Podcast o Podstawy inżynierii chemicznej

Přepis

Vojtěch: Wyobraźcie sobie studentkę Annę. Kocha naleśniki i postanawia zrobić własny, domowy syrop z leśnych owoców. Wrzuciła owoce z wodą i cukrem do garnka, ale nawet po zagotowaniu to było... no, raczej taki rzadki sok. Co zrobiła? Zostawiła to na małym ogniu, żeby dalej bulgotało, aż część wody odparowała i syrop pięknie zgęstniał.

Tereza: Nieświadomie, Anna zbudowała w kuchni prostą wyparownicę. I właśnie o tej zasadzie będziemy dziś rozmawiać. To jest Studyfi Podcast.

Vojtěch: Dobrze, czyli wyparownica to w zasadzie urządzenie, które zagęszcza roztwory, odparowując część rozpuszczalnika? Tak jak Ania wodę z syropu.

Tereza: Dokładnie tak! Mówiąc fachowo, odparowujemy lotną ciecz, najczęściej wodę, żeby zwiększyć stężenie nielotnych składników, które są w niej rozpuszczone. Na przykład ten cukier i składnik owocowy w syropie.

Vojtěch: A do czego to się przydaje w przemyśle? Zakładam, że tam nie robią tylko syropów.

Tereza: No nie, ale zasada jest ta sama. W przemyśle spożywczym w ten sposób zagęszcza się na przykład sok cukrowy w cukrowniach. Wyparownice są też używane przy produkcji nawozów, w kosmetyce do pozyskiwania cennych olejków eterycznych z roślin, albo na przykład przed krystalizacją, kiedy potrzebujesz roztworu przesyconego.

Vojtěch: Czyli garnek to jeden typ. Jakie są te inne, bardziej zaawansowane?

Tereza: Dokładnie. Możemy je dzielić według kilku kryteriów. Na przykład, czy pracują w sposób ciągły, czyli non-stop, czy okresowo – jak ten garnek Anny. Potem według ciśnienia na próżniowe, atmosferyczne i nadciśnieniowe.

Vojtěch: Dlaczego próżniowe? To brzmi skomplikowanie.

Tereza: Kluczem jest to, że przy niższym ciśnieniu, w próżni, ciecz wrze w znacznie niższej temperaturze. Dzięki temu oszczędzasz mnóstwo energii i dodatkowo nie uszkadzasz substancji wrażliwych na ciepło. Jest to znacznie łagodniejsze.

Vojtěch: A co z ich wewnętrzną budową? Wszystkie wyglądają jak duży kocioł?

Tereza: Wcale nie. Mamy wyparownice z naturalną cyrkulacją, z wymuszoną cyrkulacją... a potem moje ulubione, filmowe. Na przykład wyparownica Kestnera z wspinającym się filmem.

Vojtěch: Wspinający się film? To brzmi jak tytuł jakiegoś horroru.

Tereza: Trochę! Wyobraź sobie długie, cienkie rurki. Do dolnej części wprowadzasz roztwór. Kiedy się nagrzewa, powstająca para unosi się do góry i porywa ze sobą cienki film cieczy po wewnętrznych ściankach rurek. Jest to super szybkie i efektywne.

Vojtěch: Czyli ta ciecz w zasadzie wspina się po ścianie, żeby uciec przed gorącem? Całkiem ją rozumiem.

Tereza: Dokładnie tak! A ta uchodząca para, którą nazywamy parą wtórną, często jest jeszcze wykorzystywana do podgrzewania kolejnego roztworu. Nic się nie marnuje.

Vojtěch: A da się to wszystko jakoś obliczyć? W chemii zawsze coś się oblicza.

Tereza: Oczywiście. Robimy bilans materiałowy i entalpowy. Musimy pamiętać o jednej rzeczy – roztwór cukru w wodzie nie zacznie wrzeć dokładnie w stu stopniach.

Vojtěch: Aha, bo są w nim rozpuszczone inne substancje.

Tereza: Dokładnie. Dochodzi do podwyższenia temperatury wrzenia. Oblicza się to za pomocą tak zwanej stałej ebulioskopowej, która jest inna dla każdego rozpuszczalnika. Ale to już temat, który zasługuje na osobny rozdział. Na razie wystarczy wiedzieć, że woda z cukrem jest trochę bardziej uparta niż czysta woda.

Vojtěch: Więc skoro już wiemy, *co* gdzie płynie, przejdźmy do tej trudniejszej części. Jak to jest z energią?

Tereza: Dokładnie tak. I tutaj wkracza bilans entalpowy. To jest tak naprawdę takie energetyczne księgowanie dla wyparownicy.

Vojtěch: Księgowanie? To brzmi prawie jak podatki.

Tereza: Nie martw się, to prostsze. Po jednej stronie równania jest energia, która wchodzi z roztworem, plus ciepło Q, które dostarczamy do systemu.

Vojtěch: A po drugiej stronie co jest?

Tereza: Energia, która wychodzi z zagęszczonym produktem, a potem głównie z tymi parami wtórnymi, które odparowaliśmy. To musi się równać.

Vojtěch: Dobrze, a skąd najczęściej bierze się to ciepło Q?

Tereza: W praktyce używa się pary grzewczej. Ona w urządzeniu skrapla się i przekazuje ogromną ilość energii. Jest to super efektywne.

Vojtěch: Aha! I właśnie to ciepło pomoże nam potem określić, jak duża musi być ta wyparownica?

Tereza: Dokładnie tak. Znamy ciepło Q, znamy różnicę temperatur między parą a roztworem... i z tego łatwo obliczymy potrzebną powierzchnię wymiany ciepła A.

Vojtěch: Więc żeby to podsumować dla wszystkich. Bilans materiałowy powie nam *ile* czego uzyskamy. A bilans entalpowy z kolei *ile energii* to będzie kosztować i jak duży aparat potrzebujemy.

Tereza: Lepiej bym tego nie ujęła. To cała magia projektowania wyparownic.

Vojtěch: Super. Tym samym jesteśmy na końcu nie tylko tego tematu, ale i całego dzisiejszego odcinka. Terezo, bardzo dziękuję za świetne wyjaśnienia.

Tereza: Ja dziękuję za zaproszenie. A wam, drodzy słuchacze, życzymy wielu sukcesów w nauce!

Vojtěch: Dokładnie tak. Trzymajcie się i do usłyszenia w kolejnym odcinku Studyfi Podcastu!