Jednostkowe procesy fizyczne. Ogrzewanie i zatężanie roztworów.

OGRZEWANIE
•
powietrzne (gorące powietrze stosowane w suszarnictwie)
•
elektryczne (umoŜliwia uzyskanie wysokich temperatur oraz ich regulację – urządzenia
oporowe, łukowe, indukcyjne, dielektryczne)
•
•
•
•
•
•
ogniowe (stosowane w duŜym przemyśle chemicznym – moŜliwość uzyskania wysokich
temperatur, łatwość przegrzania spowodowana trudnością w regulacji temperatur)
wodne (gdy chcemy osiągnąć temperatury < 100°C)
wodne – przy pomocy wody przegrzanej tzn wody pod wysokim ciśnieniem w temperaturze
bliskiej wrzenia ( ogrzewanie to ma swoje ograniczenie – wymaga specjalnej aparatury
odpornej na rozerwanie np.aparatury Frederkinga)
olejowe (do 200°C – wada to tworzenie przez oleje osadów)
inne nośniki ciepła np. dowterm (mieszanina dwufenylu i eteru dwufenylowego), stop Wooda
parą wodną
a) bezpośrednie, tzw. bezprzeponowe np. destylacja z parą wodną
b) przeponowe, zastosowanie odpowiednich urządzeń, np. płaszcze parowe, węŜownice i
ogrzewanie rurkowe. Para wchodzi do urządzenia, oddaje ciepło i skrapla się. W
wymienniku ciepła powstają skropliny, które się odprowadza za pomocą garnków
kondensacyjnych działających na zasadzie pływaka.
Gdy skropliny wypełnią 2/3 objętości garnka kondensacyjnego to pływak podnosi się do
góry i otwiera zawór na przewodzie odprowadzającym skropliny. Pływak po spłynięciu
skroplin opada i zamyka zawór.
Wymienniki ciepła:
Ogrzewanie płaszczowe: 1-kocioł, 2-wprowadzenie pary grzejnej, 3-spływ skroplin
4- płaszcz grzejny,5- wspornik, 6- kran spustowy
Ogrzewanie płaszczowe
Podwójna ściana kotła, reaktor, naczynie, w którym prowadzimy reakcję. W przestrzeń między
dwoma ścianami wprowadza się medium grzejne. Odległość wynosi 2 – 3 cm. Wysokość drugiej
ściany, tzn. płaszcza zaleŜy od poziomu cieczy w reaktorze, którą chcemy ogrzewać. Medium grzejne
→ H O lub parą wodną. Zaleta wymiennika – szybki spływ skroplin. Wada
2
wymiennika – ciśnienie medium grzejnego najczęściej pary ograniczone do 5 atm.
Płaszcze zaopatrzone są w manometry, termometry oraz klapy bezpieczeństwa, które otwierają
się po przekroczeniu dopuszczalnego ciśnienia.
Ogrzewanie za pomocą węŜownic
Kocioł z węŜownicą: 1-dopływ pary grzejnej, 2-odprowadzenie skroplin
Rury o róŜnych kształtach, dostosowane do obudowy aparatu. Umieszcza się je na dole aparatu,
a w środku węŜownicy następuje przepływ medium grzejnego gorącej wody lub pary. Gdy medium
grzejnym jest para wodna, to w węŜownicy pojawiają się skropliny, jeśli są zbyt obfite, to spada ilość
przekazywanego ciepła.
Czasem naleŜy stosować długie węŜownice, wtedy dzieli się je na sekcje. Przy długich
węŜownicach pojawia się trudność w odprowadzaniu skroplin.
Parę grzejną wprowadza się zawsze przez górny koniec węŜownicy, natomiast skropliny spływają
dołem do garnka kondensacyjnego.
Na współczynnik przejmowania ciepła ma wpływ szybkość przepływu medium grzejnego, dlatego
waŜna jest średnica węŜownic. W stosunku do ogrzewania płaszczowego węŜownice posiadają
zaletę, Ŝe moŜna nimi ogrzewać większe aparaty i uzyskiwać wysokie temperatury.
Wadą węŜownic jest tworzenie się osadów trudnych do usunięcia. Dlatego stosuje się węŜownice
płaskie lub węŜownice, które moŜna wymontować i oczyścić z zewnątrz.
Do ogrzewania wodą przegrzaną lub wysokopręŜną parą stosujemy:
System grzewczy Frederkinga
1-korpus aparatu,2- węŜownica
System grzewczy Samka
1,2-doprowadzenie i wyprowadzenie środka grzejnego,
3- węŜownica na zewnętrznej ścianie reaktora
W/w systemy są montowane w urządzeniach ogrzewanych wodą przegrzaną ( temp. do 374°, ciśn. do
220atm) lub umoŜliwiają ogrzewanie parą wysokopręŜną. Urządzenia te posiadają stalowe węŜownice
o duŜej wytrzymałości. WęŜownice są wtopione w Ŝeliwną ścianę aparatu( system Frederkinga)
Medium grzejne wprowadzane jest do górnego końca węŜownicy, a wypływa dolnym. Te systemy
pozwalają na uzyskanie wysokich temperatur. Aby to osiągnąć medium grzejne ogrzewane jest w
osobnej instalacji składającej się z pieca z odpowiednimi przewodami. Piec ten znajduje się zawsze
poniŜej właściwego aparatu grzejnego. Ogrzane medium przechodzi przez węŜownice aparatu
grzejnego, gdzie oddaje ciepło i jako cięŜsze spływa z powrotem do pieca. Zaletą systemu
grzewczego Frederkinga jest moŜliwość łatwego regulowania temperatury. Wada: duŜy cięŜar całej
aparatury, wysoki koszt i stosunkowo mała powierzchnia ogrzewcza.
System grzewczy Samka stosowany jest częściej, a róŜni się tylko tym Ŝe węŜownice, w których
płynie medium nie są wtopione, ale są przyspawane na zewnątrz aparatu (do ścian). Sposób
przyspawania zaleŜy od materiału z którego zbudowany jest korpus (miedź, stal, glin) – systemy te są
tańsze.
Ogrzewanie rurkowe
Najprostszym typem ogrzewaczy są ogrzewacze rurkowe. Ten system charakteryzuje się duŜą,
powierzchnią grzejną i jest stosowany do ogrzewania duŜych ilości cieczy (w aparatach wyparnych).
Medium grzejnym jest najczęściej para wodna, z tym Ŝe para jest wprowadzana do przestrzeni między
rurkami. Ciecz ogrzewana płynie wewnątrz rur. Wymiennik rurkowy składa się z płaszcza, dwóch
dennic, dwóch wewnętrznych den sitowych i pewnej ilości rurek do tych den przymocowanych.
ZatęŜanie roztworów – Aparaty wyparne
Proces stęŜania polega na odprowadzeniu rozpuszczalnika ze środowiska roztworu przez
przeprowadzenie go w stan pary skroplenie w kondensatorze bądź odprowadzenie go bezpośrednio
do atmosfery. Najczęściej w przemyśle ma miejsce stęŜania roztworów wodnych i wodno alkoholowych Zagęszczanie roztworów do stanu nasycenia prowadzimy w wyparkach a zagęszczenie
do wydzielenia osadów substancji rozpuszczonych w warnikach. Zagęszczanie prowadzi się w
dowolnej temperaturze pod warunkiem, Ŝe:
pręŜność cząstkowa pary w roztworze jest większa niŜ pręŜność par rozpuszczalnika nad swobodną
powierzchnią parowania.
Normalnie ogrzewa się zagęszczone roztwory do temperatury wrzenia (wtedy łatwiejsze jest
parowanie cząstek cieczy, które muszą otrzymać większą ilość energii aby pokonać ciśnienie
zewnętrzne i siły oddziaływania między cząsteczkowego).
Temperatura wrzenia roztworu zaleŜy od:
• ciśnienia zewnętrznego
• rodzaju rozpuszczalnika
• substancji rozpuszczonej i
PręŜność par czystego rozpuszczalnika jest większa niŜ pręŜność par tego rozpuszczalnika w
roztworze. Roztwór ma wyŜszą temperaturę wrzenia niŜ czysty rozpuszczalnik.
ZatęŜanie roztworu prowadzi się w wyparkach . Dzieli się je na
1. o działaniu okresowym lub ciągłym
2. działające pod normalnym, obniŜonym i zwiększonym ciśnieniu
3. samodzielne i bateryjne
4. ze względu na sposób prowadzenia ogrzewania na:
a) przeponowe
1 płaszczowe
2 przy uŜyciu węŜownic
3 z ogrzewaniem rurkowym
b) bezprzeponowe
Aparat wyparny z płaszczem grzejnym.
Uwaga: przy stęŜaniu duŜej ilości roztworu stosuje się wyparki z węŜownicą grzejną.
Wyparki z ogrzewaniem rurkowym
Aparat wyparny Roberta
Wyparka ta jest przykładem aparatu z pionowym ułoŜeniem rurek. Aparaty z pionowym
ułoŜeniem rurek stosowane są aniŜeli aparaty z poziomym ułoŜeniem rurek.
Rurki te są montowane w dwa sitowe, górne i dolne. Wewnątrz rurek płynie roztwór, który
poddajemy zagęszczaniu, ogrzewając parą wodną, opływającą rurki z zewnątrz. Wewnątrz między
rurkami, w których krąŜy ciecz jest wytwarzana rura cyrkulacyjna, która ułatwia krąŜenie naturalne
cieczy. Ciecz parując miesza się z oparami i staje się lŜejsza, zostaje porwana ku górze (powyŜej
komory grzejnej gdzie następuje parowanie).
W drugiej części aparatu ciecz oddaje opary, z którymi była zmieszana, i staje się cięŜsza – spływ
w dół rurą cyrkulacyjną. Odprowadzana jest na zewnątrz aparatu (roztwór stęŜony).
KrąŜenie cieczy w wyparce jest bardzo intensywne, a dzięki temu współczynnik przenikania
ciepła a jest duŜy (wyparka jest wydajna).
Opary które wydobywają się z cieczy, która przedostała się do górnej części wyparki, opuszczają
wyparkę górą. Po drodze napotykają na łapacz kropel cieczy. Wychwytuje on porwane przez opary
kropelki cieczy i zawraca do aparatu wyparnego.
Na odparowanie 100kg H O zuŜywa się 110kg świeŜej pary.
2
Aparat wyparny Kestnera
Zbudowany równieŜ z pionowych ale o znacznie mniejszej średnicy rurek. Jest ich duŜo, są bardzo
długie co zwiększa powierzchnię grzejną w aparacie i pozwala na zagęszczenie roztworu w czasie
jednokrotnego przepływu przez komorę grzejną.
Roztwór zagęszczany wprowadzany jest od dołu wyparki. Nagrzewając się zmniejsza cięŜar właściwy
oraz lepkość. Powstające opary przyspieszają jego bieg a prędkość przepływu cieczy wraz z oparami
dochodzi nawet do 2 m/sek. Przy przejściu z części grzejnej do parowej zatęŜona ciecz uderza w
łopatki tarczy.Ta wprowadzona w ruch wirowy odrzuca zagęszczony roztwór na ścianki po których
spływa do odbieralnika. Natomiast opary po przejściu przez szereg przegród odprowadzane są do
skraplacza. Wyparki Kestnera, duŜo wydajniejsze od Roberta stosowane są między innymi przy
produkcji morfiny.
Wyparki wielodziałowe
L
W wyparce wielodziałowej złoŜonej najczęściej 3 lub 4 aparatów opary wydzielające się w jednym
aparacie słuŜą do ogrzewania komory następnego, w którym na skutek zmniejszonego ciśnienia
roztwór wrze w temperaturze niŜszej niŜ w aparacie poprzednim. Aparatem I działu nazywamy ten , w
którym ciecz wrze w najwyŜszej temperaturze i do którego doprowadzamy parę z kotła parowego.
Para ta po oddaniu ciepła częściowo skrapla się a skropliny spływają do garnka kondensacyjnego(4).
Nie skroplona część pary przechodzi do podgrzewacza roztworu rozcieńczonego(6). Ogrzany do
wrzenia roztwór w I dziale wydziela opary które są wprowadzane do komory grzejnej II działu, a z II do
następnego.Para powstała w ostatnim dziale skrapla się w kondensatorze barometrycznym(13).
Wrzenie w II dziale moŜna wywołać zmniejszając ciśnienie lub zwiększając temperaturę oparów
powstających w I dziale pod zwiększonym ciśnieniem ( zatęŜanie pod zwiększonym ciśnieniem).
o
RóŜnica temperatur między działami powinna zawierać się w przedziale 10-30 C.
Warniki
Urządzenia o podobnej konstrukcji do aparatów wyparnych z tym jednak, Ŝe zatęŜanie ma prowadzić
do wydzielenia substancji w postaci kryształów. Z tych właśnie względów musi być inna budowa dna
aparatu zapewniająca jak najmniejszy ruch cieczy. Dno aparatu warnikowego ma kształt stoŜka z
włazem umoŜliwiającym rozładowanie aparatu ( gdy pracuje cyklicznie), lub stoŜka z jednym lub
wieloma odbieralnikami ( gdy warnik pracuje w sposób ciągły
Aparaty wyparne otwarte – panwie
1- dopływ pary grzejnej, 2- spływ skroplin
Panwie z płaszcze parowym stosowane przy odparowaniu małej ilości cieczy w temperaturze niŜszej
od temperatury wrzenia roztworów.( Przypominają parownice na wrzącej łaŜni wodnej).
W przemyśle farmaceutycznym aparaty te są rzadko stosowane.