Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 13
1.1. Выпаривание 13
1.2. Проблема уноса растворенного вещества вторичным паром выпарной установки 16
1.2.1. Источники загрязнений выпариваемых растворов и питательной воды, влияние загрязнений на работу выпарных и парогенерирующих установок 16
1.2.2. Загрязнение пара 20
1.2.3. Механизм уноса капельной влаги с паром 21
1.2.4. Закономерности растворимости веществ в паре 24
1.2.5. Методики экспериментального анализа уноса выпариваемого соединения вторичным паром 27
1.3. Схемы выпарных установок. Схемы паросепарационных устройств, используемых в химической технологии и энергетике.
1.3.1. Схемы выпарных установок химической промышленности 29
1.3.2. Выбор конструкций и промышленные данные по уносу солей на выпарных аппаратах 30
1.3.3. Сепарация капельной влаги из пара в химической технологии 32
1.3.4. Гравитационные сепараторы брызгоуловители 33
1.3.5. Инерционные сепараторы брызгоуловители 34
1.3.6. Центробежные сепараторы брызгоуловители 37
1.3.7. Барботажные устройства для промывки пара водой 39
1.3.8. Сепарация капельной влаги из пара в энергетике 40
Заключение. Постановка задачи исследования 42
Глава 2. Математическое моделирование влияния температуры, давления и начальной концентрации на величину уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов 43
2.1. Математическая модель поверхностного выпарного аппарата...43
2.2. Математическое описание процессов в греющей камере 44
2.3. Математическое описание процессов в парожидкостном
пространстве 50
Глава 3. Экспериментальное исследование уноса растворенных веществ из выпариваемых растворов вторичными парами выпарных установок 63
3.1. Выбор типа и масштаба экспериментальной установки 66
3.2. Методы, применяемые для анализа полученных в ходе экспериментов проб конденсата 69
3.2.1. Метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии 69
3.2.2. Метод титрометрии 73
3.3. Выбор исследуемых соединений и концентраций. Состав исследуемых растворов 75
3.4. Описание экспериментальной установки. Объекты исследования и методика проведения эксперимента 77
3.6. Результаты исследования уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов вторичными парами 79
3.6.1. Зависимость уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов от их начальной концентрации 79
3.6.2. Влияние природы отрицательного иона выпариваемых растворов солей на унос растворенного вещества вторичным паром из выпариваемых растворов 87
3.6.3. Влияние температуры испарения и кипения раствора (98 -
103С) на унос растворенного вещества из выпариваемых растворов 90
Глава 4. Обработка полученных экспериментальных данных и проверка адекватности математической модели 101
Выводы 106
Литература
- Источники загрязнений выпариваемых растворов и питательной воды, влияние загрязнений на работу выпарных и парогенерирующих установок
- Математическое описание процессов в греющей камере
- Выбор исследуемых соединений и концентраций. Состав исследуемых растворов
- Зависимость уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов от их начальной концентрации
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одними из основных процессов химической технологии являются процессы выпаривания и парогенерации, которые широко используются в химической, нефтехимической, металлургической, пищевой и фармацевтической промышленности. Наиболее распространенными аппаратами для осуществления процессов выпаривания и парогенерации, являются выпарные аппараты и испарители.
Эффективность работы выпарных аппаратов и испарителей, определяется, в числе прочих факторов, величиной уноса растворенного вещества из выпариваемого раствора вторичными парами. Особенно остро этот вопрос стоит в химической промышленности, где выпаривание применяется для концентрирования технологических растворов. В этом случае унос растворенного вещества приводит к сильному загрязнению пара и препятствует повторному использованию конденсата или сбросу его в открытые водоемы. Известны два пути уноса растворенного вещества из выпариваемого раствора: капельный унос растворенного вещества вторичным паром, и унос растворенного вещества вследствие растворяющей способности пара. Капельный унос растворенного вещества при выпаривании более изучен, в то же время данных по уносу растворенного вещества вследствие растворяющей способности пара практически нет.
В связи с этим одной из важнейших задач производств, связаных с выпариванием раствора, является исследование явления уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов вторичными парами выпарных установок, а также разработка метода расчета концентрации растворенного вещества в конденсате выпарной установки при различных режимах выпаривания и различной начальной концентрации выпариваемых растворов.
Целью работы являлось экспериментальное исследование уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов вторичным паром при различных режимах выпаривания и различной начальной концентрации растворов, а также разработка метода расчета концентрации растворенного вещества в получаемом конденсате.
Научная новизна
Впервые получены количественные значения уноса солей вторичным паром из выпариваемых растворов NaCl, КС1, BaCl2,MgCl2, СаС12, Na2S04, MgSCXt, C11SO4, ZnSC>4 (в диапазоне начальных концентраций от 6 до 240 г/л). Показано, что при увеличении начальной концентрации выпариваемого раствора СаС12 от 6 г/л до 240 г/л, даже в режиме испарения раствора (98С), концентрация ионов Са в конденсате изменялась от 0,0002 г/л до 0,0037 г/л т.е. концентрация в конденсате увеличивалась в 18 раз; для раствора Na2SC>4 изменение начальной концентрации от 6 г/л до 240 г/л приводило к росту концентрации ионов Na+ в конденсате в 5 раз;
Впервые показано, что природа растворенного вещества (NaCl, Na2SC>4, MgCl2, MgS04) оказывает огромное влияние на их растворимость в паре. В области начальных концентраций растворов от 6 до 24 г/л различие в растворимости веществ во вторичном паре определяется природой как положительного, так и отрицательного ионов. При начальной концентрации выпариваемого раствора 12 г/л унос положительных ионов солей из выпариваемых растворов составляет для NaCl - 0,0016 г/л, Na2S04 - 0,0024 г/л, MgCl2 - 0,00012 г/л, MgS04 - 0,00003 г/л. При начальных концентрациях растворов (>60 г/л) растворимость веществ в паре не зависит от природы отрицательного иона, а зависит лишь от природы положительного иона;
Впервые рассмотрено влияние режимов кипения, стабильного и нестабильного барботажа на унос растворенного вещества из выпариваемых растворов вторичными парами выпарной установки. При
7 режимах неустойчивого и устойчивого кипения основным фактором уноса растворенного вещества с паром является капельный унос. Установлено, что даже при наличии в установке сепарирующего устройства унос растворенного вещества в режиме неустойчивого кипения (101 С) возрос по сравнению с испарением (98С) примерно в 6 раз, а в режиме устойчивого кипения (103С) в 8 -*-10 раз; 4) Разработана математическая модель уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов вторичными парами выпарных установок. Получены эмпирические зависимости уноса растворенного вещества от режима выпаривания и начальной концентрации выпариваемых растворов NaCl, КС1, BaCl2,MgCl2, CaCJ2, Na2S04, MgS04, CuS04, ZnS04. Практическая значимость
Получены необходимые для промышленности данные по растворимости солей NaCl, КС1, BaCI2, MgCl2, СаС12, Na2S04, MgS04, CuS04, ZnS04 во вторичном паре при начальных концентрациях растворов от 6 г/л до 240 г/л;
Показано, что в режиме устойчивого кипения (103С) выпариваемого раствора, несмотря на наличие в установке сепарационного устройства, концентрация солей в конденсате возрастала по сравнению с испарением (98С) примерно в 8 + 10 раз. Поэтому при проектировании выпарных установок для получения высококачественного конденсата, в котором концентрация растворенного вещества определяется лишь растворимостью вещества в паре, необходимо обратить особое внимание на конструирование высокоэффективных сепарационных устройств. В противном случае получаемый конденсат будет сильно загрязнен в связи с капельным уносом растворенного вещества из выпариваемого раствора;
Установлено, что при средних и высоких начальных концентрациях выпариваемого раствора концентрация растворенного вещества в получаемом конденсате, даже в режиме испарения, оказывается достаточно высокой, т. е. чистота конденсата в этом случае определяется
8 концентрацией раствора: чем меньше концентрация выпариваемого раствора, тем чище получится конденсат; 4) На основании разработанной математической модели предложен метод, позволяющий рассчитать концентрацию растворенного вещества в конденсате выпарной установки при начальных концентрациях растворов от 6 г/л до 240 г/л, как в режимах "чистого" испарения, так и в режимах неустойчивого и устойчивого кипения растворов. Апробация работы и публикации
Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены
на: Международной студенческой конференции «Фундаментальные науки-
специалисту нового века». Иваново, 2002 г.; в ходе работы Международной
школы молодых ученых «Методы кибернетики в технологиях, экономике и
управлении производством». Иваново, 2002 г.; Международной научной
конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование,
экологически безопасные производства». Иваново, 2004 г.; III Конференции
молодых ученых ИХР РАН. Иваново, 2004 г.; Всероссийской студенческой
научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных
процессов, промышленная безопасность и экология». Казань, 2005 г.; V
Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы
теоретической и экспериментальной химии». Саратов, 2005 г.; VII
Международной научной конференции «Теоретические и
экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования». Иваново, 2005 г.; I Всероссийской школы-конференции «Молодые ученые - новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность». Иваново, 2005 г.
По результатам проведенной работы опубликованы 10 научных работ, из них 1 статья в журнале «Известия вузов. Химия и химическая технология», 2 рецензируемые публикации в сборниках трудов международных конференций, 7 тезисов докладов конференций.
9 ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Ку- коэффициент уноса, %;
кР- коэффициент распределения веществ между насыщенным паром и
кипящим раствором, %;
со- влажность пара, %;
dc~ диаметр сечения разрыва пузырька, мм;
h- путь пузырька, мм;
Ся - концентрация веществ в паре, мкг/кг;
С в- концентрация веществ в растворе, мкг/кг;
Rp- удельная нагрузка зеркала испарения, кг/(м2-с);
Rjr- удельная нагрузка парового объема, кг/(м -с);
D- расход пара, кг/час;
Fucn- площадь зеркала испарения, м2;
Упар- паровой объем установки, м ;
а - температуропроводность, м /час;
bo- концентрация раствора на входе в первый аппарат, кг/л;
b - концентрация раствора в аппарате, кг/л;
с'- теплоемкость конденсата, ккал/кг град;
с"- теплоемкость пара, ккал/кг град;
с'"- теплоемкость раствора, ккал/кг град;
с\р- теплоемкость металла, ккал/кг град;
Сц- теплоемкость изоляции, ккал/кг град;
с0- теплоемкость раствора на входе в первый аппарат, ккал/кг град;
dp- внутренний диаметр труб, мм;
dip- наружный диаметр труб, мм;
D- расход греющего пара на оттяжку неконденсирующихся газов, кг/час;
Die- расход конденсата на оттяжку неконденсирующихся газов, кг/час;
D- расход пара на оттяжку неконденсирующихся газов, кг/час;
Е- расход отбираемого пара, кг/час;
10 F- площадь поверхности нагрева аппарата общая, м2;
F- площадь поверхности нагрева аппарата со стороны конденсирующегося пара, м2;
F"- площадь поверхности нагрева со стороны кипящей жидкости, м2; ц- площадь поперечного сечения жидкости в аппарате, м2; G\r- масса металла корпуса греющей камеры, кг; Go- масса изоляции греющей камеры, кг; Gs- масса металла поверхности нагрева, кг;
G- масса металла охватывающего парожидкостное пространство, кг; G}jc~ масса жидкости в объеме ограниченном плоскостью, от которой отсчитывается уровень, кг; h- уровень жидкости в аппарате, м; Н- длина (высота) поверхности нагрева, м; і(г энтальпия греющего пара на входе в первый аппарат, ккал/кг; і и- энтальпия в греющей камере, ккал/кг; / - энтальпия конденсата, ккал/кг; /"- энтальпия вторичного пара, ккал/кг; К- коэффициент теплопередачи, ккал/м час град; п- число аппаратов; Риг давление в греющей камере, атм; р- давление вторичного пара, атм; д- плотность теплового потока;
Ой- суммарные потери тепла в окружающую среду, ккал/час; Q'- суммарные потери тепла через корпус греющей камеры, ккал/час; Q"- суммарные потери тепла через корпус паро-жидкостного пространства, ккал/час;
г- теплота парообразования, ккал/кг; R- термическое сопротивление, м час град/ккал; So- расход жидкости на входе в первый аппарат, кг/час; S- расход жидкости на выходе из аппарата, кг/час;
/- температура вторичного пара, С;
tit- температура пара в греющей камере, С;
/с- температура поверхности нагрева, С;
tic- температура конденсата, С;
tic"- температура пара в конденсаторе, С;
to- температура охлаждающей жидкости, С;
tp- температура газа, С;
At- температурный напор;
V- объем рабочей зоны контактного аппарата, м /кг;
Vi- объем пара в греющей камере, м3/кг;
V2- объем пленки конденсата, м3/кг;
Уз- объем греющей камеры, м /кг;
Vg- объем парожидкостного пространства, м3/кг;
Уж- объем жидкости в парожидкостном пространстве, м3/кг;
W- расход вторичного пара, кг/час;
- концентрация растворенного вещества в конденсате, кг/л;
W = ХЖ~ производительность установки по испаренной жидкости, кг/час;
«-і
и- внутренняя энергия вторичного пара;
ип- внутренняя энергия пара в греющей камере;
«/- коэффициент теплоотдачи при конденсации, ккал/м час град;
а2 - коэффициент теплоотдачи при кипении, ккал/м час град;
'J
р- коэффициент массоотдачи, кг/час м кг/кг;
6- толщина пленки конденсата, мм;
Sq- толщина стенки поверхности нагрева, мм;
Зц- толщина слоя накипи, мм;
(5//-толщина изоляции, мм;
А- частная температурная депрессия;
Д- суммарная температурная депрессия;
& - температура раствора в конденсаторе-регенераторе УМИ, С;
\
9q - температура жидкости на входе в первый выпарной аппарат, С;
0М - температура металла, С;
\: - теплопроводность стенки поверхности нагрева, ккал/м час град;
- - теплопроводность накипи, ккал/м час град;
Я'-теплопроводность конденсата, ккал/м час град;
Aji - теплопроводность изоляции, ккал/м час град;
V- вязкость, м /сек;
р - плотность конденсата, кг/м";
р " - плотность пара, кг/м3;
/?'"- плотность раствора, кг/м ; (J - поверхностное натяжение; г - текущее время; СО - степень концентрирования.
Источники загрязнений выпариваемых растворов и питательной воды, влияние загрязнений на работу выпарных и парогенерирующих установок
Продукты коррозии поступают в рабочую среду как извне вместе с добавочной водой, возвратом конденсата, так и вследствие коррозии материалов оборудования. Количество образующихся продуктов коррозии определяется конструктивными материалами, поверхностями, соприкасающимися с рабочей средой, условиями протекания рабочих процессов, главным образом давлением, температурой, свойствами выпариваемого раствора, определяемым значением рН рабочей среды и др. Искусственные добавки вводятся в рабочую среду с целью создания условий для протекания ряда нужных химических реакций в направлении предотвращения коррозии оборудования. Примеси, поступающие в объем выпарной установки, могут находиться в ней в растворенном и во взвешенном состояниях. При определенных условиях они могут выпадать на поверхность нагрева, образуя отложения, ухудшающие теплопередачу и повышающие температуру стенки установки и труб. Примеси из выпариваемого раствора частично переходят в пар (конденсат), загрязняя его. Особенно чувствительны к образованию отложений трубы в теплообменниках, в которых трубы, как правило, имеют небольшое сечение [22, 37, 38]. Следует отметить, что процессы сепарации вторичного пара при выпаривании в промышленных условиях весьма многообразны. В химической технологии к ним относится, например, отделение пара от основной массы воды (грубая сепарация), достигающееся обычно либо в процессе барботажа пара через массу жидкости, центробежная сепарация в циклонах (большие паровые нагрузки поперечного сечения выпарных установок). Иногда очень существенными являются процессы глубокой очистки потока пара малой влажности от мелких капель (тонкая сепарация), осуществляемые либо в процессе медленного подъема пара через сосуды большого сечения, либо путем осаждения капель при прохождении пара сквозь пакеты гофрированных металлических листов.
Особой областью является отделение мелких капель в условиях больших скоростей - сепарация капельной влаги из потока пара. Основное внимание уделяется исследованиям объемной сепарации пара от капель, увлекаемых паром, при его барботаже через слой жидкости [39, 40]. Более подробному рассмотрению процессов сепарации вторичного пара при выпаривании с приведением ряда схем сепараторов посвящена глава 1.3.
Пар загрязняется веществами, находящимися в растворенном и во взвешенном состоянии в растворе. Известны два пути перехода веществ из раствора в пар: унос паром капельной влаги, а вместе с ней растворенных и взвешенных веществ, и переход веществ из раствора в пар вследствие растворяющей способности пара. В общем случае чистоту пара определяют коэффициентом уноса Ку, %: Ку со + кр=100Сп/Св (1.1) где СО- влажность пара, %; кр- коэффициент распределения веществ между насыщенным паром и кипящей водой, %; Си, С в - концентрация веществ в паре и воде, м кг/кг.
Влажность пара СО определяется как отношение массы капель выпариваемого раствора, поступающей в насыщенный пар, к расходу пара из выпарной установки. В выпарной установке капли влаги уносятся с паром в завершающей стадии испарения - режиме влажности пара. Вместе с каплями раствора в пар переходят находящиеся в объеме установки примеси. Однако ощутимое загрязнение пара примесями за счет поступления с капельной влагой имеет место только в выпарных установках, работающих при высоких давлениях.
Кроме того, пар обладает способностью растворять в себе неорганические соединения, находящиеся в растворенном состоянии в кипящем растворе, с которым пар контактирует, что определяется коэффициентом распределения, зависящим от соотношения плотности р"/р . По мере повышения давления и увеличения плотности пара растворимость веществ в паре возрастает, и при высоком давлении содержание отдельных веществ в паре становится значительно выше по сравнению с загрязнениями, обусловленными уносом веществ каплями раствора [41 -44].
Математическое описание процессов в греющей камере
В зависимости от расположения пакетов насадки в пространстве их можно подразделить на горизонтальные, вертикальные и наклонные. Слои из гранулированных материалов, колец Рашига, седел Берля и других специальных видов насадки обычно устанавливаются в верхней части аппарата.
На рис. 1.9 приведен ряд наиболее распространенных схем инерционных сепараторов брызгоуловителей. В атмосферных и вакуумных колоннах первичной перегонки не применяют отбойники из сеток и уголков (рис. 1.9 а), а в абсорберах - из вертикально установленных уголков (рис. 1.9 б). Встречаются также отбойники с наклонно расположенными элементами (рисунок 1.9 с). В том и другом случае жидкость из потока пара (газа) выделяется в результате соприкосновения капель с поверхностью элементов. Однако отвод отсепарированной жидкости осуществляется по-разному, что и обусловливает разную картину их работы и различные допустимые скорости движения газа. В отбойном устройстве из насадки отсепарированная жидкость стекает навстречу восходящему потоку пара, а в отбойниках из вертикально установленных пластин она стекает по элементам в специальное устройство и далее через гидрозатвор выводится из системы.
В отбойных устройствах из насадки уносимая жидкость проникает в слой насадки и создает на ее поверхности ламинарную пленку жидкости. Эта пленка стекает на нижние элементы, образуя там крупные капли, которые отрываются и движутся навстречу потоку пара. Подобная картина сепарации жидкости наблюдается лишь до определенных значений нагрузок по пару и жидкости. Начиная с некоторой скорости пара жидкость заполняет весь объем слоя насадки и часть ее уносится с отбойника вместе с уходящим паром, т.е. возникает вторичный унос жидкости. Нагрузки, при которых еще нет вторичного уноса жидкости, считаются максимально допустимыми, поскольку им соответствует максимальная эффективность сепарации. При нормальной работе отбойных устройств из вертикально расположенных уголков, жидкость ламинарной пленкой стекает по поверхности уголков. При достижении некоторой скорости пара движение жидкости становится волнообразным. Затем происходит срыв пленки с поверхности уголков и появляется вторичный унос жидкости, уменьшающий эффективность сепарации. Нагрузки, при которых еще нет срыва пленки жидкости, считаются максимально допустимыми, поскольку они отвечают максимальной эффективности сепарации. Общая эффективность инерционных брызгоуловителей увеличивается с ростом скорости пара (газа). Однако этот рост не может быть беспредельным, поскольку в определенном диапазоне скоростей газов происходит резкое снижение эффективности сепарации из-за возникновения вторичного уноса, наступает «захлебывание» сепаратора. Критическая скорость в сечении сепараторов определяется их конструкцией, расположением пакетов насадки в пространстве, направлением набегающего газового потока, геометрическими характеристиками элементов, физико-химическими свойствами сред и уносом брызг из аппарата.
Центробежные брызгоуловители (рис. 1.10 - 1.13) получили наибольшее распространение в промышленности. Основными достоинствами являются высокая эффективность и меньшая по сравнению с инерционными склонность к образованию отложений. Оптимальная скорость газов в свободном сечении цилиндрического завихрителя 5 м/с, конического 12-18 м/с. Отвод жидкости из сепаратора осуществляется через сливные патрубки, расположенные в нижней части сепаратора, тангенциально и навстречу газовому потоку. Центробежные брызгоуловители при работе в оптимальном режиме обеспечивают остаточное содержание капель в газах 60-100 мг/м".
Выбор исследуемых соединений и концентраций. Состав исследуемых растворов
Для изучения распределения неорганических соединений в кипящем растворе между выпариваемым раствором и паром, определения их растворимости в паре нами были отобраны следующие соединения: NaCl, КС1, ВаС12, MgCl2, СаС12, Na2S04, MgS04, CuS04, ZnS04.
Данные соли были выбраны по следующим причинам: при нагреве не разлагаются; обладают хорошей растворимостью в воде; катионно-анионный состав солей позволяет анализировать влияние, как положительного, так и отрицательного иона на унос растворенного вещества из выпариваемого раствора; данные соединения широко применяются в химико-технологических процессах. Вся работа велась с растворами солей марки «ХЧ».
Известно, что растворимость каждого исследуемого вещества в растворителе качественно определяется составом используемого ими насыщенного раствора (насыщенный раствор - это раствор, при добавлении в который порции растворяемого вещества оно уже больше не переходит в раствор). Каждое исследуемое нами вещество обладало индивидуальной растворимостью в растворителе (растворимость веществ сильно зависит от температуры: при повышении температуры растворимость твердых веществ, как правило, возрастает, а растворимость газов снижается, при повышении давления растворимость газов возрастает).
Для получения объективных экспериментальных данных нами были выбраны такие начальные концентрации, чтобы полученный раствор солей был ненасыщенным (содержание растворенного вещества в растворе меньше растворимости этого вещества), образования остатка нерастворенной фазы не происходило и не возникало метастабильного состояние раствора (образование второй фазы сразу не происходит, и растворенное вещество остается в растворе, хотя растворимость этого вещества превышена) [110].
Для низких солесодержаний раствора, при которых солесодержание пара оказывается уже столь малым, что находится на границе (а часто и за её пределами) точности соответствующих методов аналитического определения, эксперименты не проводились [53]. Экспериментальные исследования проводились при средних и высоких начальных концентрациях.
Для исследования уноса растворенных веществ из выпариваемых растворов была спроектирована и изготовлена лабораторная установка, представляющая собой вертикальный выпарной аппарат с сепаратором (рис. 3.2).
Корпус выпарной установки, конденсатор, сборник конденсата, сепаратор изготовлены из стекла, что исключало вероятность попадания дополнительных ионов, например, продуктов коррозии аппаратуры. Температура в зоне кипения и в термостате контролировалась термометрами с точностью ±0,5С. Объектами исследования являлись выпариваемые растворы солей NaCl, КС1, ВаС12, MgCl2, СаС12, Na2S04, MgS04, CuS04, ZnS04.
Данные соли были выбраны по следующим причинам: при нагреве не разлагаются; обладают хорошей растворимостью в воде; катионно-анионный состав солей позволяет анализировать влияние, как положительного, так и отрицательного иона на унос растворенного вещества из выпариваемого раствора; данные соединения широко применяются в химико-технологических процессах. Вся работа велась с растворами солей марки «ХЧ». В качестве растворителя использовалась дистиллированная вода.
Солевой раствор различной начальной концентрации помещался в объем выпарной установки, после чего происходил процесс выпаривания и отбирался конденсат. Исследования проводились, как при испарении растворов, при котором капельный унос был исключен, так и в режимах устойчивого и неустойчивого кипения. Полученный конденсат анализировался с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра «SATURN» для определения концентрации положительных ионов солей (катионов) в конденсате. Метод имеет хорошую воспроизводимость, величина относительного стандартного отклонения составляла ±2%. Метод титрометрии использовался для определения концентрации отрицательных ионов солей (анионов) в конденсате. Относительное стандартное отклонение при титрометрическом методе анализа составляло ±8%.
Зависимость уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов от их начальной концентрации
Для определения зависимости уноса растворенного вещества из выпариваемых растворов от их начальной концентрации в режиме испарения (98С) был проведен целый ряд экспериментов.
При режиме испарения (98С) исключалась всякая возможность уноса растворенного вещества с каплями, так как кипения растворов при данной температуре не происходило. Используемые в ходе исследования два метода исследования имели различную точность, поэтому точность анализа концентрации положительных ионов соединений в конденсате была выше, чем точность анализа концентрации отрицательных ионов в конденсате, в связи с тем что метод атомноабсорбционной спектрофотометрии обладает высокой точностью определения концентрации в конденсате, относительно метода титрометрического определения концентрации. Данные по концентрации в конденсате отрицательных ионов соединений приведены лишь для наглядного описания влияния природы отрицательного иона на унос растворенного вещества, и рассмотрены для общего сравнения количественного содержания в конденсате С1 - иона и SO4 - иона.
Результаты экспериментов представлены на рис. 3.3 - 3.20. На всех представленных ниже рисунках сплошными линиями показана концентрация в конденсате положительных ионов соединений, а пунктирными линиями отрицательных ионов соединений:
Результаты экспериментальных исследований (рис. 3.12 - 3.15) показывают, что при увеличении концентрации раствора от 6 до 240 г/л концентрация растворенного вещества в конденсате существенно возрастает. Так, при начальной концентрации 6 г/л концентрация Na+ в конденсате составляла 0,001 г/л, а при начальной концентрации раствора 240 г/л - 0,011 г/л.
Из экспериментальных данных, представленных на рис. 3.12 и рис. 3.13, следует, что природа положительного иона оказывает исключительно большое влияние на концентрацию ионов в конденсате. Сравнивая концентрацию положительных ионов в конденсате при выпаривании растворов NaCl и КО (начальная концентрация - 120 г/л), можно отметить, что концентрация иона К+ в 4 раза больше концентрации иона Na+. Концентрация в конденсате иона Ва (при выпаривании раствора ВаСЬ) в десятки раз больше концентрации иона Са2+ (СаСЬ) и Mg2+ (MgCb) во всем диапазоне изменения начальной концентрации раствора от 6 до 240 г/л. Особенно низкий унос (рис. 3.12-3.15) наблюдается для ионов Mg2+ (MgCb, MgS04). Например, концентрация ионов Ва (при выпаривании раствора ВаСЬ) в конденсате при начальной концентрации выпариваемого раствора 60 г/л составляла 0,04 г/л, а для ионов Mg (MgCb) при этой же начальной концентрации раствора - 0,001 г/л, т. е. меньше почти в 35 раз. С ростом начальных концентраций выпариваемых растворов разница в концентрации вышеуказанных ионов в конденсате становится еще больше.
На рис. 3.16 - 3.19 представлено влияние природы отрицательного иона выпариваемых растворов солей на унос растворенного вещества вторичным паром из выпариваемых растворов при различных начальных концентрациях раствора на примере хлоридов и сульфатов натрия и магния.
Из рис. 3.16 - 3.17 наглядно видно, что в области начальных концентраций выпариваемых растворов от 6 до 24 г/л различие в концентрации растворенного вещества в конденсате определяется как природой положительного иона, так и отрицательного иона. Например, при начальной концентрации раствора 18 г/л концентрация положительных ионов в конденсате составляет для Na+ (при выпаривании раствора NaCl) -0,0018 г/л, (Na2S04) - 0,0028 г/л, Mg2+ (MgCl2) - 0,00015 г/л, (MgS04) -0,00006 г/л, т.е. разница между концентрацией Na+ при выпаривании растворов NaCl и Na2S04 составляет 1,5 раза, а разница между концентрацией Mg2+ при выпаривании растворов MgCb и MgS04 2,5 раза.
Анализ полученных экспериментальных результатов в области начальных концентраций раствора 60 г/л (рис. 3.18-3.19) показывает, что унос растворенного вещества не зависит от природы отрицательного иона, а зависит лишь от природы положительного иона растворенного вещества. Из рис. 3.18 - 3.19 наглядно видно, что концентрация положительных ионов в конденсате одинакова для NaCl и Na2S04, для MgCb и MgS04. При начальной концентрации выпариваемого раствора 180 г/л концентрация положительных ионов составляет для Na+ (NaCl) - 0,0084 г/л, (Na2S04) -0,0083 г/л, Mg2+ (MgCl2)- 0,0015 г/л, (MgS04)- 0,0015 г/л, т.е. разница между концентрацией положительных ионов в конденсате для хлоридов и сульфатов натрия и магния в области высоких начальных концентрации раствора незначительна.
К сожалению необходимо отметить, что современная теория растворов разработана недостаточно полно. Несмотря на то, что к настоящему времени в области растворов накоплен большой экспериментальный материал и создан ряд теорий общей теории, способной объяснить с единой точки зрения все наблюдаемые нами факты, не существует. Отсутствует математически разработанная теория растворов, способная предсказать все свойства в широком диапазоне концентраций и температур. Особенно плохо обстоит дело с теорией растворов в области средних и высоких концентраций. Причины этого связаны как с разнообразием и сложностью взаимодействий в растворах, так и с отсутствием теории жидкого состояния [111]. К настоящему времени твердо установлено, что специфические особенности растворов электролитов определяются взаимодействиями ион -растворитель, ион - ион и растворитель - растворитель [112]. Доля каждого из этих взаимодействий зависит от характеристик ионов и молекул растворителя, концентрации электролита, температуры и т.п. Основная часть их связана со свойствами растворителя.
