Evaporasyon ve Evaporatörler

Evaporasyon, kimya endüstrisinde kullanılan en eski temel işlemlerden birisidir. Bir ayırma işlemi olarak çeşitli endüstri dallarında uygulama alanı bulmuştur. Evaporasyon yönteminin kullanım amacına gelir isek, ayrışacak çözeltinin kaynatılması ile çözücünün buharlaşarak uzaklaştırılması ve çözeltinin daha derişik hale getirilmesi durumudur.

Evaporasyon işlemi ile ilgili hem sistemi daha iyi anlamamız adına hem de önemli noktalarına değinme adına şu ayrıntılardan bahsedelim:

• Evaporasyon yönteminde buharlaşan çözücü tek bir bileşen olarak kabul edilir. İçerisinde birden fazla bileşen bulunsa bile bunun ayırımı için ekstra bir işlem yapılmaz. Zaten bu işlem için genellikle istenen buharlaşan çözücü değil buharlaşmadan sonra elimizde olan derişik çözeltidir. Lakin bazı sistemlerde buharlaşan çözücü ana ürün olabilir (deniz suyunun buharlaştırılması ile içilebilir su eldesi).
• Evaporasyonda derişikleşme kısmı için, genel olarak (spesifik sistemlerde değişiklik gösterebilir) sistem, çözeltide bulunan çözünenin çökmeye başlamasından önce durdurulur.
• Buharlaştırma için bir ısı enerjisi veya yoğunlaşma kısmında buhardan alınan bir miktar ısı enerjisi oluyor. Bu ısı enerjisine ise “buharlaşma gizli ısısı” adı veriliyor.
• Sistem için kilit noktalardan biri ise, sıvı moleküllerinin çözeltiden ya da kolayca buharlaşmayan sıvıdan ayrılarak buhar fazına geçmesi için yeterli enerjiye sahip olduklarında evaporasyonun oluşmasıdır.

Evaporasyon sırasında sıvının bazı özelliklerinde değişim olacaktır. Şimdi bu özelliklerden ve değişimlerinden bahsedelim.

1. Konsantrasyon: Daha önce de bahsettiğimiz üzere, evaporasyon işleminde seyreltik olan çözelti giderek derişik hale geliyordu. Çözücünün buharlaşmasının neden olduğu bu durumda, çözeltinin konsantrasyonu artacağından buna bağlı olarak viskozite ve yoğunluğu da paralel olarak artacaktır. Bu durum ileriki zamanda bir dezavantaj olarak bize geri dönebilir. Bunun nedeni ise çözeltinin konsantre hale geldikçe kaynama noktası yükselecek ve daha çok ısı enerjisi gerektirecektir.
2. Basınç: Basit bir mantıkla evaporasyon için, basıncın daha az olması durumunda moleküllerin üzerinde daha az baskı olacaktır ve yüzeydeki moleküllerin bağlarını koparıp buhar fazına geçmeleri daha kolay olacaktır. Böylece evaporasyon daha hızlı gerçekleşecektir.
3. Yüzey alanı: Büyük bir yüzey alanına sahip bir madde, potansiyel açıdan bağını koparıp ayrılabilecek hacim birim başına daha fazla yüzey molekülü olduğundan dolayı evaporasyon böyle bir sistemde daha hızlı gerçekleşecektir.
4. Sıcaklık: Maddenin sıcaklığının yüksek olması ile beraber yüzeydeki moleküllerin kinetik enerjileri de buna bağlı olarak daha fazla kinetik enerjiye sahip olacaktır. Böylece evaporasyon daha hızlı gerçekleşir.

Ufak bir not: Bu örneklerde söylenen evaporasyonun daha hızlı olması ile beraber sıcaklık, yüzey alanı ve basınç değerlerinin yüksek olması sadece bir avantaj değil mali ve yapım alanı gibi özellikler için de dezavantaj olabileceğini göz önünde bulundurmamız gerekiyor. Mühendisliğin kilit anahtarı olan optimizasyon terimi de bu gibi zamanlarda devreye giriyor. Bu nedenle de yazımızın diğer kısmında kısaca belirteceğimiz, yapacağımız sistem için en ideal özellikler içeren, evaporatörler ortaya çıkıyor.

Son olarak evaporasyonun kullanım alanlarından bahsedelim.

• Kağıt, kumaş, kereste ve çeşitli kimyasalların kurutulması.
• Gıda endüstrisinde, kurutma ve koyulaştırma işlemleri.
• Meyve suları üretiminde, bazı kristalizasyon uygulamaları olmasına rağmen daha çok evaporasyon, pratik özelliklerinden dolayı, kullanılıyor.
• Antibiyotikler ve meyve suları gibi ısıya duyarlı viskoz maddelerin derişikleştirilmesinde kullanılıyor.

Evaporatör Nedir

1. Açık kap tipi evaporatörler: En basit evaporatör tipidir. Ucuz ve basit kullanımlarına karşı buhar ekonomisi çok düşük olan bir çeşittir.

   

2. Karıştırıcılı film tipi evaporatörler: Bu tip evaporatörler daha çok ilaç ve gıda sanayisinde, çok yüksek viskoziteye sahip çözeltiler için kullanılır.  Bu evaporatörler için, tüm ısı transferlerindeki başlıca direnç sıvı kısmında bulunuyor.

3. Isıtıcı borulara sahip evaporatörler: Bu tip evaporatörler endüstride en sık karşılaşılan evaporatör tipidir.

3.1 Isıtıcı boruları yatay olan evaporatörler: Isıtma ortamı olarak kullanılan su buharı, boruların içinde yer almaktadır. Sürekli olarak çalıştırılmalarıyla beraber diğer evaporatörlere göre daha ucuzdur. Isı transfer katsayısı yüksek olan ve viskoz olmayan sıvılar için kullanılırlar.

3.2 Isıtıcı boruları düşey olan evaporatörler: Isıtma ortamı boruların dışında yer alır. Viskoz sıvılar için kullanılmaz.

3.3 Spiral ve borulu evaporatörler: Bu tip evaporatörler ise şeker çözeltilerinin vakum altında evaporasyonunda kullanılırlar.