Химическая энциклопедия - испарение

(парообразование), переход в-ва из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода. И. твердого тела наз. сублимацией (возгонкой), а парообразование в объеме жидкости - кипением. Обычно под И. понимают парообразование на своб. пов-сти жидкости в результате теплового движения ее молекул при т-ре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной пов-стью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетич. энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются. И. эндотермич. процесс, при к-ром поглощается теплота фазового перехода теплота И., затрачиваемая на преодоление сил мол. сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращ. жидкости в пар. Уд. теплоту И. относят к 1 молю жидкости (молярная теплота И., Дж/моль) или к единице ее массы (массовая теплота И., Дж/кг). Скорость И. определяется поверхностной плотностью потока пара j п, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы пов-сти жидкости [в моль/(с. м ²) или кг/(с. м ²)]. Наиб. значение j п достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды И. замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от пов-сти жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у пов-сти раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в осн. массе парогазовой смеси. Нарушение термодинамич. равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком т-ры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у пов-сти раздела фаз соответствуют их значениям для насыщ. пара, имеющего т-ру пов-сти жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние своб. конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при И. пара от пов-сти жидкости в газовую среду происходит в осн. в результате мол. диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) пов-сти раздела фаз массового (т. наз. стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от пов-сти жидкости в газовую среду (см. Диффузия).

Рис. Распределение т-р при разл. режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а от жидкой фазы к пов-сти испарения в газовую фазу; б от жидкой фазы только к пов-сти испарения; в к пов-сти испарения со стороны обеих фаз; г к пов-сти испарения только со стороны газовой фазы.

Эффекты барои термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии м. б. существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии мол. масс ее компонентов) и значит. градиентах т-р. При движении одной или обеих фаз относительно пов-сти их раздела возрастает роль конвективного переноса в-ва и энергии в парогазовой смеси и жидкости. При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внеш. источников теплота И. может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока в-ва, всегда направленного при И. от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений т-р осн. массы жидкости t ж, границы раздела фаз t гр и газовой среды t г (см. рис.). При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объемом или омывающим ее пов-сть потоком газовой среды и при т-ре жидкости, более высокой, чем т-ра газа (t ж > t гр >t г), возникает поток теплоты со стороны жидкости к пов-сти раздела фаз: (Q жг = Q ж ЧQ и, где Q и -теплота И., Q жг кол-во теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (т. наз. испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство t гр = t г, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Q жг= 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к пов-сти раздела, затрачивается на И. (Q ж= Q и). В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у пов-сти раздела фаз и при Q ж = Q и остается более высоким, чем в осн. массе газа, вследствие чего И. и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и t гр становится ниже t ж и t г.При этом теплота подводится к пов-сти раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения t ж достигается равенство t гр = t ж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Q гж становится равным Q и.Дальнейшее И. жидкости происходит при постоянной т-ре t м = t ж = t гр, к-рую наз. пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или т-рой мокрого термометра (т. к. ее показывает мокрый термометр психрометра). Значение t м зависит от параметров парогазовой среды и условий теплои массообмена между жидкой и газовой фазами. Если жидкость и газовая среда, имеющие разл. т-ры, находятся в ограниченном объеме, не получающем энергию извне и не отдающем ее наружу, И. происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамич. равновесие, при к-ром т-ры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при т-ре системы t ад. Последняя, наз. температурой адиабатич. насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий теплои массообмена. Скорость изотермич. И. [в кг/(м ².с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над пов-стью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d (в м) м. б. найдена по ф-ле Стефана: j п =(D/R пT)(p/d) ln [(p р п, гр)/( р Ч р п)]^-1, где D коэф. взаимной диффузии, м ²/с; R п газовая постоянная пара, Дж/кг (кг. К) или м ²/(с ².к); T т-ра смеси, К; р - давление парогазовой смеси, Па; р п, гр, р п < -> парциальные давления пара у пов-сти раздела и на наружной границе слоя смеси, Па. В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермич. условия) в прилегающем к пов-сти раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные теплои массоперенос. При этом для расчета скорости И. используют эксперим. коэффициенты теплои массоотдачи, а в относительно более простых случаях приближенные методы численных решений системы дифференц. ур-ний для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз. Интенсивность массообмена при И. зависит от разности хим. потенциалов пара у пов-сти раздела и в осн. массе парогазовой смеси. Однако если барои термодиффузией можно пренебречь, разность хим. потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций пара и принимают: j п= bp (р п, гр- р п, осн) = bp р(у п, гр у п, осн) или j п = bc(c п, гр с п, осн), где bp, bc коэфф. массоотдачи, p давление смеси, р п < -> парциальное давление пара, y п = p п/p - молярная концентрация пара, c п= r п/r - массовая концентрация пара, r п, r локальные плотности пара и смеси; индексы означают: "гр" у границы раздела фаз, "осн" в осн. массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при И. жидкостью, составляет [в Дж/(м ².с)]: q= a ж(t ж t гр) = rj п + a г (t гр Ч t г), где a ж, a г коэф. теплоотдачи со стороны жидкости и газа, Вт/(м ².К); r теплота И., Дж/кг. При очень малых радиусах кривизны пов-сти И. (напр., при И. мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над пов-стью раздела выше давления насыщ. пара той же жидкости над плоской пов-стью. Если t гр ~ t ж, то при расчете И. могут приниматься во внимание только теплои массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами теплои массопереноса, из к-рой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = a г l/l г число Нуссельта, l характерный размер пов-сти И., l г коэф. теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = bpy г, грl/Dp = bcc г, грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/R пT - коэф. диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения bp и b с вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют j п: 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов теплои массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (y г, гр) или массовую (с г, гр) концентрацию газа у пов-сти раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэф. b. Ур-ния подобия для Nu и Sh* при И. включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геом. параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения мол. масс или газовых постоянных ее компонентов) на профили, скорости, т-ры или концентраций в сечении пограничного слоя. При малых j п, не нарушающих существенно гидродинамич. режим движения парогазовой смеси (напр., при испарении воды в атм. воздух) и подобие граничных условий полей т-р и концентраций, влияние дополнит. аргументов в ур-ниях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При И. многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты И. компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от т-ры. При И. бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость. Общее кол-во испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием пов-сти контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в к-рых происходит И., предусматривают увеличение пов-сти И. путем создания большого зеркала жидкости, раздробления ее на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по пов-сти насадок. Возрастание интенсивности теплои массообмена при И. достигается также повышением скорости газовой среды относительно пов-сти жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значит. повышению гидравлич. сопротивления аппарата. И. широко применяется в пром. практике для очистки в-в, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий. См. также Выпаривание, Газов увлажнение, Градирни, Сушка. Лит.: Берман Л. Д., Испарительное охлаждение циркуляционной воды, 2 изд., М.-Л., 1957; Фукс Н. А., Испарение и рост капель в газообразной среде, М., 1958; Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974; Берман Л. Д., "Теоретические основы хим. технологии", 1974, т.8, № 6, с. 811-22; Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982. Л. Д. Берман.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

Под ред. И. Л. Кнунянца

1988