Prężność Pary Wodnej nad Czystą Wodą: Definicja i Zasady
- Szczegóły
Parowanie to proces przejścia substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy (parę). W zasadzie, terminy "gaz" i "para" są często używane zamiennie, jednak "gaz" odnosi się zwykle do substancji, które w standardowych warunkach ciśnienia i temperatury występują w stanie gazowym. Natomiast "para" odnosi się do stanu gazowego substancji, które zwykle występują w postaci ciekłej lub stałej.
Parowanie
Kiedy ciepło jest dostarczane do cieczy aż do osiągnięcia punktu wrzenia przy stałym ciśnieniu, cząsteczki cieczy uzyskują wystarczającą energię, aby przezwyciężyć siły przyciągania między cząsteczkami. W rezultacie, cząsteczki są uwalniane jako pojedyncze cząsteczki pary, aż do zakończenia procesu parowania.
Każda substancja wymaga dostarczenia określonej ilości ciepła, aby wyparować konkretną jej ilość. Ta ilość ciepła jest określana jako utajona energia cieplna pary danej substancji. Ilość energii cieplnej dostarczonej każdemu gramowi (lub każdej cząsteczce) substancji przechodzącej z jednego stanu w drugi zależy od samej substancji. Na przykład, ilość ciepła potrzebna do przekształcenia jednego grama wody w parę wodną w jej punkcie wrzenia przy ciśnieniu równym 1 atm, czyli ciepło parowania wody, wynosi około 540 kalorii.
Ewaporacja
Ciecze mogą przechodzić w stan gazowy również w temperaturach poniżej ich punktów wrzenia. Parowanie cieczy poniżej punktu wrzenia nazywane jest ewaporacją. Może ona zachodzić w każdej temperaturze, kiedy powierzchnia cieczy jest wystawiona w nieograniczonej przestrzeni. Kiedy jednak powierzchnia ta jest wystawiona w ograniczonej przestrzeni, a ciecz występuje w nadmiernej ilości w stosunku do potrzebnej do wysycenia danej przestrzeni, równowaga pomiędzy ilością cząsteczek tej substancji oddawanych z danej powierzchni i do niej powracających zostaje szybko osiągnięta.
Zmiana temperatury zakłóca tę równowagę; na przykład, wzrost temperatury powoduje wzrost aktywności cząsteczek na powierzchni cieczy i w konsekwencji wzrost tempa, w jakim są one uwalniane. Ruch cząsteczek pod wpływem ciepła przewyższa siły napięcia powierzchniowego i ciecz paruje, co oznacza, że jej energia kinetyczna przewyższa siły kohezji na powierzchni cieczy. Kiedy temperatura zmienia wartość na krótki czas, nowa równowaga jest wkrótce osiągana.
Przeczytaj także: Nawilżacze powietrza: dysze parowe
Ciśnienie, które jest wywierane przez parę w ograniczonej przestrzeni, nazywane jest ciśnieniem pary. Różni się ono w zależności od rodzaju substancji oraz temperatury. W punkcie wrzenia ciśnienie pary danej substancji ciekłej jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Na przykład, ciśnienie pary wodnej, mierzone w jednostkach wysokości słupa rtęci w barometrze, wynosi 4.58 mm w temperaturze 0°C i 760 mm w temperaturze 100°C (punkt wrzenia wody).
Czynniki Wpływające na Parowanie
Do czynników wpływających na parowanie należą:
- Stężenie parującej substancji w powietrzu: Jeśli stężenie parującej substancji w powietrzu jest wysokie, wówczas substancja ta paruje wolniej.
- Stężenie innych substancji w powietrzu: Jeśli powietrze jest już wysycone innymi substancjami, może ono mieć mniejszą pojemność dla parującej substancji.
- Temperatura substancji: Jeśli temperatura substancji jest wyższa, paruje ona szybciej.
- Tempo przepływu powietrza: Jest to po części związane ze stężeniem substancji w powietrzu opisanym powyżej. Jeśli świeże powietrze przepływa stale nad powierzchnią substancji, wówczas jest mniej prawdopodobne, iż stężenie tej substancji wzrośnie w czasie, co sprzyja ewaporacji. Dodatkowo, cząsteczki w ruchu posiadają więcej energii niż te w spoczynku, a więc czym silniejszy przepływ powietrza tym większa siła ewaporacji molekuł.
- Inter-molekularne siły: Im silniejsze siły przyciągania miedzy cząsteczkami w cieczy lub ciele stałym, tym więcej energii potrzebne jest w celu ich wyparowania.
Parowniki
Parowniki to urządzenia wykorzystujące zasady parowania w oczyszczaniu wody wykorzystywanej w różnych procesach gospodarczych, ścieków oraz odpadów zawierających wodę. Typowe ciecze oczyszczane w ten sposób to wody zawierające organiczne i nieorganiczne zanieczyszczenia o stężeniu nie większym niż 100 g/L. Różne rodzaje parowników mogą być wykorzystane do rożnych problemów oczyszczania wody, z różnym tego wykonaniem. Produkcyjna objętość wynosi od 0.15 do 60 ton/dzień a wszystkie modele parowników umożliwiają koncentracje ścieków w celu odpompowania skoncentrowanej substancji, łatwo osiągając stężenie 30% całkowitej ilości substancji rozpuszczonych przy niskim zużyciu energii.
Parowniki mogą być również używane do oczyszczania wcześniej skoncentrowanych cieczy lub tych o dużej twardości, skoncentrowanych kwasów i ekstremalnie korozyjnych substancji ciekłych. Parowniki wykorzystują pompę ciepła, gorącą wodę lub parę wodna albo proces mechanicznej kompresji pary (Mechanical Vapor Recompression), z naturalnym lub wymuszonym ich obiegiem.
Pewne przykłady zastosowania parowników dotyczące separacji wody:
Przeczytaj także: Korzyści z Używania Nawilżacza
- W przypadku galwanicznych rozcieńczonych "kąpieli" w celu odzyskania substancji i składników aktywnych
- Emulsji olejowych w celu odzyskania oleju
- Odtłuszczających "kąpieli" bogatych w mydła i detergenty
- Skoncentrowanych kwasów lub wysoce korozyjnych roztworów
- Roztworów wykorzystanych do wywoływania fotografii
- Skoncentrowanych roztworów solnych
- Wycieków z miejsc składowania odpadów
- Tak zwanych "bilge waters"
- Wód z płukania zawierających tusze
- Produktów przejściowych syntez oraz ścieków z przemysłu chemicznego, kosmetycznego oraz farmaceutycznego
Przykłady Zastosowania
Całkowity Recykling Ścieków ("zero discharge") w Produkcji Polichlorku Glinu
Zmotywowana przez organy związane z problemami środowiska naturalnego oraz wyższe koszty składowania, hiszpańska firma zlokalizowana w przemysłowym regionie niedaleko Barcelony, zainstalowała w 2001 urządzenie zaprojektowane do oczyszczania kwaśnych roztworów, powstałych w czasie produkcji. Celem urządzenia było odzyskiwanie glinu (Al) rozpuszczonego w ściekach pochodzących z elementów drukowania. Użyty parownik był to parownik typu "heat pump vacuum evaporator" (z pompa ciepła i odsysaniem) z przejściowym ciekłym produktem. Do kondensacji użyta została stal pokryta politetrafluoroetylenem a wymiana ciepła zachodziła w dwóch PVDF oraz silikonowo-karbidowych wymiennikach.
Po roku od zainstalowania parownika, analiza analityczna potwierdziła początkowe oczekiwania co do końcowego produktu jako roztworu o stałej gęstości, takiego jaki wymagany jest przy oczyszczaniu wód z przemysłu chemicznego. Uzyskano lokalne pozwolenie na rozszerzenie działalności recyrkulacji destylatu ze względu na całkowity recykling ścieków. W przeszłości, firma składowała odpady ciekłe zawierające roztwór HCl and AlCl3, co powodowało wysokie roczne koszty i problemy z ich przechowywaniem. Obecnie, koszty te zostały zredukowane i firma osiąga korzyści.
Oczyszczanie Ścieków z Procesów Grawerowania przy Użyciu Parowania z Tak Zwanym 'Vacuum'
W procesach grawerowania, elementy są grawerowane na cylindrze, który jest następnie zanurzany w tuszu wypełniającym wygrawerowane znaki, aby móc je następnie odcisnąć na papierze. Cylinder ten ma zwykle żelazny rdzeń i przed procesem grawerowania jest pokrywany niklem i elektrolitycznie miedzią a następnie korygowany. Cylinder podlega procesowi grawerowania oraz pokrycia chromem przed usytuowaniem go w obrotowej prasie. Grawerowanie zachodzi poprzez wyeksponowanie powierzchni cylindra pokrytego czułą na światło żelatyną na wiązkę lasera. Laser wypala żelatynę i powstaje wygrawerowany element, który następnie jest traktowany roztworem polichlorku żelaza. Jest to najważniejsza faza procesu. Jak tylko zostaje zakończona, cylinder zostaje wypłukany w celu usunięcia pozostałości polichlorku żelaza i żelatyny, a następnie wysuszony i pokryty chromem.
Ścieki powstałe w wyniku tego procesu zostają rozdzielone na cztery strumienie: z płukania po pokryciu cylindra niklem, z płukania po pokryciu go miedzią, z procesu grawerowania oraz z pokrycia cylindra chromem. Wszystkie te ścieki są to wodne roztwory o niskim pH, ChZT wyższym niż 8000 ppm i wysoka zawartością metali ciężkich (niklu, chromu, miedzi i innych taki jak chlorki lub siarczany). Szczególnie ścieki powstałe z samego procesu grawerowania zawierają wysokie ChZT (więcej niż 1500 ppm), niskie pH (mniej niż 1.5), wysoka zawartość żelaza i chlorków, konduktywność wyższa niż 80000 µS/cm oraz wysoki wskaźnik zasolenia. Stężenie żelaza i chlorków jest szczególnie ważne przy tego rodzaju ściekach.
Wysokie stężenie metali ciężkich, ale szczególnie wysoka zawartość chlorków sprawiła że tradycyjne metody oczyszczania zawiodły. W procesie oczyszczania, cztery strumienie ścieków są przechowywane w zbiornikach w celu osiągnięcia homogeniczności. Następnie są one poddane procesowi dostosowania pH i zneutralizowania go przy użyciu NaOH do wartości 5.5. Parowanie zachodzi dzięki zastosowaniu dwóch parowników z rodzaju 'heat pump vacuum evaporators'. Parowniki te produkują dwa strumienie: destylatu (produkowanego stale) oraz skoncentrowanej substancji automatycznie odprowadzanej (nie stale). Uzysk destylatu wynosi około 90%. Jest on recylkulowany w procesie. Substancja skoncentrowana przechowywana jest w odpowiednim zbiorniku i składowana zgodnie z wymaganiami. Parownik ten jest w stanie oczyścić około 4200 m3/rok ścieków.
Przeczytaj także: Zastosowania pary przegrzanej
tags: #prężność #pary #wodnej #nad #czystą #wodą
