Operații Unitare

Capitolul I : Noțiuni teoretice

1.1. Bazele teoretice ale procesului.

Evaporarea este o reacție termică de separare parțial sau total a soluțiilor formate prin dizolvarea substanțelor nevolatile în dizolvanți volatili. Operația constă în transformarea a vaporilor dizolvantului volatil urmată de indepărtarea acestora din aparat. În acest mod conținutul dizolvantului scade, iar concentrația soluției în substanța nevolatilă crește. Transformarea dizolvatului în vapori se poate face prin fierbere sau prin vaporizare; evaporarea se refera numai la transformarea dizolvantului în vapori prin fierbere (operația se desfașoara la temperatura de firbere a soluției, presiunea vaporilor dizolvantului fiind egala cu presiunea lor de saturație la temperatura respectivă).

Apa se evaporă și se tansformă în formă de vapori, iar soluția dizolvată, de exemplu zahărul, rămîne în soluție în cantitatea neschimbată. Prin aceasta evaporarea se deosebește de distilare, în procesul căruia vaporii trec concomitent cu diferiți componenți a soluției, dar în cantitate diferită.

Prin evaporare, vaporii dizolvantului se obțin în stare practică pură, iar substanța nevolatilă (dizolvantul) de obicei un solid sau un lichid cu temperatura ridicată de fierbere (acid sulfuric, glicerina, etc.), ramâne în stare concentrată în aparat sau se separă în stare solida prin operații auxiliare (cristalizarea).

Separarea totală în același aparat, fară operații auxiliare este posibilă numai în cazul substanțelor nevolatile în stare lichidă (glicerina) sau când la temperatura de evaporare substanța lichidă nevolatilă se gasește în stare topită (azotat de amoniu și hidrixid de sodiu).

Utilaje în care se realizează operația de evaporare se numesc evaporatoare. Caldura necesară evaporării poate fi furnizata de purtătorii de căldură gazoși, lichizi sau vapori prin încalzire directă și indirectă.

Incălzirea directă (fară perete despărțitor) este utilizată rar în special la concentrarea soluțiilor corosive cu arzător afundat. Cel mai răspandit mod de transmitere a căldurii în evaporatoare este încălzirea indirectă cu vapori de apă. Mai rar se utilizează încălzirea cu gaze de ardere (obținerea hidroxidului de sodiu solid) și uneori cu purtători de căldura lichizi; încălzirea electrica se utilizează foarte rar, vaporii de apă utilizați pentru încalzirea evaporatoarelor se numesc vapori primari ( abur primar), iar vaporii rezultați în urma evaporării dizolvantului se numesc vapori secundari.

1.2. Factorii care influențează operația de evaporare.

Acești factori se referă atât la soluția inițială cât și la soluția concentrată, precum și la operația de evaporare în ansamblu.

Influența lor, se poate manifesta asupra transferului termic, asupra calitaților, soluției finale, asupra eficienței instalației sau asupra costului operației de evaporare.

Dintre factorii referitori la soluția inițială o importanța deosebita o prezintă următorii:

• concentrația și natura soluției

• constantele fizice ale soluției

• presiunea de vapori

• sensibilitatea termică

• depunerea de cruste sau cristale

• formarea de spumă

Factorii referitori la soluția concentrată cuprind, în afara celor enumerate la soluția inițiala, concentrația soluției finale și formarea acesteia (soluție, topitură sau cristale).

Dintre factorii referitori la operația de evaporare în ansamblu o importanță deosebită prezintă: modul de funcționare (continuu și discontinuu, circulația solutiei în evaporator și în instalație, presiunea și temperatura în evaporatoare, presiunea hidrostatică, parametrii aburului primar, durata evaporării și costul operației).

Câțiva din acești factori, a căror influență trebuie neaparat avută în vedere la alegerea tipurilor constructive și la calculul instalațiilor de evaporare vor fi analizați mai îndeaproape; o parte din ceilalți vor fi considerați la prezentarea procedeelor de evaporare și a tipurilor de evaporatoare.

Temperatura de fierbere a soluției într-un evaporator t`este mai mare decât temperatura de fierbere a solventului pur t la presiunea sub care are loc evaporarea. Creșterea temperaturii de fierbere a soluției se datorează influenței substanței nevolatile dizolvate, presiunii hidrostatice din evaporator și rezistența hidraulică la trecerea vaporilor secundari.

Dizolvarea unei substanțe nevolatile într-un dizolvant volatil are ca efect scăderea presiunii de vapori a dizolvantului și ca urmare creșterea temperaturii de firbere a soluției. Creșterea temperaturii de fierbere a soluției este cu atât mai mare cu cât este mai concentrată soluția respectivă.

Sensibilitatea termică, unele substanțe în special organice prin menținerea la o temperatură mai ridicată se degradează, adică se descompun chimic sau pierd anumite calități ,privind aspectul, mirosul sau culoarea. Degradarea depinde de produsul dintre temperatura t și durata de a se menține la temperatura respectivă.

Capitolul II Procesul de evaporare

2.1. Evaporarea simplă

Acest procedeu se realizează cu concentrarea soluției într-un singur evaporator, prin evaporarea soluției, până la atingerea cocentrației cerute, evaporarea simplă poate fi continuă sau discontinuă. Soluția inițială este continuu alimentată în evaporator. În urma evaporării rezultă vapori secundari GW și soluția concentrată.

Productivitatea evaporatorului depinde de parametrii aburului primar, de diferența între temperatura acestuia și temperatura soluției la suprafața de încălzire, de coficientul total de transfer termic.

Vaporii secundari GW sânt evacuate în atmosferă fie condesați într-un condensator, fie utilizati ca purtători de caldură pentru încălzirea altor aparate .

Evaporarea simpla poate fi realizata sub presiune sau sub depresiune (vid). La evaporarea sub vid depresiunea se realizeaza prin condensarea vaporilor secundari într-un condensator special și prin evacuarea gazelor necondensabile din spațiul de fierbere cu ajutorul unei pompe de vid. Evaporarea sub vid permite scăderea temperaturii de fierbere a soluției, putând fi astfel utilizată pentru concentrarea soluțiilor termolabile. Alte avantaje ale evaporării sub vid sunt: posibilitatea măririi diferenței de temperatură între aburul primar și soluția de concentrare, micșorarea suprafeței de încalzire folosind aburul primar de presiune joasă. Economia de metal pentru reducerea grosimii pereților evaporatorului.

Evaporarea sub presiune este mai rar utilizată în procedee de evaporare simplă, deoarece ridică temperatura de fierbere a soluției și deci necesită abur primar de presiune ridicată. Aburul secundar obținut, poate fi utilizat ca agent de încălzire sau în diferite scopuri tehnologice.