Схема испарения воды: Плешаков. 3 класс. РТ №1, с. 33

Содержание

Круговорот воды в природе: этапы и схема гидрологического цикла, схематический рисунок испарения

В биосфере Земли водяные массы постоянно перемещаются, образуя замкнутый цикл. Данный процесс получил название круговорот воды в природе, схема которого часто встречается в учебниках по естествознанию. Если вам необходимо написать доклад на тему Гидрологический цикл в природе, то данный материал будет вам полезен, поможет глубже познать природу и ее свойства….

Содержание

Основные понятия

Гидрологический цикл – это процесс регулярного перемещения жидкости в мировом пространстве, а его изучение позволило понять механизм действия: энергия Солнца воздействует на поверхность земли и океана, влага, нагреваясь, преобразуется в пар, молекулы которого поднимаются в атмосферу и концентрируются в виде облаков. Попадая в зоны с холодной температурой, молекулы конденсируются и выпадают вниз в виде осадков. Так под влиянием солнечной энергии и охлаждения процесс бесконечно повторяется.

Главные этапы и процессы

Как происходит круговорот воды в природе? Полный гидрологический цикл включает в себя несколько важных этапов:

испарение,
конденсация пара в атмосферных слоях,
выпадение его же в виде осадков на землю,
фильтрация через почву,
попадание жидкости в подземные потоки,
всасывание растениями жидкости из почвы,
участие в биохимических реакциях живых организмов.

Этапы круговорота иногда сводятся к минимуму:

вода испаряется,
концентрируется в атмосферных слоях,
выпадает в виде жидкой, твердой или парообразной субстанции.

Такой круговорот часто бывает над поверхностью большого водоема, например, океана. Гидрологический цикл кругообразный – это означает, что все этапы постоянно повторяются, обеспечивая таким образом непрерывное движение жидкости в природе.

Для него также характерны следующие процессы:

осадки – это выпадение воды на землю в виде дождя, снега, града и тумана,
перехват осадков – это процесс выпадения осадков не в почву или водоемы, а на деревья и другие растения. Такая влага сразу испаряется, не попадая в почву,
сток – это способ, с помощью которого вода передвигается по земле,
инфильтрация – это попадание жидкости внутрь почвы и ее фильтрация,
подземные потоки это потоки под землей, которые располагаются в зоне аэрации,
испарения воды – это переход молекул из жидкого состояния в парообразное,
сублимация переход молекул из твердого состояния в парообразное,
отложение – переход молекул из парообразного состояния в твердое,
адвекция – это перемещение водяных молекул (в любом состоянии) сквозь атмосферу,
конденсация – формирование пара в тучи и облака,
испарение – перемещение паров под воздействием солнечной энергии из почвы и растений в атмосферу,
просачивание – перемещение воды сквозь почву под действием гравитации.

Гидрологический цикл – это сложный процесс, который занимает от нескольких суток до нескольких лет. Океан полностью обновляется за 3200 лет – это значит, что вся вода в нем испаряется и возвращается обратно за тот же срок.

Интересно! Если всю воду, которая ежегодно испаряется, распределить равномерным слоем по всей поверхности Земли, получится слой толщиной в метр! Гидрологический цикл

Разновидности циклов

Ученые разделяют гидрологический цикл на несколько типов, по их масштабу и территории. Существует 5 основных типов:

Мировой круговорот воды – жидкость из океанов испаряется и выпадает в форме осадков над материковой сушей, а позже с помощью рек и стоков возвращается в океан,
Малый – жидкость с поверхности моря, испарившаяся под действием солнца, возвращается обратно осадками,
Внутриконтинентальный цикл происходит только над сушей,
Геологический цикл осуществляется внутри суши, когда океан сообщается с подземными потоками,
Глобальный –открытый, включающий в себя все типы круговоротов.

Как происходит круговорот воды в природе и каковы особенности каждого цикла. Это уникальное природное явление, благодаря которому все живое на Земле имеет доступ к питательным веществам.

Интересно! За год с поверхности Земли испаряется до 520 000 жидкости и выпадает обратно в виде осадков. Мировой круговорот в природе

Значение

Почему знать гидрологический цикл и его принципы действия действительно важно? Значение круговорота воды в природе сложно недооценить, потому что он:

является связующим звеном для всей гидросферы,
жизненно важные вещества все время перемещаются по Земле, достигая нужных мест, питают почву, растения и микроорганизмы,
очищает и фильтрует мировой океан,
регулирует климат.

Нерациональное использование воды может привести к нарушению гидрологического цикла и стать причиной возникновения непоправимых последствий для всей Земли и ее жителей.

Как объяснить данное понятие детям

Круговорот воды в природе для детей объяснить несложно, используя простые понятия или преподнося все в виде сказки. Можно показать им простой схематический рисунок и рассказать в доступной форме о каждом изображенном процессе:

Вода, которую мы пьем, употребляют также растения с животными, ведь она содержит в себе много полезных веществ,
Вода живет в океане и реках, а также под землей,
Солнце сильно греет океан, и он начинает сердиться. Когда вода в чайнике долго стоит на огне, она тоже сердится и выходит через носик. Так и часть жидкости в океане превращается в пар,
В небе пар чувствует себя одиноко и сбивается в кучки. И получаются облака и тучи, которые летают над землей, гонимые ветром,
Солнышко ночью не греет, поэтому пар перестает сердиться и снова превращается в жидкость, которая выпадает из тучи на землю, где пополняет реки, впадающие в океан,
Все повторяется сначала.

Круговорот воды в природе

Вывод

Объясняя круговорот воды в природе для детей, не стоит забывать о наглядных пособиях и использовать кипящий чайник, кубики льда и пар. Самое важное – показать, что жидкость важный ресурс, и к ней необходимо относится бережно. В итоге, чтобы понять, усвоили дети урок или нет, стоит задать им вопрос «Что такое круговорот воды в мире?» и послушать их ответы. Если вы все хорошо объяснили, то получите правильный ответ.

Круговорот воды в природе – что такое, описание, как происходит, виды, схема, значение, фото и видео

Содержание:

Поверхность Земли на 71% покрыта водой. Общая площадь океанов, морей, льдов и прочих водоемов составляет около 361 млн км². Вода считается самым важным веществом для всех живых организмов на нашей планете. Кроме того, она находится в постоянном движении, которое называется круговоротом воды в природе.

Что такое круговорот воды в природе?

Круговорот воды в природе (также влагооборот или гидрологический цикл) – это процесс перемещения воды в биосфере Земли, который происходит циклично. Он включает ее переход из жидкого в парообразное состояние, перенос паров воздушными потоками, конденсацию, выпадение осадков и транспортировку воды.

Простая схема круговорота воды

Хотя процесс испарения происходит как на суше, так и на поверхности водоемов, большая его доля приходится на Мировой океан. Благодаря влагообороту все составляющие водной оболочки Земли гидросферы связаны между собой.

История открытия

Некоторые представления о том, что в природе имеет место круговорот воды, существовали в Индии и Китае. Здесь люди обнаружили определенную связь между речными стоками и осадками.

Интересный факт: Индия и Китай первыми начали использовать дождемеры – специальные приборы, позволяющие измерять количество осадков.

В других странах и областях данная связь была неочевидной. Например, в Древнем Египте источником воды служил Нил. Однако наполнялся он за счет дождей, выпадавших в верховьях реки. То же самое касается таких рек, как Евфрат и Тигр, которые питались талыми водами и осадками, выпадающими в горах.

Дождемер

На территории Европы Леонардо да Винчи стал первым исследователем, который выразил свое предположение о круговороте воды в природе около 500 лет назад. Бернар Палисси из Франции первым заявил о том, что именно дожди питают реки. В дальнейшем этот вопрос был подробнее изучен такими учеными, как П. Перро, Э. Дарвин, Э. Галлей.

Общие сведения о гидрологическом цикле

Три четверти поверхности Земли покрыты водой. Гидросфера на 97% состоит из соленой воды, которой наполнены океаны и моря. Оставшиеся 3% занимают пресная вода, содержащаяся в ледниках, реках, озерах, грунтовых водах, а также водяной пар. Испаряющаяся вода и осадки по количеству приблизительно соответствуют друг другу, их объем – 519 000 км³.

В круговороте воды принимают участие все водоемы (поверхностные и подземные стоки), суша, растения и даже живые организмы. В частности, животные поглощают растения и получают из них часть накопившейся влаги. Человек тоже играет важную роль в данном процессе, причем зачастую оказывает отрицательное влияние.

Распределение воды

Основные элементы, понятия и процессы влагооборота:

Испарение. Процесс образования пара, вызванный солнечным теплом, а также его перемещение с поверхности Земли в атмосферу. Переход воды в газообразное состояние.
Конденсация. Переход пара в жидкое состояние, образование облаков.
Осадки. Выпадение влаги из атмосферы на поверхность Земли.
Адвекция. Процесс движения воздушных масс в горизонтальном направлении, во время которого сохраняются их главные свойства, такие как уровень влажности, температура и др.
Сублимация. Переход воды из твердого в газообразное состояние.
Отложение. Переход водяного пара в твердое состояние.
Поверхностные стоки. Перемещение воды по поверхности Земли.
Подземные стоки. Перемещение воды под землей.
Поглощение влаги растениями. Осадки не достигают почвы, а перехватываются растениями, после чего испаряются.

Интересный факт: меньше 1% всего объема воды принимает участие в гидрологическом цикле. Остальные ее запасы представляют собой снег и лед.

Как происходит круговорот воды?

Гидрологический цикл – сложный процесс, включающий несколько этапов. Он обеспечивается действием двух факторов: солнечной радиации (основной) и силы тяжести.

Над океаном

В теплое время года вода морей и океанов нагревается Солнцем. За счет этого она испаряется, то есть из жидкого состояния переходит в газообразное. При этом вода лишается солей. Таким образом, в атмосфере накапливается пресный водяной пар, который постепенно поднимается в ее верхние слои.

С высотой температура понижается, а, значит, пар встречает на своем пути холодные воздушные потоки. Также имеет место процесс адвекции – перемещения воздушных масс горизонтально. Так водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется – превращается в капли воды, образуя облака.

Водный цикл

Они продолжают перемещаться вместе с воздушными потоками. Капли воды при этом сталкиваются друг с другом и становятся крупнее. Из облаков впоследствии выпадают осадки, которые наполняют океан. Простая схема круговорота воды состоит из таких этапов:

испарение;
накопление водяного пара в атмосфере;
выпадение осадков (конденсация).

Океан намного больше испаряет влаги, чем получает ее из осадков.

Над сушей

Относительно просто влагооборот происходит над поверхностью океана. Для суши этот процесс сложнее. Она получает больше влаги с осадками, чем испаряет. Данный процесс вызван двумя факторами:

Солнце нагревает земную поверхность;
растения испаряют влагу через наружные органы (транспирация).

Осадки выпадают преимущественно в виде дождя, а частично в форме снега, града, снега с дождем. Твердые виды осадков способны накапливаться в ледниках и ледяных шапках. В такой форме замерзшая вода может находиться несколько месяцев и даже тысячи лет. Но не стоит забывать о процессе сублимации, во время которого лед пропускает стадию жидкости и сразу переходит в парообразное состояние. Поэтому незначительный обмен между атмосферой и льдом все же присутствует. А в периоды повышения температуры происходит активное испарение воды.

Растения испаряют воду через устьица

Когда над сушей выпадают осадки в виде дождя, часть их не достигает почвы, поскольку захватывается листьями растений. На суше водные потоки реками перемещаются к океанам. Частично влагу поглощает грунт. Как и на поверхности, вода движется под землей.

Грунтовые воды выходят наружу через артезианские скважины и родники. Так они опять возвращаются в водоемы и океан. Кроме того, все грунтовые источники имеют связь с поверхностными водными объектами. Небольшой процент этих вод проникает вглубь минеральных пород, где остается на протяжении многих лет.

Процесс транспирации у растений представляет собой активное испарение воды через устьица. Влага, безусловно, очень важна для них и играет важную роль в жизнедеятельности. Однако до 99,5% воды, которую растения поглощают через корневую систему, испаряется.

Интересный факт: двигаясь к океану, вода вбирает в себя различные минеральные вещества и соли из грунта. За счет этого поддерживается соленость Мирового океана: вода из него испаряется, а соли остаются.

Планетарный круговорот воды в природе

Гидрологический цикл на планетарном уровне выглядит следующим образом:

Первый этап – испарение. Вода нагревается солнечным излучением и становится паром. Он поднимается в слои атмосферы. Данный процесс непрерывен всюду на Земле, но протекает с разной интенсивностью над любыми водоемами.
Второй этап – конденсация. Происходит в верхних слоях атмосферы. При контакте с холодным воздухом водяной пар возвращается в жидкое состояние. Образуются капли воды, из которых состоят облака и туман.
Третий этап – выпадение осадков. Капли воды становятся крупнее и тяжелее, так как сталкиваются друг с другом. При достижении определенного размера они начинают на высокой скорости падать на земную поверхность в виде дождя, снега, града и прочих осадков.
Четвертый этап – возвращение воды в океан. На поверхности Земли происходит распределение выпавших осадков. Воду поглощают растения и почва, также она наполняет реки, с помощью которых устремляется к океану.

Виды круговорота воды

Влагооборот делится на два основных вида:

малый или океанический – испарившаяся над океаном вода не переносится на сушу, а в виде осадков снова возвращается в океан;
большой – влага испаряется над океаном, пар переносится на сушу, конденсируется, выпадает в форме осадков, после чего распределяется между подземным стоком, поверхностным стоком и обратным испарением.

Испарение воды

Также выделяют:

Внутриконтинентальный или местный гидрологический цикл, протекающий исключительно на суше. Часто возникает в замкнутых межгорных котловинах.
Геологический – процесс беспрерывного обмена водами между сушей и океаном. Преимущественно в местах столкновения литосферных плит.
Глобальный – приток воды из глубин Земли через тектонические трещины (около 0,25 км³ в год) и устремление молекул водяного пара в космос. Процесс имеет незамкнутый характер.

Схема круговорота воды в природе

Схема круговорота воды в природе – 1

Схема круговорота воды в природе – 2

Схема круговорота воды в природе – 3

Схема круговорота воды в природе – 4

Количественные показатели

Годовое количество осадков

Годовое распределение атмосферных осадков:

общее количество осадков, выпадающее на поверхность Земли – 577 тыс. км³;
общая средняя высота слоя – 1130 мм;
объем осадков над Мировым океаном (73%) – 458 тыс. км³, высота слоя – 1270 мм;
объем осадков над сушей (21%) – 119 тыс. км³, высота слоя – 800 мм;
количество осадков в районе полярных шапок – 4%;
испарение воды из океана – 1400 мм;
объем речного стока в океаны – 47 тыс. км³.

Обновление водных ресурсов. Как часто происходит влагооборот?

Все водные ресурсы нашей планеты регулярно обновляются, и влагооборот принимает в этом наиболее активное участие. Согласно различным источникам, примерные значения частоты круговорота воды следующие:

атмосфера – 10 дней;
океан – 3,2 тыс. лет;
глубинные грунтовые воды – 10 тыс. лет;
паводковые грунтовые воды – 100-200 лет;
ледник – 5-10 лет;
горный ледник – 1,6 тыс. лет;
ледники полярных областей – 9,7 тыс. лет;
снежный покров (сезонный) – 2-6 месяцев;
внешний слой почвы – 1-2 месяца;
река – 17-19 дней;
озеро – 15-17 дней.

Грунтовые воды

Интересный факт: быстрее всего обновляется вода, которая входит в состав живых организмов. На это требуется несколько часов.

Значение круговорота воды

Гидрологический цикл объединяет все оболочки Земли, благодаря чему они функционируют как единый «организм». Поэтому круговорот воды является одним из наиболее важных явлений в природе. Без него трудно представить существование жизни на нашей планете.

Интересно о воде, инфографика

Вместе с водой по всей биосфере циркулируют разные органические вещества и минералы, а также она способствует формированию оптимальных климатических условий.

Другие функции гидрологического цикла:

очищение вод Мирового океана;
перенос полезных веществ на большие расстояния;
обеспечение водой почти всех уголков планеты;
разделение водоемов на соленые и пресные, которые подходят для определенных живых организмов;
контроль уровня речного стока в случае изменения погодных условий.

Агрегатные состояния и свойства воды в природе

Вода – единственное вещество на планете, которое может находиться в трех агрегатных состояниях в природе: жидком, твердом (лед), газообразном (пар). Благодаря тому, что вода способна переходить из одного состояния в другое, как раз и возможен гидрологический цикл.

Агрегатные состояния воды

Свойства воды, влияющие на процесс влагооборота:

плотность;
поверхностное натяжение;
температура кипения.

Когда вода замерзает, то есть переходит из жидкого состояния в твердое, ее плотность снижается. Все прочие вещества при этом, наоборот, увеличивают свою плотность. Именно благодаря этому свойству мы можем наблюдать, как поверхность водоема покрывается сплошной коркой льда, не пропускающей воздух. Ледяной слой способствует сохранению тепла под водой, поэтому обитатели водоемов без труда переносят холодное время года.

Поверхностное натяжение играет важную роль при формировании осадков. Его значение у воды существенно выше, чем у многих других веществ: 72,86‧10^-3 Н/м против 26‧10^-3 Н/м у нефти или 43‧10^-3 Н/м у мыльного раствора, к примеру. За счет этого становится возможным образование дождевых капель.

У воды достаточно высокая температура кипения (100℃). Поэтому процесс ее испарения протекает в замедленном темпе, что сокращает потери влаги в естественной среде.

Влияние человека на круговорот воды

Человек в разных целях потребляет большое количество воды, причем вся она изымается из гидрологического цикла. Влияние человеческой деятельности на влагооборот происходит тремя путями:

Вернувшаяся в цикл вода после использования становится загрязненной и в таком виде принимает дальнейшее участие в круговороте.
Происходит значительное перераспределение воды между природными цепочками цикла.
Используя воду в промышленных или сельскохозяйственных целях, человек тем самым создает новые цепочки в круговороте.

Объем потребляемой людьми воды постоянно увеличивается. Особенно высокими считаются потребности промышленной сферы и сельского хозяйства. Например, американские исследователи подсчитали, что из расчета на душу населения ежедневно требуется:

570 л на бытовые нужды;
1400 л на промышленность;
2700 л на полив и прочие нужды сельского хозяйства;
2300 л на производство электрической энергии.

Интересный факт: в наше время среднестатистическому человеку требуется около 300-1000 л пресной воды в день. В городской местности ее расход в 3 раза выше, чем в сельской.

При этом человек в роли живого организма требует не более 2-2,5 л воды в сутки. Общий суточный объем потребления жидкости в мире равен около 7 триллионам литров и этот показатель неуклонно растет.

Обеспечение населения питьевой водой в мегаполисах мира

Водопотребление делится на два типа:

Возвратное (бытовые нужды, промышленность). После использования вода возвращается в первоначальный источник. В дальнейшем ее можно будет использовать снова при условии качественного очищения. Такое потребление можно назвать безвредным для природы, но в действительности результат очищения оставляет желать лучшего.
Безвозвратное (орошение и др.). Вода изымается из гидрологического цикла на некоторое время. Хотя она частично возвращается в круговорот, но уже не в водоем-источник, а в атмосферу.

Главные нарушения влагооборота, вызванные антропогенной деятельностью:

загрязнение воды при возвратном потреблении;
ограниченное ее количество в источнике;
при безвозвратном потреблении отвод воды влияет на экосистемы, которые располагаются ниже по течению источника.

Интересные факты о воде

Несколько интересных фактов о воде:

Организация ЮНЕСКО провела исследование с участием 122 государств, по результатам которого выяснилось, что самой чистой водой обладает Финляндия. На втором и третьем месте – Канада и Новая Зеландия.
Горячая вода замерзает быстрее холодной (парадокс Мпембы). Несмотря на множество попыток объяснить данное явление, ученые до сих пор не пришли к единому мнению.
Идеально чистая вода без примесей не замерзает при 0℃. Она может оставаться жидкой вплоть до -42℃, поскольку именно вокруг мельчайших частиц формируется лед.
Для людей вода является вторым после кислорода важнейшим веществом. За всю жизнь человек выпивает около 35 т.
На очищение загрязненных подземных вод требуется несколько тысяч лет.
ООН установила Международный день воды – 22 марта, когда проблеме ее чистоты уделяется особое внимание.
Всего 1% воды на Земле подходит для питья и использования в других целях. 2% содержатся в ледниках, а 97% составляет соленая вода.
Вода – универсальный растворитель, поскольку способна растворять полярные молекулы.
Вода – распространенное вещество в космосе. Однако там она существует лишь в форме льда и пара из-за высокого внутрижидкостного давления.
Уровень содержания воды в человеческом теле составляет 50-75%. Этот показатель зависит от возраста и веса.

Круговорот воды в природе – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Системы концентрирования и выпаривания | Теплообменники HRS

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Испарение — эффективный способ уменьшения объема сточных вод и отходов. Наши испарительные системы доводят сточные воды до точки кипения, так что вода испаряется, а затем конденсируется, получая таким образом концентрированный конечный продукт и воду. В принудительной рециркуляции используется насос для подачи продукта через испаритель на высоких скоростях, что обеспечивает высокую скорость, хорошую теплопередачу и минимальное загрязнение.

По мере возможности мы стремимся интегрировать наши системы выпаривания с источниками отработанного тепла для достижения эффективного устойчивого процесса.

ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ГОФРИРОВАННЫМИ ТРУБКАМИ

Для испарения стоков с низкой вязкостью и уменьшенным размером частиц мы используем теплообменник серии K в качестве испарительного модуля, обеспечивающего высокую теплопередачу и хорошую устойчивость к загрязнению.

Приложения для этих систем включают:

Сточные воды
Рассолы и стоки с органическими твердыми частицами в низкой концентрации
Сточные воды с низкой и средней вязкостью
Низкое содержание взвешенных частиц

СИСТЕМЫ ИСПАРЕНИЯ СКРЕБНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Компания HRS рекомендует серию Unicus в качестве испарительного модуля для сильно загрязняющих жидкостей с повышенной вязкостью. При концентрировании материалов до высокого содержания сухого остатка становится очевидным риск засорения и высокой вязкости (что снижает теплопередачу). Для этих целей серия Unicus идеально подходит благодаря самоочищающемуся скребку.

Области применения включают:

Сточные воды с высоким риском загрязнения
Органические твердые вещества с высокой концентрацией сухого вещества
Высокое содержание взвешенных частиц

HRS использует две технологии, которые максимизируют использование энергии в наших системах испарения:

МНОГОЭФФЕКТНЫЕ СИСТЕМЫ ИСПАРЕНИЯ

Трехступенчатая схема испарения

Эти системы испарения сочетают в себе различные ступени испарения. Пар, полученный на предыдущей ступени, используется в качестве источника тепловой энергии для последующей ступени. Несколько ступеней могут быть объединены для снижения потребления энергии, необходимой для количества испаряемой воды.

СИСТЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ РЕКОМПРЕССИИ ПАРОВ (MVR) ИЛИ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕКОМПРЕССИИ ПАРОВ (TVR)

В установке MVR испарившийся пар направляется в компрессор (где его давление и температура повышаются) и используется в качестве источника тепловой энергии в процессе испарения. В этой установке используется только электрическая энергия (для привода компрессора). В установке TVR пар котла можно смешивать с испаряемым паром в термокомпрессоре, что приводит к значительной экономии энергии.

Каждая испарительная система разработана специально для своего применения.

HRS предлагает решения для выпаривания:

Сточные воды
Сточные воды
Рассолы
Дигестат
Шлам
Навоз
Сточные воды завода по производству пальмового масла (POME)

Брошюра

Применение, связанное с системами концентрирования и выпаривания

Выпаривание – альтернатива очистке сточных вод

Об авторе: Том М. Панкратц является региональным менеджером компании Aqua-Chem, Inc. на Ближнем Востоке, базирующейся в Дубае, Объединенные Арабские Эмираты.

Том М. Панкрац

undefined

Испарение рассматривается как альтернативный процесс во все большем числе применений очистки сточных вод. Он может быть эффективен для концентрирования или удаления солей, тяжелых металлов и различных опасных материалов из раствора. Кроме того, его можно использовать для извлечения полезных побочных продуктов из раствора или для концентрирования жидких отходов перед дополнительной обработкой и окончательным удалением. Большинство применений этой технологии также производят высококачественный многоразовый дистиллят, что является очень важным свойством там, где сохранение воды является приоритетом.

Во время выпаривания раствор концентрируется, когда часть растворителя, обычно воды, испаряется, оставляя после себя солевой раствор, который содержит практически все растворенные твердые вещества или растворенные вещества из исходного сырья. Процесс может осуществляться естественным образом в солнечных испарительных прудах или с использованием имеющегося в продаже испарительного оборудования.

Солнечные испарители обычно ограничены наличием земли и стоимостью, потенциальными проблемами запаха или метеорологическими и климатологическими условиями, в то время как механические испарители относительно компактны, надежны и эффективны.

Конструкция и эксплуатация

Процесс испарения происходит за счет теплоты, передаваемой от конденсирующегося пара раствору при более низкой температуре через металлическую поверхность теплопередачи. Поглощенное тепло вызывает испарение растворителя, обычно воды, и увеличение концентрации растворенного вещества. Образующийся пар может быть выброшен в атмосферу или сконденсирован для повторного использования.

Механическое выпаривание является энергоемким способом концентрирования жидкостей, и при выборе наиболее эффективного выпарного аппарата следует учитывать различные альтернативные источники энергии. В идеальной системе один килограмм конденсирующегося пара испарит из раствора один килограмм воды. Такая система имеет паровой КПД, или экономию, 1:1 (1 кг удаляемой воды на каждый кг подаваемого пара). Простая испарительная система имеет одну испарительную камеру или эффект и, как говорят, имеет «экономию одного».

Экономию испарителя можно увеличить, увеличив количество эффектов. Система с несколькими эффектами использует пар от первого эффекта в качестве источника пара для каждого последующего эффекта. По мере снижения температуры на каждой последующей стадии испарение продолжается, поскольку давление и температура кипения также снижаются.

Использование каждого дополнительного эффекта повышает энергоэффективность системы. Например, двухступенчатый испаритель потребляет примерно 50 процентов пара, потребляемого одноступенчатой установкой, и имеет теоретическую экономию, равную 2. Количество ступеней можно увеличить до такой степени, что капитальные затраты на следующую ступень превысят капитальные затраты на следующую ступень. экономия затрат на электроэнергию.

Использование сжатия паров является еще одним проверенным методом снижения энергозатрат. При таком подходе пар, выходящий из испарительной камеры, сжимается до значений давления/температуры, необходимых в теплообменнике.

Механические компрессоры чаще всего используются для сжатия паров. Компрессоры могут быть объемными, центробежными или осевыми. Испарительной системе, использующей механическое сжатие пара, для начала работы часто требуется только внешний источник пара. Обычно это может обеспечиваться небольшим бойлером или резистивным нагревателем в питательном баке испарителя. Также можно рассмотреть пароструйный тепловой компрессор, использующий пар высокого давления. Использование теплового компрессора примерно эквивалентно добавлению дополнительного эффекта испарителя.

При наличии отработанное тепло от других технологических потоков также может быть использовано для снижения затрат на испарение. Например, горячие технологические жидкости могут прокачиваться через нагревательные трубы вместо пара, восстанавливая тепло и передавая его испаряемой жидкости, или энергия горячих дымовых газов может быть преобразована в пар в ребойлере и впоследствии использована в испарителе.

Типы испарителей

Испарители можно разделить на категории в зависимости от устройства их поверхности теплопередачи и метода, используемого для передачи энергии (тепла) раствору. Некоторые распространенные типы испарителей включают

Падающая пленка вертикальной трубы: Рециркулирующая жидкость вводится в верхнюю часть вертикального пучка труб и падает тонкой пленкой вниз по внутренней части труб. Жидкость поглощает тепло от пара, конденсирующегося снаружи трубок, и вода в жидкости испаряется. Этот тип испарителя обычно выбирают для жидкостей с более высокой вязкостью и для концентрирования чувствительных к нагреванию растворов, требующих короткого времени пребывания.

Распылительная пленка для горизонтальной трубы: Рециркулирующий раствор нагревается и распыляется снаружи пучка горизонтальных труб, по которому проходит пар низкого давления, конденсируя водяной пар внутри трубы. Пар из испарительной камеры можно использовать в качестве пара в последующем эффекте или механически сжимать и повторно использовать в качестве теплоносителя на той стадии, где он был получен.

Накипь, образующаяся на внешней стороне трубок, может периодически удаляться химической очисткой. Конструкции с горизонтальными трубами могут применяться в местах с небольшими требованиями к высоте и особенно полезны при установке внутри помещений.

Принудительная циркуляция: Рециркулирующая жидкость прокачивается через теплообменник под давлением для предотвращения закипания и последующего образования накипи в трубках. Затем раствор поступает в сепараторную камеру, работающую при несколько более низком давлении или частичном вакууме, что вызывает мгновенное испарение воды и образование нерастворимых кристаллов в растворе.

Испарители с принудительной циркуляцией или кристаллизаторы часто используются для применений, требующих высокой концентрации твердых частиц или кристаллизации, или для применений, связанных с большим количеством взвешенных твердых частиц. Энергозатраты на установки с принудительной циркуляцией могут быть больше, чем на другие испарительные системы, из-за их высокой скорости рециркуляции.

Комбинированные и гибридные системы: Часто возможно комбинирование различных типов испарителей или их комбинирование с другими процессами для снижения капитальных и эксплуатационных затрат или достижения конкретных целей очистки. В одном довольно распространенном устройстве используется испаритель с падающей пленкой, за которым следует кристаллизатор с принудительной циркуляцией. В этой схеме испаритель концентрирует поток сточных вод до содержания твердых частиц от 20 до 30 процентов, а кристаллизатор дополнительно концентрирует его до твердого состояния. Энергозатраты могут быть снижены за счет использования пара, выпускаемого из испарителя, для работы кристаллизатора.

Гибридные конструкции становятся все более распространенными в системах с нулевым расходом жидкости. Гибридная система может состоять из испарителя или испарителя/кристаллизатора, которым предшествует этап обратного осмоса или электродиализного предварительного концентрирования. Концентрат или отходы из предконцентратора становятся сырьем для испарителя.

Хотя гибридная система усложняет работу, она позволяет уменьшить размер испарителя, а также снизить энергопотребление системы. Но обратите внимание, что не все сточные воды, особенно с высокой склонностью к образованию накипи, являются кандидатами для гибридных систем.

Применение испарителей

Поскольку выпаривание является энергоемким и капиталоемким процессом, выбор и конструкция испарительной системы должны быть тщательно продуманы для каждого применения.

Испарители успешно используются для очистки многих промышленных сточных вод, например, сточных вод энергетических и химических предприятий, отходов отделки металлов, отработанных целлюлозных растворов, эмульгированных масляных потоков, потоков с высоким растворимым БПК (сахара) и нелетучих водных органических или неорганических потоков, содержащих красители, кислоты и основания.

Нулевой сброс жидкости: Федеральные, государственные и местные правила, регулирующие сброс промышленных сточных вод, становятся все более строгими. Все прямые сбросы должны получить разрешение Национальной системы ликвидации выбросов загрязнителей (NPDES), которое устанавливает максимально допустимый предел для регулируемых загрязнителей. Разрешения NPDES подлежат продлению, а разрешенные уровни сброса могут быть снижены, чтобы отразить изменения в принимающем водном объекте. Поэтому очистители должны принимать во внимание их производство сточных вод, а также возможные изменения в будущем.

На многих промышленных предприятиях могут быть установлены испарители для достижения нулевого сброса жидких сточных вод. Эти системы часто состоят из испарителя с падающей пленкой, за которым следуют кристаллизатор и фильтр-пресс. Ротационная распылительная сушилка может заменить кристаллизатор. Однако необходимо принять меры предосторожности для контроля летучих выбросов пыли.

Повторное использование воды: В этой области выпаривание имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными физико-химическими процессами, одним из наиболее важных из которых является высокое качество дистиллята. Большинство установок могут производить TDS дистиллята менее 10 мг/л, а в некоторых случаях и менее 2 мг/л.

Мало того, что рекуперированная вода из испарителя соответствует большинству требований к сбросу, ее почти всегда можно переработать для повторного использования в производстве или охлаждении. В одной установке для отделки металла дистиллят повторно использовали в качестве технологической промывочной воды в объеме, в десять раз меньшем, чем количество городской воды, необходимой для выполнения этой работы.

Испарители могут свести к минимуму образование регулируемых остатков отходов и увеличить потенциал извлечения ценных металлов из этих отходов. В отличие от ионного обмена, выпаривание менее чувствительно к следам масла и не дает отходов регенерации, требующих дополнительной обработки.

Отделка металла: В настоящее время в отрасли отделки металла используется процесс «химического» нанесения покрытия, например, при производстве печатных плат. При этом образуются трудно поддающиеся обработке потоки отходов, содержащие хелатирующие агенты, такие как органические кислоты (например, ЭДТА) или аммиак, которые препятствуют нормальному осаждению гидроксидов тяжелых металлов.