) este transformarea unei substante din stare lichida in stare de vapori. Ca opetie unitara, evaporarea se utilizeaza in industria chimica pentru concentrarea unor solutii, prin indepartarea sub forma de vapori, a unei parti din solvent.

Operatia consta in transformarea in vapori a dizolvantului volatil, urmata de indepartarea acestora din aparatul in care are loc operatia. Astfel, continutul dizolvantului in solutie scade, iar concentratia solutiei in substanta nevolatila (dizolvat) creste. Transformarea dizolvantului in vapori se face prin fierbere sau prin vaporizare.Evaporarea se refera numai la transformarea dizolvantului in vapori prin fierbere.

Caldura necesara evaporarii poate fi furnizata de purtatori de caldura gazosi, lichizi sau vapori, prin incalzire directa sau indirecta.Cel mai raspindit mod de transmitere a caldurii in evaporatoare este incalzirea indirecta cu vapori de apa (abur).

In industria chimica, operatia de evaporare se realizeaza prin trei procedee importante: evaporarea simpla, evaporarea cu efect multiplu si, mai rar, evaporarea cu pompa de caldura.

Alegerea procedeului de evaporare eel mai potrivit, a tipului de evaporator cel mai eficient, necesita cunoasterea tuturor factorilor care influenteaza operatia de evaporare. Dintre acestea se amintesc

— Temperatura de fierbere a solutiei. Cu cit aceasta este mai mure, cu atit evaporarea decurge in conditii mai grele (temperatura ridicata a agentului de incalzire, incarcare termica ridicata). Cresterea temperaturii de fierbere a solutiei se datoreste concentratiei substantei nevolatile dizolvate, presiunii hidrostatice din evaporator si rezistentei hidraulice opusa la trecerea vaporilor secundari.

— Sensibilitatea termica. Unele substante (in special organice), au o rezistenta scazuta la temperaturi ridicate (se descompun termic). Rezulta deci, ca pentru aceste substance este necesar ca evaporarea sa se efectueze la temperaturi cit mai joase, in timp cit mai

scurt.

— Concentratia solutiei. Cresterea concentratiei solutiilor in evaporatoare influenteaza nefavorabil operatia de evaporare, prin inrautatirea transmiterii de caldura, prin reducerea circulatei solutiei si prin depunerea de cruste.

2. PROCEDEE DE EVAPORARE

Evaporarea simpla (fig. 11.16) consta in fierberea solutiei diluate pina la atingerea concentratiei cerute, intr-un singur evaporator. Vaporii rezultati din fierbere, numiti vapori secundari (w1) sint eliminati in atmosfera (mai rar), sau sint condusi intr-un condensator (pentru recuperarea lor si a caldurii continute). Evaporatorul este incalzit, de obicei, cu abur. Evaporarea simpla se realizeaza continuu sau discontinuu, la presiune atmosferica sau in vid (pentru micsorarea punctului de fierbere, incalzire mai puternica).

Evaporarea cu efect multiplu (multipla) urmareste realizarea economiei de abur primar pentru incalzire si de apa de racire pentru condensare, prin utilizarea vaporilor secundari dintr-un evaporator, ca abur de incalzire in evaporatorrul imediat urmator al unei instalatii de evaporare formata din mai multe evaporatoare.

Pentru ca vaporii secundari dintr-un evaporator sa fie folositi ca abur de incalzire in evaporatorul imediat urmator este necesar ca temperatura de fierbere a solutiei din acesta sa fie mai mica decit cea din evaporatorul precedent. Rezulta ca, intr-o instalatie de evaporare multipla, temperaturile si presiunile sint diferite, scazind de la primul catre ultimul evaporator.

Dupa modul de circulatie a solutiei supuse concentrarii si a agentului de incalzire,

instalatiile de evaporare multipla se impart in doua categorii: cu circulatie in curent paralel si in contracurent.

In figura 11.17 este aratata schema unei instalatii de evaporare multipla cu circulatie in contracurent, folosita mai frecvent in industrie pentru avantajele sale fata de instalatiile cu circulatie in curent paralel.

Numarul evaporatoarelor dintr-o instalatie cu efect multiplu este cuprins intre 3 si 5.

Evaporarea cu pompa de caldura, utilizeaza in calitate de vapori primari, vaporii secundari rezultati in acelasi evaporator, dupa ce li se ridica presiunea si temperatura de condensare prin comprimare.

3. TIPURI DE EVAPORATOARE

Evaporatoarele sint utilajele in care se realizeaza evaporarea unui lichid, in vederea concentrarii unor solutii necesare in diferite procese, la concentratii bine precizate.

In general, clasificarea evaporatoarelor se face dupa modul de incalzire: evaporatoare incalzite cu caldura solara, incalzite cu flacara, incalzite prin serpentine sau manta cu abur, cu sisteme tubulare de incalzire (tevi si fascicul de tevi orizontale sau verticale).

Cele mai folosite evaporatoare sint cele cu sistemul de incalzire format din fascicul de tevi verticale cu circulatie naturala, cu circulatie fortata si cu circulatie in film a solutiei.

Evaporatoare cu circulatie naturala. Cel mai raspindit aparat din aceasta categorie este evaporatorul vertical cu tub central de circulatie (fig. 11.18). Jumatatea inferioara a acestui aparat reprezinta camera de incalzire, care consta dintr-un fascicul de tevi 2, avind capetele fixate in doua placi tubulare. In centrul sistemului tubular de incalzire, in axa evaporatorului este montat tubul de recirculare 3, care are diametrul mult mai mare decit celelalte tevi. Aburul primar intra in spatiul dintre tevi, iar solutia fierbe in tevile sistemului de incalzire. Circulatia naturala a solutiei in evaporator se datoreaza incalzirii intense a tevilor fierbatoare subtiri (diametru mic, suprafata specifica de incalzire mare), fata de incalzirea mai redusa in tubul central (diametru mare, suprafata specifica de incalzire mica). Jumatatea superioara a aparatului reprezinta spatiul (camera) vaporilor secundari 4, avind diametrul putin mai mare, pentru a reduce viteza acestora. Vaporii se degaja din solutie in spatiul de vapori, trec prin separatoarele de picaturi 5 (diferite sicane) si sint evacuati din evaporator prin conducta vaporilor secundari.