Выпаривание (evaporation, Verdampfung, Evaporation). — На нашем языке В. называется такой случай искусственно производимого [1], при помощи особого нагревания, испарения (это слово на других языках означается так же как В.) или перехода в парообразное состояние, когда вещество, переходящее в пар, чаще всего вода, не собирается, а целью производства служит нелетучее или мало летучее вещество, остающееся после В., напр. соль из ее растворов, сахар из свекловичного сока и т. п. В виду будем иметь преимущественно водные растворы. В промышленных производствах [2] удаление воды из растворов производится или при содействии естественной солнечной теплоты, или при помощи искусственного нагревания, — расходуя топливо; здесь будет говориться только о последнем и преимущественно о приемах В. и о расходе топлива для того необходимом.
Если дано т кг раствора (при t°C), теплоемкость которого s, температура кипения Т, а скрытая теплота кипения растворителя q, то если требуется испарить p% растворителя, производя испарение при кипении, потребное число единиц тепла x, которое должно передать раствору, выразится через:
Теплоемкость водяных растворов, хотя и различается при изменении качества и количества растворенного вещества [3], но, вообще говоря, мало отличается от теплоемкости воды (т. е. 1-цы) и тем менее, чем слабее раствор, а потому для приближенного расчета можно принять s = 1. Точно так же и скрытое тепло испарения q, хотя не вполне тождественно при разных температурах кипящих растворов, но для первого приближения может быть принято постоянным и равным 530 единицам теплоты. Сверх того, можно принять T − t = 100, что близко к действительности, когда идет речь о В. под обыкновенным давлением и когда t (начальная температура раствора) немного более 0°, и T немногим выше 100° (ибо растворы большинства нелетучих тел кипят выше 100°, см. Растворы). Тогда предшествующее равенство принимает вид:
Так, напр., для того, чтобы выпарить 70% воды из 1000 килограммов раствора некоторой соли требуется передать ей около 471000 килограммовых единиц тепла. Если 1 кг данного каменного угля (см. это слово), сгорая, может развивать 6440 единиц тепла, то, приняв на всякого рода потери (лучеиспускание, нагревание дыма, неполное горение и т. п.) около 20%, получим, что один килограмм его передает раствору 5120 единиц тепла, а потому расход топлива в данном выше примере выразится сожиганием 471000/5120
или около 92 кг угля, причем испарится 700 кг воды или на 1 кг угля около 71/2 кг воды. При прямом В. растворов таков в действительности приближенный расход топлива. Но он может быть значительно сокращен, если воспользоваться хотя отчасти теряющимся теплом, не только содержащимся в дыме, но и в выделяющихся парах, потому что они могут охлаждаться на счет новой массы выпариваемого раствора и его нагревать. В приведенном примере выделяется 700 кг водяного пара, имеющего температуру около 100°С, следовательно, они, охлаждаясь, напр., до 30°, могут выделить около 700(530 + 70), или около 420000 единиц тепла. Допуская опять неизбежные потери, доходящие до 20%, получим все же возможность воспользоваться 336000 един. тепла. Но прямо для цели скорого выпаривания (или кипения) раствора нельзя утилизировать все это количество тепла водяных паров, потому что их температура около 100°, а кипящий раствор имеет высшую температуру Т, теплота же передается только при разности температур от теплого тела более холодному. Следовательно, тепло, содержащееся в парах, можно применить только для предварительного нагревания выпариваемого раствора, а из 630 единиц тепла, идущих на испарение 1 части воды, для этой цели идет только около 100 единиц тепла, или около 15%. Но так как при уменьшенном давлении, при механическом (при помощи выкачивания насосом) удалении происходящих паров и при увеличении свободной поверхности жидкости испарение возрастает, а температура кипения понижается, то, расходуя часть топлива на механическое выкачивание паров, можно произвести кипение или быстрое удаление водяных паров и на счет скрытого тепла, содержащегося в парах, образующихся в первом выпарительном пространстве. Таким образом, искусственно в замкнутых пространствах сложных испарительных приборов есть возможность уменьшить более чем на 15% расход топлива на выпаривание. Но прежде, чем описывать подобные сложные приборы, часто применяемые в заводском выпаривании (когда есть расчет влагать основный капитал на устройство таких сложных приборов, достигая экономии в расходе топлива), полезно ближе познакомиться с простейшими случаями В. Для этой цели мы первоначально рассмотрим наиболее изученный опытным путем случай испарения воды, а именно в паровых котлах, а затем В. в открытых пространствах, как прием наиболее обыкновенный по простоте приборов, для него необходимых.
Испарительная способность по отношению к расходу топлива изучена для паровых котлов полнее, чем для каких бы то ни было других приборов, а потому мы начнем с паровиков, не входя, однако, в их специальное описание (см. Паровые котлы). Главнейшие типы паровых котлов, применяемые для получения упругого пара суть: ланкшайрский, корнуэльский и многотрубные: локомотивный пароходный и французский. Ланкшайрский котел состоит из главного горизонтального стального или железного цилиндра, закрытого по концам и снабженного снизу обыкновенно двумя цилиндрическими, стальными или железными трубами — кипятильниками, идущими параллельно главному котлу. Обыкновенно две топки находятся в передней части котла, а от них идут дымоходы как кругом кипятильников, так и под нижней частью самого котла. В ланкшайрских котлах сделано много улучшений и усложнений, которые здесь неуместно описывать.
Котлы эти употребляются весьма часто для больших неподвижных машин, напр., на больших мануфактурах (прядильных и ткацких). Обыкновенный размер таких котлов 30 фут. в длину при диаметре в 7 фут.; диаметр кипятильных труб — 2 ф. 9 дюймов. Колосники топки имеют вообще 6 фут. в длину. Так как температура дыма выше (обыкн. 300°), чем это желательно, то обыкновенно сюда присоединяют аппарат, известный под названием подогревателя, или «экономизатора» (economiser, экономайзер). Он состоит из ряда железных трубок малого диаметра, соединенных между собою; через них нагнетается холодная вода в направлении, противоположном струе удаляющихся продуктов горения (дыма), так что вода постепенно нагревается по мере прохождения вдоль трубок, а дым охлаждается, приходя в соприкосновение с более холодными стенками трубок. Благодаря такому устройству из топлива утилизируется значительно больше тепла.
Следующее испытание испарительной способности двух обыкновенных ланкшайрских котлов, с экономизатором и без него, было произведено Лонгриджем в октябре 1888 г. Котлы имели 30 фут. длины при диаметре в 7 фут., с кипятильниками в 2′9″ в диам., снабженными каждый пятью поперечными трубами Галловея. Решетки имели 6′ длины. Экономизатор имел восемьдесят трубок, расположенных в шестнадцать рядов. Поверхность нагрева котлов была 1870 кв. фут. Поверхность нагрева экономизатора — 800 кв. футов. Площадь решетки была 66 квадр. фут., а среднее давление пара, по манометру, 83 фунта на квадр. дюйм сверх атмосферного давления. Лонгридж нашел, что в продолжение 71/2-часового испытания, одною единицею веса топлива, при обыкновенных условиях, выпаривается 9,66 ед. веса воды, но, приняв в расчет влажность угля (т. е., производя расчет на высушенный уголь), каждым фунтом сухого угля выпаривается 9,82 ед. веса воды. Теплопроизводительная способность 1 ф. употребленного сухого топлива соответствовала 13363 британским единицам тепла [4], или 1 кг угля развивал 7424 кг ед. тепла, т. е. уголь был превосходного качества. Общий вес дыма (с избытком воздуха) на ед. веса сухого топлива составлял 15,8 ед. веса. Цифры эти показывают, что вместе взятая испарительная способность котлов и экономизаторов равняется 78,4%, т. е. это значит, что из 100 тепловых ед., положенных на решетку, были утилизированы 78,4 единицы для парообразования, остальные же 21,6 тепловых единиц были израсходованы на тягу, трубы, просушку топлива, на потерю вследствие лучеиспускания; в эту же цифру входит несгоревшее топливо. Из 78,4% тепла, утилизированного на В., 71,6% переданы котлу, остальные 6,8% приходятся на экономизатор.
Ниже показано распределение 100 единиц тепла, положенных на решетку в виде топлива, в самом котле:
| Тепло, потребленное на В. воды | 71,57 |
| Тепло, содержащееся в продуктах горения и в избытке воздуха и пара, сопровождающих их | 17,81 |
| Потеря тепла на В. влажности угля | 0,13 |
| на недогоревшее топливо, упавшее сквозь решетку вместе с золою | 4,28 |
| Потеря тепла при вытаскивании золы и спекшихся кусков | 0,36 |
| Разница, отвечающая лучеиспусканию и другим потерям | 5,85 |
| 100,00 |
Сто единиц тепла, поступивших на долю экономизатора, распределились следующим образом:
| Тепло, ушедшее для нагрева воды | 38,12 |
| оставшееся в дыме | 58,12 |
| Потеря тепла через лучеиспуск. и пр. | 3,76 |
| 100,00 |
Сто единиц тепла, положенных на решетку в форме топлива, распределены были в обоих аппаратах, вместе взятых, следующим образом:
| Тепло, ушедшее на В. воды | 78,3 |
| Потеря тепла в дымовых газах (в продуктах горения) | 10,35 |
| Потеря тепла на В. влажности в угле и потеря углерода | 4,75 |
| Разница, лучеиспускание и пр. | 6,52 |
| 100,00 |
В этих опытах сумма топлива, сгоравшего в час, составляла 1090 ф. (английских, котор. = 453,6 грамма), а за вычетом влажности угля — 1072,72 ф., и воды выпаривалось на кв. фут всей поверхности нагрева 3,94 ф. или на кв. фут поверхности нагрева самого котла 5,63 ф. в час.
Все количество воды, поступавшей в котел в час, было 10533 футов. Поверхность воды в котле была 390 кв. фут., а все количество обратившейся в пар В. на кв. фут этой поверхности составляло 27 фут. в час. В среднем выводе из нескольких испытаний оказалось, что испарительная способность обыкновенного ланкшайрского котла хорошей конструкции с экономизатором может быть принята за 80% при заботливом уходе за отоплением.
Корнуэльский котел имеет цилиндрический корпус с плоскими оконечностями, как у ланкшайрского котла, но у него только одна внутренняя пламенная труба, поэтому его испарительная способность ниже испарительной способности ланкшайрского котла, так как, при прочих равных условиях, испарение возрастает с возрастанием нагреваемой поверхности. Локомотивный многотрубный тип котлов состоит, главным образом, из прямоугольной огневой коробки, вмещающей топку, окруженную водою; плоские поверхности этого котла скреплены и заклепаны надлежащим образом с цилиндрическим корпусом, через который проходит большое число металлических трубок. Вода окружает эти трубки, продукты же горения проходят внутри их и удаляются в дымогарную коробку, а отсюда уходят через дымовую трубу. В локомотивном котле тяга образуется посредством впуска пара в дымовую трубу. Преимущество этих котлов состоит в их громадной паропроизводительности, при небольшом объеме и весе; относительно же количества расходуемого топлива они не столь экономичны, как котлы первых типов. Обыкновенно испарительная способность их бывает ниже 70%, но при внимательном уходе и при рациональном устройстве подогревателя для питательной воды даже в маленьких котлах этого типа можно достигнуть до 75 и даже 80%. Английское инженерное общество (Society of Arts) опубликовало в 1889 г. результаты испытания котла этого типа, с подогревателем питательной воды в дымогарной коробке, испарительная способность которого составляла даже более (немногим) 80%. Только 10% всего тепла было потеряно на теплоту дыма и около 9% на лучеиспускание. Цифра эта, однако, не может быть принята за нормальную, так как испытание производилось с особенной тщательностью и вся работа велась под непосредственным надзором более искусных кочегаров, чем те, какие встречаются в обыкновенной железнодорожной практике.
Морские многотрубные котлы состоят из цилиндрического корпуса большого диаметра, с внутреннею топкою и со многими пламенными трубами, ведущими продукты горения из топки в дымовую трубу. Испарительная способность таких котлов не так велика, как испарительная способность ланкшайрских локомотивных котлов. Тщательные исследования таких пароходных котлов, произведенные специальной комиссией английского Института инженер-механиков (Institute of Mechanical Engineers), показали, что в них на парообразование идет лишь 62% из всего количества тепла, развиваемого топливом. В котлах этого типа не было и обыкновенно не бывает подогревателей или экономизаторов, введение же их, как показывает опыт, дает уже лучший результат. В одном опыте (пароход «Калорик»), когда подогреватель имел поверхность вдвое большую, чем сам котел, оказалось 15% экономии топлива.
В трубчатых котлах французского типа (в отличие от вышеуказанных трубч. котлов) вода находится внутри трубок, а топочные газы обходят их снаружи. Их преимуществом считается безопасность, так как сосуды для пара и воды имеют небольшой диаметр и происходит быстрая циркуляция воды, которая мешает осаждению накипи. Такие котлы легки и удобно перевозятся. Тип этот, хотя и часто употребляется в Америке и Европе (но мало применяется в Англии), требует много топлива и затрудняет ведение дела в должном порядке при употреблении жесткой воды. Недавними опытами Лонгриджа установлено из нескольких проб лучшего котла этого типа, что испарительная способность его едва составляет 55% от всего количества тепла, развиваемого топливом.
Из этого обзора производительной способности паровых котлов очевидно, что в них для испарения воды можно воспользоваться от 55 до 80% всего тепла, развиваемого топливом. Но не должно забывать, что паровики назначаются для доставления пара, имеющего упругость более атмосферной, т. е. (см. Вода) имеющего температуру выше 100°С, тогда как при В. растворов этой задачи вовсе нет, и выделяемый пар может иметь упругость меньшую атмосферной. Это обстоятельство позволяет достигать при В. большей утилизации тепла, то есть, если в лучшем паровом котле лучший каменный уголь дает паров в 10 раз более своего веса, то при В. растворов можно достичь еще лучшего пользования топливом, хотя на деле нередко имеются более слабые результаты, конечно, по причине несовершенства в устройстве применяемых приборов и, главным образом, вследствие относительно малой поверхности передачи тепла. В паровых котлах очевидно, что экономия топлива зависит главным образом от пользования теплотою дыма для целей испарения, а при В. растворов об этом редко заботятся.
Выпаривание в открытых пространствах. На химических заводах (как и в химических лабораториях) В. растворов применяется столь часто, что задача экономического выполнения этого приема составляет нередко условие самого существовала выгодности производства, тем более, что В. нередко имеет целью лишь экономию расходов перевозки, хотя очень часто, напр. при добывали солей, В. ведется, сверх того, и для очищения получаемой соли кристаллизацией. Так, напр., слабую серную кислоту, получаемую в камерах (см. Серная кислота), сгущают выпариванием часто лишь для уменьшения перевозочной цены, так как в дело ее часто применяют, разбавляя водою. Особенно важна экономия топлива при В. слабых растворов, потому что расход топлива, как видели выше, прямо пропорционален количеству испаряемой воды, и если уменьшается (от понижения температуры кипения, от уменьшения скрытого тепла и т. п.) по мере уменьшения концентрации выпариваемого раствора, то лишь в незначительной мере. Следовательно, на химических заводах наиболее уместно заботиться о введении экономических способов испарения. Но для этого есть много препятствий, а особенно необходимость применять сосуды, которые не действуют на испаряемый раствор (так, напр., кислотные растворы очень часто нельзя испарять в железных сосудах, щелочные в стеклянных и т. п.), необходимость извлекать вещества (например, кристаллы), оседающие при В., невозможность повышать температуру раствора до кипения (иногда при этом происходит разложение) и т. п. По этим причинам способы В. очень разнообразны даже в том случае, когда В. ведется под обыкновенным атмосферным давлением или в открытых сосудах. Должно при этом различать, во-первых, В. кипячением (когда упругость водяных паров достигает до 1 атм.) от В. при температурах ниже кипения (упругость пара менее атмосферы) и, во-вторых, В. при нагревании снизу (наиболее обыкновенный случай) и при нагревании раствора сверху, хотя в некоторых случаях и встречается соединение этих различных способов. Не вдаваясь в описание частностей (см., например, Соль, Сахар, Серная кислота и др.), изменяющихся по природе продуктов В., мы остановимся лишь на общих основаниях указанных способов.
На первый раз кажется, что чем выше температура нагрева и, следовательно, температура удаляющихся паров, тем более расход топлива при В., температура же кипения есть высшая, которой может достигнуть раствор в открытом сосуде, а потому В. кипячением в открытых сосудах в большей мере можно было бы считать наименее выгодным. Но расчет уясняет дело и показывает, что это соображение мало основательно. Если взять килограмм воды при 50° и превратить его в пар при той же температуре, то потребуется 570 ед. тепла; если же его превратить в пар при кипении, т. е. при 100°, то израсходуется около 50 ед. тепла для нагревания от 50° до 100°, но лишь около 530 ед. тепла для испарения, т. е. в сумме 580 ед. тепла, следовательно, почти то же количество. Однако чем выше температура, тем передача тепла от продуктов горения к раствору слабее, потери от лучеиспускания более и порча сосудов (а иногда и самых растворов, напр., при испарении органических веществ) значительнее, а потому, хотя при кипении сильно упрощается дело (нет надобности в особом устройстве тяги, пар по упругости сам удаляется) выпаривания, тем не менее, В. без кипения представляет свои несомненные выгоды. Такой род В. в открытых пространствах, как сушение при низких температурах, основывается на возобновлении воздуха и на упругости водяного пара, свойственной всяким температурам (см. соотв. статью). Пары выделяются из воды при всяких температурах, но, смешиваясь с воздухом, насыщают пространство его, и тогда испарение прекращается. Если этот воздух удалить и заменить свежим, то вновь произойдет то же, и В. этим путем может идти до конца, если упругость паров раствора превосходит упругость водяного пара, всегда содержащегося в воздухе. А так как: 1) упругость паров воды возрастает с температурой, 2) скорость насыщения воздуха парами воды зависит от испарения только со свободной поверхности и 3) при испарении тепло поглощается, т. е. происходит охлаждение, то: 1) испаряемый раствор нагревают до температуры высшей, чем воздух; 2) производят усиленную тягу воздуха, который заставляют (напр., проталкивая пузырьками через раствор или заставляя раствор падать каскадами, или разбрызгивая раствор и т. п.) во многих точках прикасаться к раствору (т. е. поверхность испарения увеличивают) и уводят, не давая охлаждаться (иначе часть паров опять превратится в жидкость), и 3) нагревают как испаряемый раствор, так и входящий воздух, потому что холодный воздух, входя в прикосновение с теплым влажным, охладит последний и поведет или к осаждению части паров, или, по крайней мере, к тому, что новому испарению нельзя будет совершаться. А так как испарение в другие газы совершается так же, как в воздух, то вместо него можно пользоваться продуктами горения, и одним из наиболее экономических и простых приборов для В. (равно как и для многих видов перегонки) можно считать вдувание воздуха (см. Воздуходувные приборы) в угольный горн, помещенный внутри (чтобы избежать потери через лучеиспускание) испаряемой жидкости, так, чтобы все продукты горения проходили в виде пузырьков газа через раствор, предварительно подогреваемый на счет тепла, уходящего с паром в особом подогревателе (экономизаторе). Считая уголь развивающим около 8000 ед. тепла, получим, что этим путем есть возможность испарять до 15 частей воды одною частью угля [5], и для этой же цели можно с выгодою пользоваться теряющимся теплом дыма, если взятое топливо сухо и содержит мало водорода, т. е. дает дым, содержащий мало водяных паров [6], проще же всего подобный способ выпаривания производится на счет тепла дыма, если в дымоходе протекает тонкая струя или тонкий слой раствора в направлении, противоположном движению дыма. При сгущении камерной серной кислоты пользуются теплом продуктов горения серы или серного колчедана (или от особых топок) и заставляют их нагревать дно свинцовых ящиков (или же поверхность жидкости) с протекающею в них камерной кислотою, причем необходимо здесь, как и при всяком В., заботиться о том, чтобы около поверхности жидкости существовал постоянный ток теплого воздуха, увлекающего пары воды. Во всяком случае, должно помнить, что при прочих разных условиях кипение зависит от величины поверхности нагрева, т. е. той, где продукты горения топлива передают свое тепло испаряемой жидкости, а В. без кипения обуславливается величиною свободной поверхности жидкости, потому что на ней одной идет испарение, тогда как при кипении оно совершается внутри жидкости (на поверхности каждого образовавшегося пузыря паров).
При нагревании испаряемой жидкости с ее верхней свободной поверхности получается то неудобство, что нижние более тяжелые слои получают мало тепла, тогда как при обычном нагревании, производимом снизу, расширяющиеся от тепла слои поднимаются кверху и существует естественное перемешивание всех слоев. Поэтому обыкновенно В. ведут в сосудах, нагреваемых снизу. Однако во многих случаях во время В. из жидкости образуется осадок, падающий вниз и покрывающей дно сосуда, а это мешает передаче тепла через металл к жидкости. Вследствие этого нередко дно сосуда для В. подвергается быстрому разрушению. В таких случаях нагревание с поверхности, если оно возможно по другим соображениям производства, должно считать целесообразным. Когда производится поверхностное В., то над открытой широкой поверхностью неглубоких резервуаров пропускают пламя и горячие газы из топки. Испаряемые растворы располагают при этом таким образом, чтобы лучистая теплота от свода печи способствовала действию пламени и горячих газов. Приспособления этого рода употребляются, напр., для В. слабых растворов квасцов. Иногда над пламенным ходом печи ставятся открытые тарелки, в которых подогревается испаряемая жидкость. Из сказанного выше очевидно, что пускание через нагретую жидкость подогретого воздуха (напр., пузырьками или, заставляя жидкость давать капли и струи) может во многих случаях послужить удобным средством для выпаривания растворов. При обработке сточных вод на удобрение, производимой в Рочдэле, в Англии, постоянно работает выпаривательный аппарат, представляющий усовершенствование системы поверхностного В. Аппарат этот состоит из цилиндрического сосуда, в который помещается выпариваемое вещество, и сосуд медленно вращается вокруг горизонтальной оси. Через одну полую цапфу проходят горячие топочные газы из пламенных труб парового котла и выходят из вращающегося сосуда через противоположную цапфу, и затем удаляются в дымовую трубу. Вследствие непрерывного движения полутвердой массы постоянно образуются новые поверхности и вещество высушивается быстро и вполне.
При выпаривании растворов в открытых сосудах (как и в закрытых при уменьшенном давлении) весьма часто нагревание раствора производится не прямо продуктами горения, а косвенно, при помощи водяных паров, получаемых в паровом котле. Хотя при этом получается некоторая потеря тепла, развиваемого топливом, но достигаются нередко очень важные выгоды, а именно: 1) начало и конец нагревания происходят в желаемое время при помощи паропроводного крана; 2) быстротою испарения можно управлять с большою легкостью, увеличивая или уменьшая приток пара и поверхность тех труб или змеевиков, погруженных в раствор, через стенки которых передается тепло паров; 3) температура жидкости нигде (даже около нагреваемых стенок) не поднимается выше той, которую имеет вводимый водяной пар; 4) один паровик может служить для испарения (вообще нагревания) большого числа сосудов, служащих для В., и 5) чистота и все другие условия аккуратности ведения дела достигаются легче, чем при В. на голом огне. Применяют очень разнообразные способы парового В. в открытых сосудах. Чаще всего в сосуд с раствором погружается металлический змеевик, в который с одного конца входит пар, а с другого вытекает сгустившаяся еще теплая вода (иногда обратно поступающая в паровик). При этом раствор нагревается лишь до 100°, хотя бы в паровом котле (высокого давления) и была высшая температура. Если же для В. требуется температура выше 100°, то змеевик, или особое паровое пространство (внутри выпариваемой жидкости или под сосудом ее содержащим), замыкают, чтобы в нем могло подняться давление выше атмосферного, а сгущающуюся (от охлаждения) воду из этого пространства обратно спускают (или накачивают) в паровик. В описываемом случае пару из паровика не дают возможности смешиваться с выпариваемою жидкостью, потому что иначе через охлаждение пара образуется вода, которую опять придется удалять. Однако В., хотя и мало экономическое, можно вести и при прямом пропускании паров из парового котла высокого давления в выпариваемую жидкость, а иногда такой простейший прием даже может быть полезен, если есть возможность утилизировать мятый (отработавший) пар, выделяющейся из сосуда с раствором. В этом случае испарение происходит на счет понижения температуры и упругости пропускаемых водных паров.
Так как В. при температурах ниже кипения прямо пропорционально величине испаряющей поверхности (при относительно одинаковой степени удаления воздуха, насыщенного парами), то пульверизация раствора, его быстрое механическое перемешивание и всякие условия, увеличивающие свободную поверхность жидкости, содействуют скорости испарения и полнейшему насыщению уводимого воздуха водяными парами. Что же касается до объема воздуха (имеющего температуру t), необходимого для унесения паров воды, выделяющихся из раствора при выпаривании, то он определяется из данных для упругости пара воды, из упругости водяного пара в приходящем воздухе и из количества воды, которую необходимо удалить через В. Для соображений этого рода достаточно следующей таблицы, показывающей для разных температур t°C состав воздуха, вполне насыщенного водяным паром.
| Темпер. Цельсия |
Упругость водяного пара |
При общем давлении в 760 мм 100 куб. м насыщенных паром содержат: |
Вес воды в 100 к. м, насыщенных паром[7] |
Объем воздуха, вмещающий 1 кг вод. пара при t° | |
|---|---|---|---|---|---|
| воздуха | водяных паров | ||||
| 30° | 31,5 мм | 95,9 куб. метр. | 4,1 куб. метр. | 2,98 килогр. | 33 куб. мтр. |
| 50° | 92 | 87,9 | 12,1 | 8,18 | 11 |
| 70° | 233 | 69,3 | 30,7 | 19,83 | 31/2 |
| 90° | 525 | 30,9 | 69,1 | 41,56 | 3/4 |
При 100° упругость водяных паров — 760 мм, а потому пар насыщает пространство сам по себе, и для его удаления не требуется вводить воздуха, но и тогда скорость удаления паров, а, следовательно, и В., возрастет от пропускания воздуха. При низших же температурах необходим тем больший объем воздуха, чем температура удаленнее от 100°, а потому, чем нагретее выпариваемый раствор, тем меньший объем воздуха необходим для В.; например, при 70° требуется втрое менее воздуха, чем при 50°.
Из предшествующего уже очевидно, что В. растворов в открытых пространствах дает возможность, как и все части техники, значительно видоизменять приемы и, достигая рациональности устройства, сильно сокращать расход топлива и работы, т. е. стоимость продуктов В.
Выпаривание под уменьшенным давлением ведет к троякой цели: во-первых, к понижению температуры кипения, потому что она при этом понижается для всяких жидкостей (см. Упругость пара), а, следовательно, и для растворов; во-вторых, к сокращению топлива, потому что понижение температуры кипения можно доводить до различной степени, а потому можно пользоваться теплом, содержащимся в парах, выделенных частью раствора для перегонки других частей раствора, устраивая сложные приборы, в которых пар из первого выпарительного сосуда служит для перегонки во втором, где давление (а, следовательно, и температура кипения) понижено более, чем в первом (в открытых сосудах это не достигается, и пар, выделяемый раствором, не может испарять того же раствора) и, в-третьих — к увеличению скорости испарения, потому что в пустое пространство выделение паров совершается быстрее, чем в наполненное воздухом. Эти свойства В. в вакуум-аппаратах или в разряженном пространстве играют столь важную роль во многих производствах (напр., при получении сахара, вытяжек или экстрактов и т. п.), что введение этого приема (предложенного впервые Говардом в 1813 году) значительно влияло на множество производств. Этому способу, напр., обязана свеклосахарная промышленность своим развитием и удешевлением цены сахара, потому особенно, что при выпаривании в открытых сосудах много сахара портилось (инвертировалось) вследствие необходимости долгого нагревания при высоких температурах.
Простой вакуум-аппарат в различных видоизменениях, однако, мало отличающихся от говардовского, применяется еще и поныне на многих заводах, особенно же при В. сахарных сиропов и экстрактах (см. это слово и Вытяжки). Приборы этого рода (фиг. 1) состоят из больших медных шарообразных (чтобы легче сопротивлялись сдавливанию от перевеса внешнего давления) сосудов А, вмещающих раствор и змеевик D, через который пропускаются (из С) нагревающие пары парового котла. Вода, сгущающаяся в змеевике, уходит по трубке F. Выпариваемый раствор вливается в сосуд В, сообщающийся с А двумя трубками a и b с кранами. Образующиеся в приборе пары проходят через части G, Н, I и L к конденсатору (холодильнику, действующему струями холодной воды) и насосу, поддерживающему в приборе низкое давление, измеряемое вакуумметром. Часть G уже задерживает брызги, если они выделяются, а остальные, осаждаясь в I, обратно стекают по трубе К в аппарат. Растворы, кипящие около 120°С в вакуум-аппаратах подобного рода, испаряются обыкновенно при темпер. 60—80°С. Такие невысокие температуры мало изменяют сахарные растворы, если действуют недолго, но в простом вакуум-аппарате испарение идет медленно, и замечается изменение даже в обыкновенном сахаре. Притом расход паров здесь велик (1 кг пара из паровика при 110° — 120° испаряет около 3/4 кг воды из раствора) вследствие того, что скрытое тепло образующихся паров не утилизируется. Но по существу дела очевидно, что пары, выделяемые раствором в запертом пространстве, сами могут вновь действовать точно так же, как пары выделяемые паровиком, если давление во втором вакуум-аппарате еще более будет понижено, чем в первом, а пары 2-го так же могут действовать в третьем приборе и т. д. В каждом будет испаряться вода и, следовательно, при том же основном расходе пара (из паровика) или топлива будет возрастать количество воды, испаряющейся из раствора, и притом почти пропорционально числу приборов. Однако безграничное увеличение этого числа не только неуместно по дороговизне устройства, но и представляет технические трудности в отношении к поддержанию правильного последовательная уменьшения давления (и темпер. кипения) во всех приборах. Обыкновенно ограничиваются приборами тройного действия, редко устраивают 4 выпарительных котла сразу. Разность давлений поддерживают такой, чтобы между температурами кипения было равномерное падение, напр. в 15° — 20°С, т.е., напр., если в первом 100°, то во 2-м 85°, а в 3-м 70°С. Лучеиспускание и работа переноса пара полагают границу беспредельному увеличению количества воды, испаряемой данным количеством тепла начального пара; но практически уже легко достигают того, чтобы одною весовою частью паров из паровика испарять более 2 (даже до 3-х) весовых частей воды из сахарных растворов.
Фиг. 2. дает изображение аппарата «тройного действия». Первый аппарат A получает раствор из сосуда D и непосредственно (через паропровод Е) нагревается паром из парового котла. Пар из А идет в А′ а отсюда в змеевик В, между тем как пар из В проходит через B′ змеевик аппарата C, а из С через С′ к выкачивающим насосам. Соединительные трубки, идущие к насосам, расположены так, что давление в А уменьшается лишь незначительно — сравнительно с атмосферным. Давление значительно меньше в В, тогда как в С оно меньше всего, а следовательно, и температура кипения опускается все ниже в каждом последующем сосуде. Соответствующие трубки и краны F, G, H сообщают сосуды между собою, чтобы способствовать перемещению жидкости по мере того, как она сгущается.
В. при уменьшенном давлении в сложных приборах употребляется также для перегонки морской воды (на пароходах в море) с целью получения из нее пресной воды (аппараты Норманди, Киркальди и др.). См. Опреснители.
Выпариватель (Evaporator) Иариана (Yaryan). H. T. Yaryan из Огайо в С. Шт. изобрел остроумный выпариватель, который ныне очень распространен не только в Америке, но и в Европе. В нем В. происходит под уменьшенными давлениями, как в приборах тройного действия, и действие прибора отличается от других приборов того же рода способом нагревания раствора, небольшими количествами сразу, приводя его в тесное соприкосновение с поверхностью нагрева. Вместо употребления змеевиков, погруженных в испаряемую жидкость (или нагревания поверхностью паровой оболочки), нагревание в описываемом приборе совершается посредством пара, обнимающего наружные поверхности трубок, а выпариваемая жидкость накачивается в эти трубки. Трубки расположены в лежачих цилиндрических котлах и проходят так, что накачиваемый раствор проникает через весь ряд трубок прежде, чем вытечет в сепаратор. Фиг. 3 изображает разрез одного такого котла описываемого выпаривателя и показывает, что с одного конца (справа) накачивается раствор, который проходит вдоль барабана по направлению стрелок и, наконец, вытекает вместе с образовавшимся из него паром в сепаратор. Трубки разделены на отделения, и каждое отделение состоит из тонких трубок, соединяющихся попарно на концах, так что образуется непрерывный проход, и во всех отделениях трубы окружаются паром, образованным или в паровике, или в другом котле, дающем свои пары. По мере нагревания раствора и образования из него паров они уносят жидкость вперед по трубкам, так что скорость движения жидкости и пара внутри трубок возрастает, а от этого растет поверхность нагрева и перемешивание. Раствор и образовавшийся из него пар для выхода имеют только одно направление, а именно — через всю систему трубок, кончающихся в сепараторе. По выходе из последней трубки пар наполняет пространство сепаратора и выходит по трубе вверх, между тем как жидкость падает на дно, как показано на рисунке, и проходит в собирательную камеру. Затем пар отделяется от следов (брызг) жидкости, которая могла в него попасть, в часть прибора, называемую «catchall» (все забирающий). Она состоит из цилиндра, имеющего продырявленную пластинку со множеством трубок, через которые проходит пар и ударяется о конец сосуда, и таким образом осаждает всю жидкость, которую он увлек с собою; жидкость же стекает по трубке, в собирательный сосуд, между тем как пар уходит далее, напр. в следующий такой же котел, как показано на рис. 4. Пар этот нагревает другой сосуд, а пар от второго сосуда нагревает третий сосуд, и т. далее. Преимущества этого аппарата состоят в значительно увеличенной поверхности нагрева и в быстрой и сильной циркуляции, в непрерывности и равномерности действия и в простоте ухода. В аппарате находится сразу лишь небольшое количество жидкости, и таким образом она нагревается в более короткий промежуток времени, чем в обыкновенных вакуум-аппаратах, что имеет весьма важное значение. Аппарат Иариана вполне устраняет превращение сахара, которое до некоторой степени всегда имеет место в прежних приборах, вследствие продолжительности В. большого количества жидкости, содержащегося в них, доходящего в иных случаях до нескольких тысяч литров. Устройство названного аппарата таково, что облегчает свободный и скорый доступ к трубкам и очистку последних. Этому значительно способствует то обстоятельство, что все трубки в нем прямые. Фиг. 4 представляет общий наружный вид аппарата с тройным действием, устроенного на этом принципе; здесь показаны питательная и выводящая помпы, точно так же, как различные соединительные трубки и промежуточные приемники. По патентам аппарата Иариана оказывается, что их двойным действием выпариваются 16 ф. воды на каждый ф. угля, сожигаемого под котлом, 231/2 ф. воды при тройном действии, 301/2 ф. воды при четверном действии, предположив, что обыкновенный, единичный котел по своему устройству способен выпаривать 81/2 ф. воды на один ф. угля. Обыкновенная испарительная способность одиночного вакуум-аппарата будет только 81/2 ф. выпаренной воды на 1 ф. угля [8].
В заключение заметим, что В. досуха (см. Сушение) во множестве случаев, напр., при производстве желатины и клея (см. эти сл.), белковины (см. Белковые вещества), многих медицинских препаратов (см. Вытяжки) и т. п., не может производиться при столь значительном нагревании, какое обыкновенно применяется для В. Здесь должно отличать два случая: В. на открытом воздухе при обыкновенной температуре (оно идет очень медленно, требует много плоских сосудов и не приложимо к веществам, окисляющимся на воздухе) и В. в безвоздушном пространстве при слабом подогревании (применяется, напр., в аптеках и лабораториях для выпаривания многих экстрактов и растворов, легко изменяющихся на воздухе). В этом последнем случае прибегают или прямо к воздушным насосам, или к особым вакуум-аппаратам, из которых сперва вытесняют весь воздух через пропускание водяных паров, а потом, закрыв все сообщения с воздухом, охлаждают часть прибора, где сгущается вода, и тогда вводят (через воронку с кранами) испаряемый раствор, который подогревают (снаружи, теплою водою или паром) до желаемой температуры, в то же время охлаждая другие части аппарата, где и собирается испаряющаяся вода и куда для ее удержания можно помещать сосуды с серною кислотою или хлористым кальцием. Действе таких приборов основано на том, что, если в данном пространстве, содержащем пары, имеются точки различной температуры, то упругость содержащегося пара отвечает низшей температуре пространства, а потому жидкость, содержащаяся в теплой части пространства, перегоняется в холодную его часть. Это же самое начало действует и в обыкновенных вакуум-аппаратах (см. ранее), снабженных конденсаторами (см. Сахарное производство) или струею холодной воды, на которую и сгущается водяной пар, развивающейся из нагретых растворов.
Примечания
править- ↑ Самопроизвольное испарение (напр., усушка вина, высыхание почвы и т. п.), очевидно, не составляет случая В. Поэтому испарение воды на градирнях или в соленых лиманах (см. Соляное производство) нельзя, строго разбирая применимость слов, назвать выпариванием, хотя это суть искусственные приемы испарения.
- ↑ В лабораторной практике В. применяется очень часто; употребляемые для того приборы описываются в статье Лаборатория.
- ↑ Мариньян, Томсен и др. нашли, что теплоемкость водяных растворов, особенно при некотором среднем содержании растворенного вещества, весьма близка к если р есть весовой процент растворенного тела. Так, напр., для раствора поваренной соли NaCl + 50Н20, для которого р = 6,1%, наблюдается теплоемкость 0,918, а по расчету 0,939 (т. е. более действительной), для раствора NaCl + 10H20, для которого p = 24,5, наблюденная теплоемкость 0,769, а разочтенная 0,755 (т. е. менее наблюденной).
- ↑ Т. е. относящимся к градусам Фаренгейта, котор. = 5/9 градуса Цельсия.
- ↑ Подобный способ выпаривания испытан мною еще в 1860-х гг. и дал ожидаемые результаты. Д. Менделеев.
- ↑ Зола и сажа выделяются с достаточною полнотою, если прежде входа в раствор дым проходит через род ловушки (со слоем нелетучей жидкости) или расширение, где осаждается уносимая зола. Δ.
- ↑ Вес водяного пара находится из того, что его плотность по отношению к воздуху = 0,62, а потому, зная упругость пара (2-й столбец), его температуру (t°) и что вес куб. метра воздуха при 760 мм и 0° = 1293 кг, найдем вес куб. метра водяного пара при данных условиях.
- ↑ Описание прибора Иариана и английские данные из опытов над производительностью паровых котлов разных систем взяты из «A Dictionary of applied chemistry by Thorpe», T. II, 1891.
