Выпаривание

ВЫПАРИВАНИЕ, процесс частичного удаления растворителя из раствора при нагревании. Выпаривание применяют для концентрирования растворов, выделения растворённого вещества (в производстве пластмасс, солей и пр.), получения чистого растворителя (в том числе обессоленной воды для бытовых и технических нужд), концентрирования эмульсий и суспензий (в целлюлозно-бумажном производстве, при концентрировании молока и пр.). Чаще всего выпариванию подвергают водные растворы нелетучих или малолетучих веществ. Выпаривание - один из древнейших способов разделения жидких смесей с использованием теплоты; процесс, в частности, применялся в солеварнях для выделения поваренной соли из растворов.

Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне (чаще всего теплоносителем служит водяной пар давлением до 1,2 МПа, называемый греющим или первичным) и непрерывному удалению вторичного пара, образующегося при нагревании раствора. Движущая сила выпаривания - разность между температурами греющего пара и кипящего раствора, так называемая полезная разность температур. Она всегда меньше разности температур первичного и вторичного паров, так как раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения растворителя, называемая температурной или физико-химической депрессией, определяется химической природой раствора и часто достигает больших (до 90 °С и более) значений, возрастая с увеличением концентрации и внешнего давления. Температура кипения раствора повышается также из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве; одна из главных причин повышения давления - гидростатическое давление раствора (так называемая гидростатическая депрессия).

Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным (до 0,6 МПа) давлением или разрежением (до 0,008 МПа). Выпарные аппараты для паросиловых установок, опреснительных установок атомных электростанций и холодильных агрегатов часто называют испарителями. В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпарные аппараты делятся на поверхностные (теплота передаётся от теплоносителя через стенку аппарата) и контактные (теплопередача осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителя с раствором).

Наибольшее распространение получили поверхностные выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также плёночные выпарные аппараты. В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией осуществляют обычно выпаривание маловязких (вязкость до 6-8 мПа·с) ненасыщенных растворов хорошо растворимых солей. Для выпаривания растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на нагреваемой поверхности значительный слой накипи, а также при опреснении морской воды применяют выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения, в которых над греющей камерой установлена дополнительная труба, обеспечивающая естественную циркуляцию. Для выпаривания сравнительно вязких (до 1 Па·с) продуктов применяют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, создаваемой насосом.

Вертикальные плёночные выпарные аппараты используют для выпаривания сильно пенящихся, термочувствительных продуктов (например, в производстве дрожжей, фруктовых соков, антибиотиков, растворимого кофе); концентрирование в этих аппаратах происходит в результате однократного движения тонкого слоя (плёнки) раствора вместе с вторичным паром вдоль трубок длиной 6-8 м. Достоинства таких выпарных аппаратов - малый объём жидкости в аппарате и малая продолжительность контакта выпариваемого продукта с нагреваемой поверхностью при большой производительности аппарата. Очень вязкие (до 20 Па·с) термочувствительные вещества (например, карбамид, капролактам) концентрируют в роторных выпарных аппаратах, в которых раствор перемещается («размазывается») скребками ротора по поверхности теплообмена в виде тонкой турбулизованной плёнки. В результате получают пастообразные продукты. Возможно выпаривание до сухого остатка.

Контактные выпарные аппараты с погружным горением, обогреваемые барботирующими через раствор дымовыми газами, используют для выпаривания химически агрессивных высококипящих растворов.

В одиночных аппаратах непрерывного и периодического действия перерабатывают сравнительно небольшие количества растворов, например в производстве особо чистой поваренной соли, а также томатных паст, сгущённого молока. Выпаривание  растворов, характеризующихся небольшими значениями температурной депрессии (до 20 °С), осуществляют в одиночных выпарных аппаратах с тепловым насосом; вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором для повышения температуры до температуры греющего пара. Для уменьшения расхода греющего пара широко применяют многоступенчатые (многокорпусные) установки непрерывного действия, состоящие из ряда последовательно соединённых аппаратов, работающих при постепенно снижающемся давлении. Первичным паром обогревается только первый корпус, а каждый последующий - вторичным паром предыдущего. Разновидность многоступенчатых выпарных установок - установки мгновенного вскипания. Число ступеней испарения может достигать 30 и более, что обусловливает их работу при малых (2-3 °С) значениях полезной разности температур и полностью исключает перегрев раствора. В установках мгновенного вскипания осуществляют выпаривание растворов с малой температурной депрессией при невысокой степени их концентрирования, например при опреснении морской воды.

Выпаривание  используется в химической, пищевой и других отраслях промышленности, при подготовке воды из природных источников для питания испарителей-кипятильников. Многокорпусные выпарные установки применяются для обработки промышленных стоков.

Лит.: Таубман Е. И. Выпаривание. М., 1982; Billet R. Evaporation technology: principles, applications, economics. Weinheim, 1989; Таубман Е. И., Пастушенко Б. Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. М., 1990.