Свойства растворов

Занятие № 10. Основы процессов выпаривания

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине "Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2008 г.

Казань - 2008 г.

Занятие № 10. Основы процессов выпаривания

Учебные цели:

1. Рассмотреть основы физико-химических процессов выпаривания.

2. Изучить конструкции, принцип действия испарительных и опреснительных установок.

Вид занятия: лекция

Время проведения: 2 часа

Место проведения: ауд. ________

Литература:

1. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 550 с.

2. Выпарные и кристаллизационные установки: Учеб. пособие / Конахин А.М., Конахина И.А. и др. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006.- 194 с.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

№ п/п	Структура занятия	Время, мин.
1.   2.     3.	Повторение пройденного материала на лекции №9   Учебные вопросы: 1. Свойства растворов. 2. Физико-химические и термодинамические основы процессов выпаривания. 3. Испарительные, опреснительные установки. Принцип действия, основные конструкции аппаратов, тепловые схемы. Заключение

Под концентрацией раствора b понимается отношение массы сухого вещества G_c,, кг, содержащегося в растворе, к общей массе раствора. Она может выражаться в процентах или относительных величинах.

b=, (1.1)

где W – количество растворителя в растворе, кг.

Растворителями могут быть вода, спирты, органические жидкости и т.д. В технике чаще всего имеют дело с водными растворами солей.

Для большинства растворов в определенном количестве воды или другого растворителя нельзя растворить неограниченное количество твердого вещества. Раствор, содержащий при данных условиях предельное количество растворенного вещества, называется насыщенным [1].

Количество растворенного вещества в насыщенном растворе, отнесенное к определенному количеству раствора или растворителя, называется растворимостью (табл. 1.1). Растворимость твердых веществ в воде не является постоянной величиной, а изменяется в значительных пределах в зависимости от температуры. Для большинства солей растворимость в воде с повышением температуры растет; для некоторых солей она понижается (CaCrO₄, MnSO₄, NaSO₄ и др.), и избыток соли выпадает в виде кристаллов. У поваренной соли NaCI растворимость от температуры практически не зависит [1].

Присутствие кристаллов в растворе при выпаривании нежелательно, так как они осаждаются на стенках аппарата и поверхностях нагрева кипятильников и образуют слой накипи или осадка, которые снижают теплопередачу и ухудшают работу выпарных аппаратов.

Таблица 1.1. Растворимость некоторых веществ в воде при температуре 20 ^оС

Вещество	Растворимость в воде г/100 г H2О	Концентрации насыщенного раствора, %	Вещество	Растворимость в воде г/100 г H2О	Концентрации насыщенного раствора, %
NaCI	35,8	26,4	BaSO4	0,00023	0,00023
КCI	34,2	25,5	Mg(OH)2	0,001	0,001
Na2СO3	21,2	17,6	CaCO3	0,0014	0,0014
NaOН	107,0	51,7	Ca(OH)2	0,16	0,16
ВаCI	35,6	26,3	NaSO4	32,8	24,7
СаSO4	0,2	0,2	MgCI2	35,3	26,1

Процесс выпаривания характерен значительным изменением физико-химических свойств растворов, связанных с изменением его концентрации.

С повышением концентрации увеличиваются плотность и вязкость, понижаются удельная теплоемкость, теплопроводность и интенсивность теплоотдачи, изменяется теплота растворения [1].

Плотность раствора можно легко определить по правилу аддитивности, зная его концентрацию и плотности чистых компонентов при данной температуре:

, (1.2)

где - плотность безводного нелетучего вещества, кг/м³; - плотность растворителя (воды), кг/ м³.

Все жидкие растворы обладают вязкостью, характерной для данного раствора. Вязкость всех растворов существенно зависит от температуры, уменьшаясь с ее повышением.

Численные значения динамической и кинематической вязкости растворов даются в справочной и специальной литературе. Изменение вязкости в зависимости от концентрации для некоторых растворов приведено

на рис. 1.2.

Рис.1.2. Изменение массовой удельной теплоемкости водных растворов в зависимости от концентрации раствора при 20 ^оС:

1 – NaOH; 2 – KOH; 3 – (NH₄)₂SO₄; 4 – NaNO₂; 5 – NH₄NO₃; 6 – K₂CO₃; 7 – CACI₂

Удельную теплоемкость раствора с _р, кДж/(кг·К), приближенно можно определить также по правилу аддитивности:

с _р= с _с b + с _в(1- b), (1.3)

где с _с – удельная теплоемкость безводного нелетучего вещества в растворе (табл. 1.2); с _в – удельная теплоемкость воды при 20 ^оС.

Таблица 1.2. Удельная теплоемкость сухих (безводных) веществ

Вещество	с сух, кДж/(кг· К)
С3Н8О3	2.41
С5Н10О5	1.29
СаСI2	0.687
KCI	0.676
KNO3	0.965
NaCI	0.837
NaNO3	1.089
NH4NO3	1.37
(NH4)2SO4	1.42
NH4CI	1.52

Удельную теплоемкость химического соединения при отсутствии данных можно ориентировочно рассчитать по уравнению:

(1.4)

где - молекулярная масса химического соединения; с – его массовая удельная теплоемкость, Дж/(кг ·К); п ₁, п ₂, п ₃ … - число атомов элементов, входящих в соединение; с ₁, с ₂, с ₃, … - атомные теплоемкости, Дж/(кг·атом·К), приведенные в табл.1.3.

Таблица 1.3. Атомная теплоемкость

Элемент	Атомная теплоемкость	Элемент	Атомная теплоемкость, Дж/ с·кг
В твердом состоянии	В жидком состоянии	В твердом состоянии	В жидком состоянии
С	7,5	11,7	F	20,95	29,3
H	9,6		P	22,6
B	11,3	19,7	S	22,6
Si	15,9	24,3	остальные		33,5
O	16,8	25,1

Удельные теплоемкости некоторых веществ приведены в табл.1.2. Удельная теплоемкость раствора зависит не только от концентрации растворенного вещества, но и от температуры. Для многих растворов удельная теплоемкость не подчиняется правилу аддитивности и не может быть достаточно точно вычислена по формуле (1.3). Отклонение от правила аддитивности тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества (рис.1.2). Поэтому в точных расчетах целесообразно использовать опытные значения удельной теплоемкости растворов, приводимые в виде таблиц или номограмм.

Теплопроводность растворов за редким исключением с ростом концентрации растворенного вещества уменьшается (рис. 1.3).

Теплопроводность воды и водных растворов электролитов в интервале от 20 до 100 ^оС различаются незначительно. Поэтому зависимость теплопроводности водных растворов солей и щелочей от температуры может быть принята такой же, как и для воды:

(1.5)

Для воды

При растворении твердых веществ в воде наблюдается охлаждение раствора, так как разрушается кристаллическая решетка, а на это требуется затрата энергии. Теплота растворения зависит от природы вещества и растворителя, а также от концентрации раствора.

Рис.1.3. Изменение теплопроводности водных растворов солей в зависимости от концентрации раствора при 20 ^оС:

1 – КОН; 2 – КСI; 3 – КNО₃; 4 – К₂СО₃; 5 – MgCI₂; 6 – MgSO₄; 7 – NaCI; 8 – NaNO₃; 9 – NaSO₄; 10 – Na₂CO₃; 11 – NaOH; 12 – CaCI₂

Дата добавления: 2014-01-06