Bepárlás. 7. Bepárlás

Bepárlás

7. Bepárlás A bepárlás nem más, mint az oldatok töménységének emelése az oldószer elpárologtatása útján. A koncentráció növelése történhet a piacigény kielégítése (például a levek besűrítése, gél-képzés stb.) vagy a kikristályosítás előfeltételeként. Bármilyen célból is történik a bepárlás, az oldószer eltávolítása egy energiaigényes művelet. Igaz, vannak olyan ősrégi megoldások, melyek a Nap illetve a szélenergiáját alkalmazzák az oldószer eltávolítására. Gondoljunk csak a tengervíz koncentrálására és a só kikristályosítására, vagy a víz széláramlás hatására történő elpárologtatásra. Mindkét esetben a tengervíz forrpontalatti párává való átalakítása történik, élőszőr a Naptól kapott sugárzási energia hatására és, a második esetben, a szél és a hő együttes hatásaként. A só kerti megoldás olyan helyeken alkalmazzák, ahol az évi besugárzás meghaladja 90 napot. Ott, tengerpart alacsony részén, természetes vagy mesterséges beömléssel, nagy felületet elárasztanak tengervízzel. Miután a feltöltött só kertet elárasztották, elzárják a tengerrel való kapcsolatát és megkezdődik a természetes tisztulás (ülepedés) és koncentrálás. A napsugarak hatására elpárolog a víz egy része, olyannyira, hogy egy év után már a víz sótartalma a telitettségig nő. A második évben a sorét már termeli a kristályos sót, ugyanis a vízpárolgás következtében a tömény oldatból kikristályosodik a só, mely lerakodik a medence aljába. Innen lekaparják, gátra rakják szárítás céljából, és azután elszállítják. A harmadik évben már a medencében lévő oldat a magnézium sók és sókat képes termelni. Hidegebb térségben, ahol nincs annyi évi napsütés, például Európa északi részén, az ágakra locsolt tengervízből a parti szél hatására az oldószer elpárolog és kicsapódik a só. Ezt az ágakról lemorzsolva hasznosítanak. Ennek egy változata a kövekre locsolt víz, melyet a Fekete tenger parti őslakók alkalmaztak. Az alacsony hőmérsékleten való elpárologtatás már nem alkalmazható olyankor mikor különböző hőhordozókat használnak. Európa kontinentális részén, a finomított só előállítására, a tűzzel melegített serpenyőket alkalmazták. Ezeket feltöltötték koncentrált és ülepítéssel tisztított sólével, s lánggal fűtötték, míg a forrásban lévő oldatból kavarás közben el nem távolították a vizet. A kicsapott sót vagy leszűrték, vagy addig melegítették a tepsit, míg vízmentes sót nem kaptak. Idővel a tepsit füstköpenyes keverő-berendezésekkel helyettesítették, ahol már nagyobb mennyiségben és jobb energia kihasználással lehetett sót előállítani. - 142 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Mint sok ipari berendezésben, az áttörést itt is vízgőz bevezetése jelentette, amikor az energiatermelés melléktermékét, a fáradt gőzt, fűtésre használták, s így gazdaságosabban gyártották, a közbe vegyileg is tisztított sóléből, a konyhasót. A bepárlás egy újabb szakaszát a pára / sarjúgőz / másodlagos gőz fűtőértékének a felismerése jelentette (Rillieux elv, 1840). Ekkor tértek rá a többlépcsős bepárlásra, s így jó élőgőz felhasználást érve el. További előrelépést jelentett az önelpárologtatásra alapuló adiabatikus koncentrálás, termo-kompressziós eljárás és a napenergiához való visszatéréssel megoldott magas hőfokú bepárlás is. 7.1. A bepárlási művelet anyag és hőmérlege De nézzük meg, mit is jelent valóban a bepárlás? Mitől is függ? Hogyan lehet gazdaságosan megvalósítani? A vizes oldatok példáját véve figyelembe elemezzük a bepárlás folyamatát. Legyen az oldat kiinduló koncentrációja C0 és végső koncentrációja C. A folyamatot legjobban a belépő és kilépő fázisok és komponensek szimbólumaival írhatjuk fel, éspedig: (7.1) A  H 2Ol ,C  H 2Og  A  H 2Ol ,C 0

Az elemi folyamat pedig a víz párává való alakulása:

H 2O l  H 2O g

(7.2)

Természetesen, hogy a vízpára megjelenését megelőzi a hőátvitel. Általában a párolgáshoz szükséges hőt indirekt módon visszük be a rendszerbe. Igaz, vannak olyan esetek is, mikor a nyomás csökkenés hatására a forró közeg hőjének egy része pára alakjában távozik a rendszerből. Ezt az utóbbi megoldást alkalmazza az adiabatikus bepárló és a termo-kompressziós bepárló. Az indirekt fűtés esetében a rendszerbe belép: - az L0 bepárlandó oldat, kezdeti koncentrációval és hőmérséklettel ( C 0 ,T 0 ), -

a G fűtőgőz, kezdeti entalpiával és hőmérséklettel ( i0 ,T0 )

A folyamatból kilép: -

a W pára, T p hőmérséklettel és i p entalpiával,

-

az L koncentrált oldat, C töménységgel és T - hőmérséklettel,

-

a G kondenzátum, Tk hőmérséklettel és ik entalpiával,

- 143 -

Bepárlás Ha figyelembe vesszük a valós rendszerekben el nem hanyagolható hő veszteséget, akkor az energia mérleg esetén a kilépő áramokhoz tartozik még a hő veszteség is. A blokk sémát alkalmazva, a következőképpen ábrázolható a bepárlási folyamat mérlegeit (7.1. és 7.2. ábra).

Qp

Q0  Bepárlás

Q0 g 7.1. ábra. A bepárlás blokk sémája.

Q L

QK

7.2. ábra. A bepárlás energia mérlege.

Alkalmazva a bevezetett jelöléseket, írjuk fel az anyag és az energia mérlegeket: Anyagmérleg:

L0  G  L  W  G  W  L0  L

(7.3)

Hőenergia mérleg:

Q L  Q0 g  Q L  Qp  Qk 0

vagy

(7.4a)

L0  c 0p  T 0  G  i0  L  c p  T  W  i p  G  iK

(7.4b)

Ha figyelembe vesszük a hő-veszteséget, akkor felírható:

Q0 L  Q0 g  Q L  Qp  Qk  Qvesszt.

(7.5a)

L0  c 0p  T 0  G  i0  L  c p  T  W  i p  G  iK  Qvesz

(7.5b)

Kifejezve a kilépő oldat mennyiséget, mint a belépő oldat és a kilépő pára mennyiség különbsége, felírható:





L0c 0pT 0  G  i0  L0  W  c pT  W  i p  G  iK

(7.6)

Kiemelve a kapott sarjúgőzt, felírható:

W 

 





1 L0 c 0pT 0  c pT  Gi0  ik  i p  c pT

(7.7)

Vagy, ha a gőzszükségletet fejezzük ki, akkor a következő összefüggést kapjuk:

G

 





1 L0 c pT  c0pT 0  W i p  c pT  i0  ik

- 144 -

(7.8)

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Figyelembe véve, hogy a bepárláskor az oldott anyag koncentrációja változik, felírható: 0  C L  L  W  L  L0 0  0 C  L  C0  L  C  W  0

 C  és W  L0  L  L0 1  0   C   

(7.9)

Ezt behelyettesítve a (7.8) összefüggésbe, következik:

G

L0 i0  i k

   C   c pT  c 0pT 0  1  0 i p  c pT  vagy    C 





(7.10)

 L  old old  C0  i  io  1  i p  c pT   i0  i k  C    Ha a hő-veszteséget és figyelembe vesszük, akkor felírhatjuk:



0

G



 Qvesz L0   C0  0 0   G c T  c T  1  i  c T   p p p p   i i i0  ik  C    0 k





(7.11)

Ha a gőz entalpia különbsége megfelel a kondenzálási entalpiának, akkor a (7.10) és a (7.11) összefüggéseket a kővetkező formában írjuk:

   C0  0 0  c pT  c pT  1  C i p  c pT  vagy     0  L   C  G   i old  ioold  1  0 i p  c pT  r  C   

L0 G r





G

L0 r





  Qvesz  C0  0 0  c pT  c pT  1  C i p  c pT   r    





(7.12a)

(7.12b)

Mint a (7.12b) összefüggés is leírja, a gőz által bevitt hőmennyiség szükséges az oldat felmelegítésére ( T 0 hőmérsékletről a T hőmérsékletre), a T hőmérsékleten, folyadék fázisból gőz fázisba átment (elpárolgott) víz entalpiájának emelésére és a hő veszteség fedezésére.

7.2. A hőátviteli felület Ahhoz, hogy ezt a hőmennyiséget átvigyük szükséges nemcsak egy bizonyos felület, hanem egy bizonyos hőmérséklet különbség is. Épp ezért, a bepárláskor is a hőátbocsátási felület meghatározására a hőcserélőknél ismert összefüggést alkalmazzuk:

- 145 -

Bepárlás 



Q Q  K  A  T  A  , ahol K  K  T

1

1

 kond

 1  i   oldat i i

(7.13a, b, c)

Az összefüggésekben szereplő hőátbocsátási tényező és hőmérséklet különbség értéke függ, úgy a közeg koncentrációjától, fizikai tulajdonságaitól, mint a bepárlási rendszer egyes geometriai és technológia paraméterétől (ilyen például az áramlás jellege- szabad vagy kényszer-, a csövek helyzete, a forrás helye a bepárlóban stb.).

7.3. ábra. A forráspont növekedése a koncentráció függvényében.[Fonyó-Fábry] Bár a kondenzálási hőmérséklet konstans, a hőmérséklet különbség, vagyis a fűtőközeg és forrásban levő oldat közötti pozitív hőmérséklet különbség értéke nem állandó. Ez annak tulajdonítható, hogy az elpárologtatott oldószer hatására az oldat koncentrációja emelkedik, ami magával hozza a forráspont növekedést, mint ahogy a 7.3. ábrán is jól látható. A hőmérséklet növekedés nem csak az oldat koncentráció növekedésének az eredménye, ezt még előidőzheti a bepárlóban lévő oldat folyadékoszlop magassága is. Mint ismert, a nyomás növekedésével a - 146 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban forráspont emelkedik, tehát egy magasabb folyadékoszlop magasabb forrpontot eredményez. A két ok következtében a hőmérsékletkülönbség csökken a bepárlás folyamán, ami az adott felület állandósága lévén az átadott hőmennyiség csökkenéséhez vezet. Ahhoz, hogy az átbocsátott hő minél kevesebbet változzon, a belépő gőz hőmérséklete túl kell szárnyalja a két hőmérsékletemelkedést, vagyis:

T 0  T forr (C0 )  TC  Th

(7.14)

ahol:

T 0 - a gőz hőmérséklete, K, T forr (C0 ) - a kezdeti koncentrációnak megfelelő forrpont, K TC - a koncentrációváltozás által előidézett forráspont emelkedés, K,

Th - a folyadékoszlop magasságnak tulajdonított forrpontemelkedés, K. Ezeket a forráspont emelkedéseket mérésekre alapozva határozzuk meg, vagy megközelítő számításokat alkalmazunk. Ilyen számítás például a Tiscsenko által javasolt: 2

T  r T  Told  Tviz  T n   n (7.15)  Tn  r ahol: Told , Tviz - az oldat illetve az oldószer bepárlási nyomáson mért forrpontja,

K, T n - légköri nyomáson mért forráspont különbség, K, T - a tiszta oldószer forrpontja az oldat forrásának megfelelő nyomáson, K, Tn - az oldószer légköri nyomáson mért forrpontja, K, rn - az oldószer forralási entalpiája légköri nyomáson, J/ kg, r - az oldószer forralási entalpiája a bepárlási nyomáson, J/kg. Néhány anyag légköri nyomáson mért forrpont növekedését a 7.1 táblázat tartalmazza. 7.1. táblázat. A légköri nyomáson mért forrpont emelkedése a koncentráció függvényében, K. Oldott Az oldat töménysége, % anyag 10 20 30 40 50 60 70 KOH 12,2 23,6 45 78,8 126,5 NaOH 2,8 8,2 17,0 28,0 42,2 59,5 79,6 NaNO3 1,2 2,6 4,5 6,8 10,0 14,5 NaCl 1,9 4,9 9,5 Cukor 0,1 0,3 0,6 1,2 2,0 3,3 5,4

- 147 -

Bepárlás Gyakorlat. Határozzuk meg a 30 % nátriumhidroxid oldat forrpontját 0,5 kgsúly/m2 nyomáson. A 30 % NaOH oldat forrpontja légköri nyomáson

Told  100  17  1170 C , A víz forrpontja légköri nyomáson Tviz  1000 C , A víz forráspontja a 0,5 at nyomáson 81 0C, a víz forralási entalpiája a két nyomáson (légköri és bepárlási) 2256,68 illetve 2306,9 kJ/kg . Behelyettesítve a (7.15) összefüggésbe, következik: 2

Told  Tviz

2 T  r  81  273  2256,68  T n   n  Told  81  117  100   100  273  2306,9  Tn  r

 15,4  Told  81  15,4  96,4 0 C  369,4K A forráspont meghatározására alkalmazhatunk különböző típusú diagramokat is. Ilyenek például a lgpf-1/Ts diagramok is. Ilyent mutat be a 7.4. ábra. Mint látható, az előbbi gyakorlatnak megfelelő adatok felvivése a diagramra lehetővé teszi a forrpont hőmérséklet egyszerű meghatározását, vagyis a 97 0C megfelelő hőmérséklet leolvasását. Míg a koncentrációváltozás befolyását a forrpontemelkedésre gyakorlati úton határozzuk meg, a folyadékoszlop magasságának a hatását már számíthatjuk. Például, legyen egy 2 m magas folyadékoszlopú bepárló készülék, melyben 1000 kg/m3 sűrűségű híg oldatot forralunk 1 atm nyomáson. Mekkora lesz a hőmérséklet különbség az oszlop tetején és az alján. Ha az oszlop tetején a nyomás 1 atm akkor a forrpont 100 0C. A folyadékoszlop nyomása, tehát:

p  gh  1000  9,81  2  1,96  10 4 Pa Ami azt jelenti, hogy a folyadékoszlop alján a nyomás értéke:

p  pleg  p  1,013  105  1,96  10 4  1,21  105 Pa Ennek a nyomásnak megfelelő forráspont már nem 100 0C hanem 105 0C, tehát a forráspont emelkedés 5K. Nézzük meg mekkora lesz a forráspont emelkedés, ha a bepárló páraterében, a folyadékoszlop felett a nyomás 100 torr. A 100 torr-nak megfelelő forrpont: 51,7 0C. A folyadék alján a nyomás értéke:

- 148 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

Koncentracio

7.4. ábra. A nátrium hidroxid oldatra érvényes lg pf- 1/Ts diagram.

7.5. ábra. A koncentrációnövekedés hatása az oldat relatív (vízhez viszonyított) viszkozitására.

- 149 -

Bepárlás

p  pleg  p  760  247 torr 1,013  105 Ennek megfelelő forráspont pedig: 71,4 0C, ami azt jelenti, hogy a forráspont emelkedés most már T  71,4  51,7  19,7 K . A hőátbocsátási tényező értékét befolyásolja a folyadék termodinamikai tulajdonsága is. Mint ismert, úgy a viszkozitás, mint a hővezetési tényező és a fajhő függ az oldat koncentrációjától. Ahogy a 7.5. ábrán is jól látható, a koncentráció emelkedésével a viszkozitás is növekszik, ami főleg a nagyobb koncentrációjú oldatok esetén vezethet a bepárlás intenzitásának csökkenéséhez. A koncentrációnövekedés hatását a fajhő csökkenésére és a hővezetési tényező változására, általában táblázatok segítségével határozzuk meg. 100  1,96  10 4

7.2. Egytestes és többtestes bepárlás A legegyszerűbb bepárlást az un. függőleges, beépített csőköteges bepárlóban (lásd a 7.6. ábrát) lehet elvégezni, szakaszos vagy folytonos üzemben. A köpenytérbe lép be a fűtőgőz, míg 7.6. ábra. Csőköteges szakaszos vagy a csövekben a folyadék folymatos bepárló: 1- fűtőgőz belépése, 2tartózkodik. A csövek felett van a kondenzátum elvezetése, 3-légtelenités, 4páratér, a cseppleválasztó és a híg lé belépés, 5-besűritett lé kilépése, 6párakivezető csonk. Ahhoz, hogy a visszafolyó cső, 7-páracsonk. készülék jól működjön, először azt légtelenítjük az oldalcsövön. A csövek között felhevített folyadék az archimédeszi elvnek megfelelően felfelé áramlik, majd a páratérbe kerülve forrásba lép, lehűl, és az ejtőcsövön visszakerül a bepárló aljába, és újra körforgalomba kerül. Mint ahogy az ábrán is látható, a - 150 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban központi ejtőcső körül lévő forraló csövek segítségével oldják meg a hőátbocsátást. Az áramlás, mint látható szabad áramlás, ami azt jelenti, hogy a forralócsövekben felmelegített oldat kisebb sűrűsége lévén felfele áramlik, majd a cső felső részén párolgás hatására koncentrálódik és lehűl. Ez nehezebb lévén, az ejtőcsőben lefele áramlik, helyettesítve a forr csőben feláramlott oldatot. Így beindul egy természetes körfolyam, melynek munkáját a gőz által átadott energia biztosítja. Az egytestes bepárló fűtőgőz használata elég nagy, kb. 1,1 kg /kg pára. Épp ezért volt szükség a többtestes bepárló bevezetésére. Mint ahogy a 7.7. ábrán is látható, az első bepárló friss fűtőgőzzel, a második pedig az első által termelt sarjúgőzzel fűt. Az oldat bevezetése a testekbe lehet soros, párhuzamos vagy kevert kapcsolású.

7.7. ábra. Kéttestes bepárló kapcsolási sémája. Ahhoz, hogy az első test sarjúgőze fűtőgőzként szerepelhessen a második testbe, a hőmérséklete nagyobb kell legyen, mint a második testben lévő oldat forrpontja. Ámbár a páragőz nyomása kisebb, mint az első testbe bevezetett friss gőzé, így hőmérséklete se lehet nagyobb. Ahhoz hogy az egymást követő bepárlókban ugyanolyan hőmérséklet-különbséggel dolgozzunk, azokban a nyomást egyre jobban kell csökkenteni. Ezt úgy érjük el, hogy az i –dik testből kilépő páragőzt az i+1 testben kondenzáljuk. Az utolsó test sarjúgőzét pedig egy keverő kondenzátorba csapatjuk le. Az így összekapcsolt bepárlókészülékek frissgőz fogyasztása már jóval kisebb, mint az egytestes bepárlóé. Ha figyelembe vesszük a veszteségeket is kiszámítható az 1 kg oldószer elpárologtatására szükséges frissgőz. Így, például a víz esetén a 7.2. táblázatnak megfelelő adatokat kapunk. 7.3. táblázat. A szükséges frissgőz mennyisége a bepárló-testek függvényében. Testek száma 1 2 3 4 5 Fajlagos gőz-fogyasztás, 1,1 0,57 0,4 0,3 0,27 kg frissgőz/kg bepárlott víz

- 151 -

Bepárlás Az 5. testet túlszárnyaló bepárlók fajlagos gőzfogyasztás csökkenése annyi hasznot már nem biztosit, hogy érdemes legyen 6-nál vagy ennél több bepárló-test üzembe helyezése. Iparilag általában 3-5 bepárlóval működő berendezéseket alkalmaznak. Ilyen szabadáramlású bepárlókat tartalmazó berendezés sémáját mutatja be a 7.8. ábra.

7.8. ábra. Háromtestes bepárlótelep: 1- híglé tartálya, 2- adagolótartály, 3- áramlásmérő/szabályzó, 4- szivattyú, 5-előmelegitő, 6,7,8-bepárlók, 9-barometrikus keverőkondenzátor, 10- cseppfogó, 11- koncentráltlé gyűjtőtartálya, 12- fűtőkamra, 13- páratér, 14- gőzdóm, 15- a híglé bevezetése, 16- frissgőz bevezetése, 17- kondenzedény, 18- csonk, 19- páracsonk. Mint az ábrán is látható a berendezés egyenáramú, vagyis a gőz és a lé ugyanolyan irányba áramlik. Az ilyen típusú bepárló berendezés anyag és hőenergia mérlegének felállítására a 7.9. ábrának megfelelő áramlási sémát alkalmazunk. Figyelembe véve az ábrán feltüntetett jelöléseket a 3 testre a 7.3. táblázatban feltüntetett hő mérleget kapjuk. Az anyagmérleg pedig:  C W1  W2  W3  L0 1  0  C 

   L0 (1  b0 ) b3  

(7.16)

A három bepárlót tartalmazó berendezésben mindegyik testre egy-egy hőátbocsátási tényező jellemző. A K értékének a számításánál figyelembe kell venni, hogy a csövek úgy kívül, mint belől lehetnek lerakodással tele. Ezek a lerakodások erősen rontják a hőátadást. Így a hőátbocsátási tényező alakja: - 152 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

1

K

1

 kond

 csofal  old.l  1  k     k csofal old.l  old

(7.17)

7.9. ábra. A háromtestes bepárló-rendszer áramlási sémája.

Bepárló sorszáma 1

7.3. táblázat. A bepárlók hő mérlege. Hő mérleg

G  ig  L0  iL 0  G  ik1  W1  i p1  L0  W1 iL1

2

W1  i p1  L0  W1 iL1  W1  ik 2  W2 i p 2  L0  W1  W2 iL 2

3

W2 i p 2  L0  W1  W2 iL 2  W2ik 3  W3i p3  L0  W1  W2  W3 iL3

Tiszta fal esetén a K hőátbocsátási tényező értékét meghatározhatjuk egy megközelítő számítással. Legyen a gőz hőmérséklete T0 és a forrásban lévő oldat hőmérséklete T . A két közeg hőmérsékletkülönbségét jelöljük T . Ez a hőmérsékletkülönbség állandó és három résztagból tevődik össze, a gőztéri ( Tg ), a csőfali ( T f ) és a folyadéktéri ( Tl ) hőmérséklet különbségből. Írjuk fel a hő áramsűrűséget mindhárom hőmérsékletesésnek megfelelően:

- 153 -

Bepárlás

q  kT   g Tg 

 T f   f Tl 

(7.18)

Figyelembe véve a két hőátbocsátási tényező számítási összefüggéseit, felírhatjuk:

 g  Cg Tg u

 f  C f Tl n

(7.19a)

(7.19 b)

ahol u=-1/4 és n=2. A Cg és Cf állandók a közegek minőségétől és a bepárló geometriájától függnek. Behelyettesítve a (7.18) összefüggésbe, felírható:



q  kT  C g Tg

u 1   T f

 C f Tl n1

(7.20)

Innen: 1 / u 1

 KT   Tg    Cg   

1

 KT  n 1   (7.21a), T f  KT (7.21b), Tl   (7.21c)  Cf    

Figyelembe véve, hogy a teljes hőmérséklet különbség a három hőmérséklet különbség ősszege, felírható: 1 / u 1

 T   T    Cg   

1 u K 1

1

  n 1 1  1  T   T  K  K n 1    Cf 

(7.22)

Behelyettesítve az u és az n értékeit és bevezetve az X=0,1K1/3, a következő egyenletet kapjuk:

AX 4  BX 3  DX  E  0

(7.23) Kiszámítjuk a pozitív valós gyököt, mely 0,5-1,5 sávban mozog. Innen megkapjuk a K értékét, vagyis K=1000X3, ami megfelel a K= 125 W/m2K és 2300 W/m2K közötti értékeknek.

7.4. Bepárlók A bepárlók bevezetésétől eltelt évszázadokban nagyon soktípusú készüléket alkalmaztak. Ezek lehetnek természetes vagy kényszeráramlásúak. A természetes és kényszerkeringésű bepárlókról ad jó bepillantást a 7.10. ábra. Mint látható, itt beszélhetünk külső fűtőkamrás, osztott lé téres, kúszóáramú, esőáramú és csőkígyós bepárlókról. A 7.10a típusú külön fűtőkamrás és külön párakamrás bepárló. Itt a párakamra aljából összegyűjtött folyadék a fűtőkamra aljába kerül. Itt - 154 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban felmelegedve, túlhevített folyadékként kerül vissza a párakamrába. A páraelvezetés a párakamra tetején történik.

7.10. ábra. Bepárlókészüléke [Fonyó-Fábry].

- 155 -

Bepárlás A 7.10b típusú bepárló osztott kamrás. Itt a forr csövek felett helyezték el a párakamrát. A párakamra egyik oldalán van a lé elvezető csonk, a másikon az ejtőcső, mely segítségével megvalósul a természetes keringetés. Mint látható a létér ketté van osztva. Ezzel a megoldással könnyen bepárolhatók a hőérzékeny folyadékok, mint például a zselatin. Általában 2-3 testből készült berendezéseket építenek be. Ezek általában olcsóak és egyszerű üzeműek. A 7.10 c típusú bepárló az u.n Kestner féle kúszóáramú bepárló. Mint látható, elég hosszú forr csöve van, ami odavezet, hogy a lé elég hosszú utat tegyen meg a párakamráig. Olyan esetben, amikor az oldat viszkozitása nagy, a természetes keringés már nem elégséges a bepárló üzemeltetésére, akkor kényszeráramlású bepárlókat alkalmaznak. Itt az áramlást több féleképp oldhatjuk meg, kezdve a belsőcsőben beépített keverő típusú áramoltatástól égész az örvényszivattyús áramoltatásig. A közeg áramoltatási sebessége 1-3,5 m/s között mozog. Az 1 m/s sebesség alatt már nem igen kifizetődő az áramoltatásra szolgáló energia ára, ilyenkor inkább a szabad vagy keverős áramoltatást alkalmazzák. A 4 m/s feletti sebesség se használ, hisz nem javul oly annyira a hőátadási tényező értéke, hogy ezt alkalmazható legyen. A 7.10 d, e, f ábrákon feltűntetett bepárlóban örvényszivattyúval áramoltatják a folyadékot. A fűtőkamra lehet csőköteges hőcserélő, lemezes vagy hosszúcsöves. A fűtőkamra elhelyezése általában függőleges, 7.11. ábra. Vízszintes fűtőkamrás bepárló áramlásirányú, de ismert a [Fonyó-Fábry]: 1- hőcserélő, 2-szivattyú, vízszintes elhelyezkedésű 3-bepárlótest, 4- áramtörő, 5-páracsonk, csőköteges fűtőkamra is (lásd a 6- gőzdóm. 7.11 ábrát). Bármilyen elhelyezésű is a fűtőkamra, ami mindig fontos az a jó gőzelosztás és a megfelelő légtelenítés. Mint ismert, a kondenzálási hő átadását jobban elősegíti a vízszintes helyzetű cső, ellenben a légtelenítést a függőleges helyzetben tudjuk jobban megvalósítani. Ahhoz, hogy a fűtőkamra minden csövét jól érintse a betóduló gőz, különböző - 156 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban szerkezeti megoldásokat alkalmaznak. Ilyen jól bevált szerkezeti megoldást mutat be a 7.12 ábra, ahol az ejtőcső körüli térben, terelőlemezek segítségével több járatot alakítanak ki, mely elősegíti a nagy sebességű gőzáramlást. Így a stagnáló hártya könnyen eltávolítható a cső felületéről s a hőátbocsátási tényező értéke magas szinten tartható. A levegő 7.12 ábra. Fűtőgőzvezetés és szerepét a kondenzálási hőátadási tényező légtelenítés egy függőleges csökkenésére a 7.13 ábra jól tükrözi. fűtőkamrában (felülnézet). Tehát ahhoz, hogy nagy hőátbocsátási tényezővel dolgozzunk szükséges a levegő vagy a nem kondenzáló gázok kivezetése a fűtőkamrából. Épp ezért a fűtőkamrák légtelenítő nyílással vannak ellátva. A légtelenítő nyílás a fűtőkamra alján helyezik el (a levegő nehezebb, mint a forró gőz), de olyan helyzetbe, hogy megakadályozzák a kondenzátum kifolyását. Egy másik típusú bepárló, mely nagyon jól bevált a kristályosításnál, a külső ejtő gyűrűs bepárló (lásd a 7.14 ábrát). Itt a csőköteges fűtőkamra (a) függesztett állapotban van. A gőzbevezetés felülről középen történik (b), a kondenzátum levezetés a csőköteg alsó felén (c). A híg oldat bevezetése a kamra középmagasságában történik (e), míg a tömény oldaté, a kúpos alsó részen (f). A páraelvezetés a dóm felső felén történik (h). Amikor a bepárlással egyidejűleg kristály kiválás történik, a kristályok elválasztása a kúpos rész alatt lévő két kamra egyikében valósul meg. 7.13. ábra. A levegő hatása a A fűtőkamra könnyű kiemelhetősége kondenzálási hőátadási tényezőre. lehetővé teszi a bepárló tisztítását. Így üzeme és karbantartása elég olcsó. A bepárlás intenzitásának növelésére bevezették a lecsurgó réteges berendezéseket. Ezen berendezésekben az oldat felmelegítése nagy hőfokú közegekkel történik, s a vékony, néhány tizedmilliméteres film nagy

- 157 -

Bepárlás hőátadási tényezőt biztosít. Ilyen berendezést alkalmaznak a nagy forrási hőmérsékletű oldatok és a hőérzékeny vegyületek esetén. Az élelmiszeripar és gyógyszeripar egy másik változatát alkalmazza a vékonyréteges bepárlóknak, éspedig a rotációs filmbepárlót (lásd a 7.15 ábrát). Itt a lapátok segítségével vékony filmréteget alakítanak ki, melyet a külső köpeny segítségével fűtenek. Ilyen bepárló az un. Sambay típusú függőleges bepárló. A külső bepárlótestbe (1) szerelt tengely (6) lapátjai (5) a falon lecsurgó filmet képeznek a 3 csonkon beömlött és a 4 elosztón átfolyt folyadékban. A fűtőköpenyekbe (2) bevezetett gőz hatására keletkezett sarjúgőz a 8 csonkon hagyja el a bepárlót, míg a koncentrátum a kúpos alsórészén távozik. A gyorsabb elpárolgatást szolgálja a centrifugális erőt is felhasználó centritherm bepárló (lásd a 7.16 ábrát). Az alsó tengely motorhajtású tányért és kúpot forgat. A híg oldatot a felső részén adagolják és szétterül a kúp belső falán kb. 0,1 mm vastag filmet alkotva. A lecsorgó folyadék tartózkodási ideje 1 s alatti. A forgó kónuszt körülvevő köpenybe 7.14. ábra. Külső ejtőgyűrűs bepárló. forrógőzt vezetnek be. A kondenzátum alul van kivezetve. A sarjúgőz a forgó rész szájrészéhez illesztett álló párakivezető csonkon távozik. A koncentrált oldat a beépített álló csövön távozik. A bepárló teljesítménye kb. 50-2500 kg/h sarjúgőz. A 7.17 ábrán a modern marószódagyártásban alkalmazott réteges bepárlót mutatjuk be. Itt a Hőközvetítő - 158 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban közeg olvadt nitrát-nitrit keverék, melyet egy kemencébe beépített kígyócsőben melegítenek fel. A kapott sarjúgőzt az elő-bepárlásra alkalmazzák, így a 32 % -os eredeti oldatot kb. 65 % bepárolják. A vékonyréteges bepárlókészülék vízeltávolítása így 65 % tól 100 % koncentrációig valósul meg.

7.16. ábra. A centritherm típusú bepárló működési vázlata [Fonyó-Fábry].

7. 15. ábra. Sambay bepárló.[FonyóFábry]

A bepárlás egy jól ismert változata az expanziós bepárlás. Itt a bepárló oldatot előmelegítik, s olyan nyomásra hozzuk, hogy az elért hőmérsékleten még ne forrjon. Majd bevezetjük egy kisebb nyomású térbe. Itt az önelpárologtatás következtében gőz fejlődik ki, és az oldat az uralkodónyomásnak megfelelő hőmérsékletre hűl le.

- 159 -

Bepárlás

7.17. ábra. Marószóda bepárló berendezés vázlata: 1-tartály, 2, 8-örvényszivattyú, 3-5 bepárlótestek, 6-keverőkondenzátor, 7- vákuumszivattyú, 9-filmbepárló, 10-elosztó, 11- olvadéktartály, 12- merülő szivattyú, 13- kígyócső, 14 –égő, 15-levegő előmelegítő, 16- kémény, 17- ventillátor. Ahhoz, hogy a bepárlás kifizetődő legyen, többfokozatú változatba oldjuk meg. Ilyen változatot mutat be a 7.18 ábra, ahol a tengervíz édesvízzé való átalakítását ábrázoljuk. Az ábrából jól látszik, hogy itt nincs szükség az emelő szivattyúra. A forró sólét a legalsó fokozatba vezetik be, a gőznyomás alulról felfelé csökken. Az ábrán vázolt berendezéshez tartozik az édesvíz hőcserélő (1), az édesvíz melegítő (2) és az édesvíz hűtő (3) is. Az expanziós bepárlás egyik jó helyettesítője a pára kompressziós bepárló rendszer. Itt a több testes bepárlót egy testtel helyettesítjük, mint ahogy a 7.19 ábra is mutatja. Ahhoz, hogy a párát fűtésre használhassuk, ezt nagyobb nyomásra komprimálják egy villanymotorral hajtott kompresszorban. Az így átalakított villamos energia segítségével megoldható a pára tovább újrafelhasználása. Az ilyen berendezések gazdaságossága függ a gőz és villamos energia árainak arányától. Olyan esetben, ahol a villamos energia olcsó, ott az ilyen berendezéseknek jövőjük van. Más esetben, bizony már nem használhatók.

- 160 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

7.19. ábra. Turbókompresszoros bepárló: 1- motor, 2-turbokompresszor, 3-beparlo, 4- fűtőközeg, 5sarjúgőz, 6- betáplált oldat, 7koncentrált oldat, 8kondenzátum 7.18. ábra. Expanziós bepárló: 1- tengervíz melegítő, 2- édesvíz fűtő, 3- édesvíz hűtő. .[Fonyó-Fábry] Sok olyan berendezés van, ahol a szükséges hőt direkt/közvetlenül vezetik be a rendszerbe. Sok ipari berendezésben a bepárlást nem közvetett vagy közvetlen fűtéssel végzik, hanem a meleg folyadékot alacsonyabb nyomású edénybe vezetik, hol a nagy mennyiségű víz elpárolog, kiegyenlítve a nyomásnak megfelelő forrási hőmérsékletet. Ilyenkor a koncentrálás adiabatikusan történik, a párolgáshőt a víz a meleg folyadéktól veszi. Ilyen típusú bepárlót kristályosításra is használnak. A kisebb nyomást a gőzzel működő sugárszivattyú végzi. Itt nemcsak a 7.20. ábra. Lángmelegítésű bepárló: nagynyomású gőzsugár-szivattyús 1- égő, 2- merülő cső, 3- vezetőcső, megoldás jöhet példának, hanem a 4- füstgáz és páragőz csonk, 5- belépő csonk, 6-túlfolyó. lángmelegítésű bepárló (lásd a 7. 20 ábrát).

- 161 -