Sự cô đặc và lý thuyết tính toán về sự cô đặc

Đăt vấn đềTrong cuộc sống nhiều sản phẩm mà ta bắt gặp, cũng như sử dụng hằng ngày được làm hoặc chế tạo ra dưới rất nhiều hình thức bởi các quá trình như lý, hóa và dưới rất nhiều góc đ

1 Đăt vấn đề

Trong cuộc sống nhiều sản phẩm mà ta bắt gặp, cũng như sử dụng hằng ngày được làm hoặc chế tạo ra dưới rất nhiều hình thức bởi các quá trình như lý, hóa và dưới rất nhiều góc độ khoa học khác nhau.Trong đó

“cô đặc” là một qúa trình làm bốc hơi nước của sản phẩm bằng cách đun sôi hoặc làm kết tinh để tạo ra sản phẩm mới có nồng độ cao hơn nồng độ của sản phẩm ban đầu.Trong công nghệ chế biến bảo quản chế biến nông sản thực phẩm “cô đặc” là một vấn đề rất quan trọng đó là một công nghệ được thực hiện để tăng nồng độ của sản phẩm, làm tăng độ sinh của thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản và giảm được khối lượng vận chuyển làm tăng khả năng kinh tế cũng như đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho

con người Do đó, tôi chọn đề tài về “sự cô đặc” đó là:“NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ TÌM HIỂU CÁC THÔNG SỐ LỚN NHẤT ẢNH HƯƠNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC” từ đó làm cơ sơ để tính toán ứng dụng vào thực tế cho ngành công

nghệ thực phẩm cũng như trong bảo quản chế biến nông sản thu được nhiều hiệu quả kinh tế hơn

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Mục đích, yêu cầu kỹ thuật và phân loại

a) Mục đích

Cô đặc sản phẩm là quá trình loại dung môi ra khỏi dung dịch để thu lại chất hòa tan không bay hơi có nồng độ cao hơn Đối với sản phẩm thực phẩm lỏng, dung môi chủ yếu là nước, vì vậy để loại bỏ nước, người ta có thể dùng phương pháp làm cho nước kết tinh (cô đặc đông lạnh tương tự như sấy thăng hoa) hoặc làm cho nước bốc hơi bằng cách đun sôi

Cô đặc được áp dụng nhiều trong công nghệ bảo quản và chế biến nông sản, nhằm mục đích :

- Tạo ra sản phẩm có nồng độ chất khô cao, nhờ đó đã làm tăng giá trị dinh dưỡng, tăng thời gian cất giữ, giảm chi phí bao gói và bảo quản Ví dụ: cô đặc sữa trong công nghiệp chế biến sữa đặc, cô đặc nước quả ép trong công nghiệp chế biến đồ hộp rau quả, nước giải khát,

- Tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình chế biến tiếp theo Ví dụ: cô đặc trước khi kết tinh trong chế biến đường, cô đặc trước khi sấy khô hoàn toàn trong chế biến sữa bột và một số sản phẩm khác

Trong nội dung này chỉ giới thiệu các thiết bị dùng để cô đặc sản phẩm bằng phương pháp làm cho nước bốc hơi

b) Yêu cầu kỹ thuật

- Phải đảm bảo nồng độ chất khô của dung dịch theo đúng yêu cầu của từng loại sản phẩm

- Chất lượng sản phẩm không bị thay đổi sau khi cô đặc, đặc biệt là các cấu tử quan trọng của sản phẩm không bị mất đi và lượng hao tổn vật chất khô trong quá trình cô đặc nhỏ nhất

- Hệ số truyền nhiệt cao nhất trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ nhất định và hơi phải được phân bố đều trong buồng bốc hơi

- Vật liệu chế tạo thiết bị không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, có thể dùng đồng thau, sắt tráng men hoặc thép không rỉ

- Chi phí năng lượng riêng là nhỏ nhất

- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, lắp ráp và tháo dỡ, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Theo tính chất hoạt động: liên tục hoặc gián đoạn.

- Theo loại chất tải nhiệt: lỏng, hơi, khí, điện

- Theo vị trí của bề mặt truyền nhiệt: đặt thẳng đứng, nằm ngang, nằm nghiêng

- Theo tổ hợp của bề mặt đun nóng: buồng đốt ngoài, buồng đốt trong

- Theo số nồi hơi: loại một nồi, loại nhiều nồi

2.2 Nguyên lý làm việc và cấu tạo

Cô đặc sản phẩm bằng phương pháp làm cho nước bốc hơi được thực hiện nhờ làm sôi dung dịch Dòng mang nhiệt thường là dòng hơi nước hay khí nóng (còn gọi là hơi đốt) sẽ nhường nhiệt cho dung dịch Dung dịch được làm sôi và nước trong dung dịch sẽ bốc hơi, nhờ đó nồng độ dung dịch được tăng lên Để tiết kiệm nhiệt của hơi thứ, người ta thường kết cấu

hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi, trong đó hơi thứ của nồi thứ nhất được dùng làm hơi đốt cho nồi thứ hai và hơi thứ của nồi thư hai được dùng làm hơi đốt cho nồi thứ ba,

Về nguyên lý cấu tạo chung, thiết bị cô đặc gồm có: bộ phận trao đổi nhiệt, bộ phận phân ly hơi thứ và tùy theo cấu tạo của từng loại thiết bị cô đặc mà có thể có bình ngưng, bơm dung dịch và các bộ phận phụ trợ khác

Bộ phận trao đổi nhiệt có nhiệm vụ mang nhiệt của hơi đốt truyền sang cho dung dịch Nó được cấu tạo bởi những ống kim loại, lắp đặt theo chiều đứng, xiên, ngang Người ta có thể cho hơi đốt đi vào trong ống còn dung dịch ở phía ngoài ống (buồng đốt trong) hoặc hơi đốt ở phía ngoài ống còn dung dịch đi trong ống (buồng đốt ngoài), khi đó dung dịch sẽ tiếp xúc với

bề mặt truyền nhiệt, nhận nhiệt và được làm sôi

Quá trình bốc hơi nước của dung dịch có thể tiến hành ở áp suất khí quyển, áp suất cao hơn khí quyển hoặc áp suất chân không

Khi bốc hơi ở áp suất khí quyển, hơi thứ được thoát ra từ dung dịch sẽ

xả ngay ra khí quyển Phương pháp này đơn giản nhưng lãng phí nhiệt Khi bốc hơi ở áp suất cao hơn khí quyển, hơi thứ có thể được dùng làm hơi đốt trong các thiết bị dùng nhiệt tiếp theo Phương pháp này đã tận dụng được nhiệt của hơi thứ nhưng cũng cần phải chú ý cùng với sự tăng áp suất thì điểm sôi của dung dịch cũng tăng lên và không thể áp dụng để cô đặc những dung dịch dễ nhạy cảm với nhiệt độ cao (như nước cam, )

Khi bốc hơi ở áp suất chân không, nhiệt độ điểm sôi của dung dịch giảm xuống, có thể dùng hơi có áp suất thấp làm chất tải nhiệt để làm sôi dung dịch Phương pháp này đã làm giảm bít mất mát nhiệt vào môi trường xung quanh, tăng hiệu số nhiệt độ có ích giữa hơi đốt và dung dịch sôi, nhờ đó cho phép giảm bít diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và kích thước của toàn bộ thiết bị cô đặc Mặt khác do nhiệt độ điểm sôi thấp nên có thể áp dụng để

cô đặc những sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao

Để tăng cường khả năng bốc hơi và đặc biệt là cần giảm thời gian tiếp xúc của dung dịch với bề mặt truyền nhiệt khi cô đặc những dung dịch

nhạy cảm với nhiệt, người ta cho dung dịch đi qua bề mặt truyền nhiệt của các ống kim loại thành lớp màng mỏng theo chiều từ trên xuống (thiết bị cô đặc màng rơi) hoặc từ dưới lên (thiết bị cô đặc màng leo) và trong một số trường hợp lớp màng mỏng được tạo ra nhờ lắp thêm bộ phận khuấy (thiết

bị cô đặc màng khuấy)

Bộ phận phân ly hơi thứ có nhiệm vụ tách hơi thứ ra khỏi dung dịch sôi

Nó được cấu tạo bởi một bình, trong đó có gắn những tấm chắn thích hợp sao cho hỗn hợp lỏng-hơi đi vào trong bình đổi hướng chuyển động, chất lỏng nặng hơn do lực ly tâm văng ra, đập vào tấm chắn hay thành bình lắng đọng xuống đáy và chảy vào ống thu, còn hơi thứ nhẹ hơn bốc lên trên và

đi vào bình ngưng

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số thiết bị cô đặc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế biến sữa, nước quả,

2.3 Cấu tạo và cách sử dụng một số thiết bị cô đặc

a) Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên

Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến trong sản xuất sữa đặc (hình 6.11)

Thiết bị có buồng đốt treo 3, bộ phận phân ly 1 và ống tuần hoàn ngoài

4 Sữa ban đầu đi vào thiết bị theo ống 6 và được đun sôi trong các ống 2 của của buống đốt 3 Hỗn hợp sữa lỏng-hơi nhẹ hơn nổi lên trên, theo ống 5 vào bộ phận phân ly 1 do tuần hoàn tự nhiên

Hình 1 Sơ đồ thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên

1- bộ phân phân ly; 2- ống đun sôi; 3- buồng đốt; 4-

ống tuần hoàn ngoài; 5- ống dẫn sữa lỏng-hơi; 6- cửa

vào sữa

Do ống 5 nối tiếp tuyến với bộ phận phân ly 1 nên hỗn hợp sữa lỏng-hơi

từ buồng đốt vào bộ phận phân ly chịu một chuyển động quay, các giọt sữa văng vào thành bộ phận phân ly chảy xuống đáy và theo ống tuần hoàn ngoài 4 trở về buồng đốt còn hơi thứ đi ra khỏi bộ phận phân ly Trong thiết bị trên, một bộ phận phân ly được nối với nhiều buồng đốt, nhờ vậy có thể ngừng một buồng đốt nào đó để bảo dưỡng hay sửa chữa mà vẫn không làm ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống thiết bị

b) Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

Thiết bị cô đặc tuần hoàn nhờ bơm ly tâm được sử dụng để làm bay hơi dung dịch có độ nhít lớn khó thực hiện theo phương pháp tuần hoàn tự nhiên (hình 6.12)

Dung dịch đi vào thiết bị qua ống 1 được làm sôi khi đi lên theo các ống đun sôi 4 Hỗn hợp lỏng-hơi đi vào bộ phận phân ly 6, ở đó hơi thứ được tách ra khỏi hỗn hợp, qua ống 5 đi ra ngoài thiết bị, dung dịch đậm đặc theo ống tuần hoàn 8 về máy bơm 9 và được đẩy trở lại vào các ống đun sôi 4 để lặp lại vòng tuần hoàn Dung dịch được cô đặc đến nồng độ đã định, đưa ra khỏi thiết bị cô đặc qua cửa tháo 3 Hơi đốt đun nóng thân thiết bị theo ống

2 vào khoảng giữa các ống đun sôi 4 của buồng đốt 10 Nước ngưng tụ chuyển ra khỏi thiết bị qua ống 7

Do tốc độ chuyển động của dung dịch trong ống 4 lớn (tới 3,5m/s) nên cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi đốt và dung dịch tăng lên đặc biệt khi hiệu

số nhiệt độ hữu ích không lớn hơn 3 ÷ 5OC Hệ số truyền nhiệt cao hơn 2 ÷

3 lần hệ số truyền nhiệt trong các thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên

Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là năng suất cao, có thể làm bay hơi một lượng nước khá lớn trong dung dịch nên được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất đường, muối tinh, Nhược điểm chủ yếu là phải tiêu tốn năng lượng cho bơm để khắc phục sức cản thủy lực của dung dịch trong quá trình tuần hoàn

c) Thiết bị cô đặc không tuần hoàn loại màng

Thiết bị cô đặc không tuần hoàn loại màng (hình 6.13), quá trình bay hơi được tiến hành trên các màng dung dịch mỏng, khi nó được vận chuyển lên cao theo các ống đun sôi 4 có chiều dài lớn (6 ÷ 9m), đường kính nhỏ (50mm), với vận tốc lớn (20m/s)

Hình 2 Thiết bị cô đặc tuần Hình 3 Thiết bị cô đặc không

hoàn cưỡng bức tuần hoàn loại màng

Dung dịch liên tục cho vào ống 4 từ dưới lên qua hai ống nhỏ 1 Mức dung dịch trong các ống luôn luôn giữ khoảng 1/4 đến 1/5 độ cao của ống Dung dịch sôi trong các ống chiếm gần hết thể tích của ống và đi lên trên, cuốn theo nó màng chất lỏng vào bộ phận phân ly 6 Bộ phận này là tấm thép uốn cong theo hình xoắn ốc Nhờ chuyển động quay của hơi thứ trong

bộ phận phân ly, những giọt dung dịch đặc bị hơi cuốn theo văng vào thành

bộ phận phân ly, chảy xuống phía dưới và sản phẩm đã được cô đặc liên tục đưa ra khỏi thiết bị qua ống 3 Hơi thứ đi qua ống nối 5 vào thiết bị ngưng tụ Hơi đốt đưa vào buồng đốt qua ống 2, còn nước ngưng tụ được chuyển qua ống nối 6 Không khí được tích lũy lại ở khoảng không gian giữa các ống của buồng đốt được chuyển ra theo ống 7

Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm : quá trình cô đặc được thực hiện liên tục, tạo ra dung dịch vừa đủ độ đặc mà chỉ cần một lần đi qua ống đun sôi và bộ phận phân ly Hệ số truyền nhiệt cao hơn so với các thiết bị khác Nhược điểm: khó lau chùi các ống vì các ống quá dài, chiều cao buồng làm việc lớn Tuy vậy, các thiết bị này vẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất đường, mật, tinh bột và sử dụng rất có hiệu quả đối với dung dịch nhạy với nhiệt độ cao

2.4 Hệ thống thiết bị cô đặc

a ) Hệ thống thiết bị cô đặc một nồi

Cô đặc một nồi chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng

Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi liên tục được thể hiện trên hình 6.14 Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm vào thùng 3, sau đó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5

ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khi không ngưng đi qua phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ

Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống 11 ra ngoài, còn khí không được ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 rồi vào bơm hút chân không Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa 6

Hình 4 Sơ đồ cô đặc một nồi

1- thùng chứa; 2- bơm; 3- thùng cao vị; 4- lưu lượng kế; 5-

thiết bị đun nóng; 6- nồi cô đặc; 7 - bơm; 8- thùng chứa sản

phẩm; 9- thiết bị ngưng tụ; 10- bộ phận thu hồi bọt; 11- ống

baromet

b) Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi

Để tiết kiệm và giảm bít lượng hơi nước tiêu hao làm nóng thiết bị người ta tiến hành cô đặc trong thiết bị nhiều nồi

Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi bao gồm nhiều nồi nối tiếp nhau

áp suất ở nồi sau thấp hơn so với nồi trước, vì vậy nhiệt độ của dung dịch nồi sau nhỏ hơn nồi trước Do sự phân bố nhiệt độ sôi của dung dịch như vậy nên có thể dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi

sau Như vậy chỉ có nồi đầu tiên của hệ thống sẽ đun bằng hơi mới Hơi thứ của nồi đầu tiên đưa đi để đun nóng nồi thứ hai, ở nồi này áp suất và nhiệt độ sôi của dung dịch thấp hơn so với nồi đầu tiên Nhiệt lượng chứa trong hơi thứ nồi đầu tiên đủ để làm sôi dung dịch ở nồi thứ hai Hơi thứ ở nồi thứ hai lại đun nóng và làm sôi dung dịch ở nồi thứ 3 của

hệ thống,

Nếu nồi cuối cùng của hệ thống làm việc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thì hơi thứ của nó vẫn có thể sử dụng được vào các công việc khác tuỳ theo yêu cầu của quá trình sản xuất tiếp theo Nếu nồi cuối cùng làm việc ở áp suất chân không thì hơi thứ của nó sẽ đi vào thiết bị chiết

Hệ thống cô đặc nhiều có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều hoặc song song, trong đó hệ thống cô đặc xuôi chiều thường dùng phổ biến hơn cả

Trên hình 6.15 là sơ đồ hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều Dung dịch đi vào nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 rồi nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất trong các nồi Còn hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi 1 để đốt nóng dung dịch ở nồi

1, hơi thứ của nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2, hơi thứ của nồi 2 đi vào phòng đốt của nồi 3 và hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ 5

Hệ thống cô đặc xuôi chiều có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều

có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi

và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch , do đó, cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

Hình 5 Sơ đồ cô đặc ba nồi xuôi chiều

1, 2, 3- nồi cô đặc; 4- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đầu; 5-

thiết bị ngưng tụ; 6- thiết bị tách bọt; 7- bơm chân không

Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhít của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

Hệ thống cô đặc ngược chiều được trình bày trong hình 6.16 Hơi di chuyển giống như trường hợp xuôi chiều còn dung dịch đi vào nồi 3 và sản phẩm ra khỏi ở nồi 1

Hình 6 Sơ đồ đặc nhiều nồi ngược chiều

ở đây, vì áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch không tự chảy từ nồi nọ sang nồi kia được mà phải dùng bơm để vận chuyển

Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào ở nồi đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhít không tăng mấy Kết quả là hệ

số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy Đó chính là ưu điểm của cô đặc nhiều ngược chiều Ngoài ra, khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô đặc xuôi chiều, dó đó, lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn

Khuyết điểm chính của cô đặc ngược chiều là cần phải có bơm để vận chuyển dung dịch Hệ thống cô đặc song song 3 nồi được mô tả ở hình 6.17

Hình 7 Sơ đồ cô đặc 3 nồi song song

Dung dịch đầu vào đồng thời ở các nồi Sản phẩm cũng đồng thời lấy ra

ở mỗi nồi Hệ thống song song chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch không cao lắm, hoặc khi dung dịch cô đặc có kết tinh, vì khi đó dung dịch

có kết tinh di chuyển từ nồi nọ sang nồi kia dễ làm tắc ống

Thiết bị cô đặc nhiều nồi có ưu điểm:

- Tiết kiệm nhiệt lượng đáng kể vì sử dụng được hơi thứ Khi số nồi càng nhiều thì lượng hơi đốt tiêu hao để làm bốc hơi 1 kg nước của sản phẩm ở trong thiết bị càng nhỏ

- Chất lượng sản phẩm tốt vì thời gian cô đặc liên tục, nhiệt độ sôi thấp, thời gian cô đặc nhanh

- Năng suất thiết bị cao

2.5 Lý thuyết tính toán quá trình cô đặc

2.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt sản phẩm, nồng độ chất khô và tính chất lý hóa của sản phẩm Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng giảm ở nhiệt độ sôi thấp, sản phẩm ít bị biến đổi Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta tạo chân không trong thiết bị cô đặc để hạ nhiệt độ sôi của sản phẩm hoặc sử dụng chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp như hơi thứ Tuy nhiên, nhiệt độ sôi thấp sẽ làm giảm tốc độ trao đổi nhiệt trong sản phẩm và

có thể đưa tới hiện tượng bốc hơi bề mặt giống như quá trình sấy

- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào cường độ bốc hơi của sản phẩm và điều kiện vận hành của hệ thống thiết bị ở thiết bị làm việc liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian cô đặc ngắn

- Cường độ bốc hơi phụ thuộc chủ yếu vào hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt càng cao thì cường độ bốc hơi càng lớn Để nâng cao hệ số truyền nhiệt cần phải nâng cao nhiệt độ sôi và tốc độ tuần hoàn của sản phẩm, bề mặt truyền nhiệt cần phải được làm sạch, lượng nước ngưng tụ trong buồng đốt được thải ra tuần hoàn và nhanh chóng

2.5.2 Tính toán hệ thống thiết bị cô đặc một nồi

a) Xác định lượng hơi đốt tiêu hao để làm bay hơi dung dịch

- Lượng nước trong dung dịch cần bay hơi

Giả thiết: G là lượng dung dịch vận chuyển vào thiết bị cô đặc (kg),

đặc (%), W là lượng nước bốc hơi

Lượng chất khô có trong dung dịch trước và sau khi cô đặc là không đổi, vì vậy phương trình cân bằng khối lượng là:

Từ đó ta tính được lượng nước cần bốc hơi:

- Lượng hơi đốt tiêu hao để làm bay hơi

Biết W ta có thể sơ bộ xác định được lượng hơi đốt tiêu hao khi khi bay hơi dựa vào phương trình cân bằng nhiệt:

Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 + Q6

(6.31)Nhiệt đi vào thiết bị gồm có:

- Q1: Nhiệt theo dung dịch

- Q2: Nhiệt theo hơi đốt

Nhiệt ra khỏi thiết bị gồm có:

td, tc- nhiệt độ dung dịch trước và sau khi cô đặc, 0C;

i1, i2- entanpi của hơi đốt và hơi thứ (J/kg);

C- nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ;

Thay các giá trị vừa tìm được vào phương trình (6.31), phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

d c c

Ct i

Q t C i W t C t C G D

1

( )

Q D

b) Xác định bề mặt đun nóng của thiết bị

Bề mặt đun nóng là thành của ống đun nóng ở phía có hơi đốt còn phía kia là dung dịch cần cô đặc Ta có thể tính bề mặt đun nóng của thiết bị cô đặc từ phương trình cơ bản của quá trình truyền nhiệt

Ct i D

∆

−

= τ

) (1

(6.43)

t

τ - thời gian cô đặc, h.

c) Hiệu số nhiệt độ có ích và tồn thất nhiệt độ khi cô đặc

Trong thiết bị cô đặc nhiệt độ của hơi nóng truyền qua thành thiết bị tới dung dịch làm làm tăng nhiệt độ của dung dịch đến điểm sôi Nhiệt từ hơi đốt truyền sang dung dịch chỉ sôi khi nào nhiệt độ hơi đốt cao hơn nhiệt độ sôi

Hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ điểm sôi của dung dịch được gọi là hiệu số nhiệt độ có ích

∆ti- hiệu số nhiệt độ có ích

thd- nhiệt độ hơi đốt

ts- nhiệt độ điểm sôi

Hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng

tụ gọi là hiệu số nhiệt độ chung:

- Tổn thất lý hoá ∆ lh nhằm khắc phục lực liên kết giữa nước và chất hoà tan trong dung dịch cô đặc để cho nước bay hơi Ví dụ ở điều kiện

lượng ∆ lh = 7,50C

chất lỏng Thông thường lớp dung dịch ở phía trên thiết bị có áp suất thấp hơn lớp chất lỏng ở phía dưới thiết bị Vì vậy nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng phía dưới cao ở phía trên Sự chênh lệch nhiệt độ sôi của cột chất lỏng lớp trên và lớp dưới được gọi là tổn thất thuỷ tĩnh ∆ tt

dẫn Khi hơi thứ đi từ bề mặt chứa dung dịch sôi ở thiết bị cô đặc đến chỗ vào của thiết bị ngưng tụ, hơi phải khắc phục sức cản thuỷ lực của ống dẫn Vì vậy, áp suất hơi thứ giảm nên nhiệt độ của nó giảm xuống, muốn giữ cho nhiệt độ hơi thứ không giảm thì phải tăng nhiệt độ sôi

2.6 Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi

a) Cân bằng vật liệu trong cô đặc nhiều nồi

Đối với toàn bộ hệ thống vẫn có thể ứng dụng các công thức (6.30) và (6.39) của quá trình cô đặc một nồi Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong thiết bị cô đặc nhiều nồi được thể hiện trên hình 6.18

Hình 8 Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong hệ thống cô đặc