Cô đặc những khái niệm cơ bản

Cô ĐặcI – Những khái niệm cơ bản:Quá trình bay hơi thường dùng để:– làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc);– tách các chất hòa tan ở dạng rắn (kết tinh);– tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất);– lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân làm lạnh…Từ thể lỏng chuyển thành hơi có thể có hai trạng thái: bay hơi hoặc sôi. Khi bay hơi nhiệt độ của dung dịch thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoáng của dung dịch, nhưng nhỏ hơn áp suất chung. Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng khi tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi ở trạng thái sôi xảy ra ở cả trong dung dịch (tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng, trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho. Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô dặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng.1.Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi.Qúa trình bốc hơi theo thuyết động học phân tử giải thích như sau: Các phân tử của chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi các phân tử cần khắc phục lực liên kết ở trạng thía lỏng và trở lực của áp suất bên ngoài khi đó phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt bên ngoài, lượng nhiệt lấy đi trong quá trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Khi nhiệt độ tăng ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không. Khi sôi chất lỏng bốc hơi không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà phần chủ yếu là ở các bọt hơi được tạo thành trong chất lỏng. Các bọt hơi là những tâm tạo thành hơi, trong quá trình bốc hơi các bọt hơi tăng dần kích thước và nhờ lực đẩy Acsimet nó sẽ bị đẩy lên mặt thoáng, đồng thời các bọt khác lại được tạo thành, kết qủa là hơi được chuyển liên tục từ bên trong lớp chất lỏng lên mặt thoáng.Các bọt hơi tạo thành do trong chất lỏng có một số khí hòa tan, khi đun nóng các khí thoát ra tạo thành nhiều bọt, từ các bọt này chất lỏng sẽ bay hơi, hiện tượng này thường có ở giai đoạn đầu của quá trình sôi. Mặt khác các bọt được tạo thành từ các đầu nhám của bề mặt truyền nhiệt.Điều kiện để tạo thành bot hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất của chất lỏng xung quanh. Ở điều kiện này chất lỏng sẽ bay hơi mạnh, mặc dù lượng nhiệt cung cấp từ ngoài vào cho chất lỏng tương đối lớn nhưng nhiệt độ của nó cũng không tăng.Đôi khi chất lỏng sôi ở trạng thái quá nhiệt (hiện tượng này xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình sôi) do chất lỏng không chứa khí hòa tan, khi đó áp suất hơi bên trong bọt p1 phải bằng áp suất p0 của chất lỏng bên ngoài cộng thêm áp suất p’ để thắng trở lực do sức căng bề mặt giữa hơi và lỏng, áp suất này bằng p’ = (ở đây sức căng bề mặt; bán kính của bọt)Nghĩa là p1 = p0 + p’vì p = f(t) cho nên muốn áp suất trong bọt bằng p1 chất lỏng cần phải quá nhiệt một đại lượng  t = t1 – t0 (ở đây t0 nhiệt độ sôi ứng với p0; t1 nhiệt độ sôi ứng với nhiệt độ quá nhiệt).2.Một số tính chất của dung dịnh.a) Nhiệt hòa tan: khi hòa tan chất rắn vào một dung môi nào đó thì một mặt dung môi sẽ lạnh đi vì khi hòa tan chất rắn cần thu nhiệt để phá vỡ mạng lưới tinh thể (nhiệt nóng chảy), mặt khác chất hòa tan sẽ có tác dụng hóa học với dung môi tạo thành solvat (khi hòa ta

Cô Đặc I – Những khái niệm cơ bản: Quá trình bay hơi thường dùng để: – làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc); – tách các chất hòa tan ở dạng rắn (kết tinh); – tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất); – lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân làm lạnh… Từ thể lỏng chuyển thành hơi có thể có hai trạng thái: bay hơi hoặc sôi. Khi bay hơi nhiệt độ của dung dịch thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoáng của dung dịch, nhưng nhỏ hơn áp suất chung. Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng khi tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi ở trạng thái sôi xảy ra ở cả trong dung dịch (tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng, trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho. Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô dặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng. 1.Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi. Qúa trình bốc hơi theo thuyết động học phân tử giải thích như sau: Các phân tử của chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi các phân tử cần khắc phục lực liên kết ở trạng thía lỏng và trở lực của áp suất bên ngoài khi đó phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt bên ngoài, lượng nhiệt lấy đi trong quá trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Khi nhiệt độ tăng ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không. Khi sôi chất lỏng bốc hơi không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà phần chủ yếu là ở các bọt hơi được tạo thành trong chất lỏng. Các bọt hơi là những tâm tạo thành hơi, trong quá trình bốc hơi các bọt hơi tăng dần kích thước và nhờ lực đẩy Acsimet nó sẽ bị đẩy lên mặt thoáng, đồng thời các bọt khác lại được tạo thành, kết qủa là hơi được chuyển liên tục từ bên trong lớp chất lỏng lên mặt thoáng. Các bọt hơi tạo thành do trong chất lỏng có một số khí hòa tan, khi đun nóng các khí thoát ra tạo thành nhiều bọt, từ các bọt này chất lỏng sẽ bay hơi, hiện tượng này thường có ở giai đoạn đầu của quá trình sôi. Mặt khác các bọt được tạo thành từ các đầu nhám của bề mặt truyền nhiệt. Điều kiện để tạo thành bot hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất của chất lỏng xung quanh. Ở điều kiện này chất lỏng sẽ bay hơi mạnh, mặc dù lượng nhiệt cung cấp từ ngoài vào cho chất lỏng tương đối lớn nhưng nhiệt độ của nó cũng không tăng. Đôi khi chất lỏng sôi ở trạng thái quá nhiệt (hiện tượng này xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình sôi) do chất lỏng không chứa khí hòa tan, khi đó áp suất hơi bên trong bọt p 1 phải bằng áp suất p 0 của chất lỏng bên ngoài cộng thêm áp suất p ’ để thắng trở lực do sức căng bề mặt giữa hơi và lỏng, áp suất này bằng p ’ = ρ σ 2 (ở đây σ - sức căng bề mặt; ρ - bán kính của bọt) Nghĩa là p 1 = p 0 + p ’ vì p = f(t) cho nên muốn áp suất trong bọt bằng p 1 chất lỏng cần phải quá nhiệt một đại lượng ∆ t = t 1 – t 0 (ở đây t 0 - nhiệt độ sôi ứng với p 0 ; t 1 - nhiệt độ sôi ứng với nhiệt độ quá nhiệt). 2.Một số tính chất của dung dịnh. a) Nhiệt hòa tan: khi hòa tan chất rắn vào một dung môi nào đó thì một mặt dung môi sẽ lạnh đi vì khi hòa tan chất rắn cần thu nhiệt để phá vỡ mạng lưới tinh thể (nhiệt nóng chảy), mặt khác chất hòa tan sẽ có tác dụng hóa học với dung môi tạo thành solvat (khi hòa tan trong nước gọi là hyđrát) khi đó sẽ tỏa nhiệt. Nhiệt hòa tan là tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt sovat, trị số của nhiệt hòa tan dương (tỏa nhiệt) hoặc âm (thu nhiệt) phụ tthuộc vào tinh chất của chất hòa tan, dung môi và nồng độ chất hòa tan. Nhiệt tích phân của quá trình hòa tan là lượng nhiệt (dương hoặc âm) của 1kg chất rắn khi hòa tan trong một lượng dung môi rất lớn nghĩa là nếu ta tiếp tục thêm dung môi vào thì thực tế không có hiệu ứng nhiệt nữa. Các chất dễ tạo thành sovat thì nhiệt hòa dương, còn những chất không tạo solvat nhiệt hòa tan âm. b) Nhiệt độ sôi của dung dịch: nhiệt độ sôi của dung dịch có tính chất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn chất tải nhiệt để đốt nóng cũng như các chế độ làm việc của thiết bị. Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dung dịch là một trong những yếu tố xác định bề mặt truyền nhiệt của thiết bị. Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất hòa tan, khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi tăng. Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng áp suất, điều này có thể giải thích theo định luật Raun: N n P PP s s = − Ở đây P s – áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất P – áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch n – số mol của chất hòa tan; N – số mol của dung môi. Từ biểu thức trên ta thấy P s > P nghĩa là áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung môi nguyên chất luôn luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch khi có nhiệt độ như nhau, cũng từ biểu thức này ta thấy khi tăn gn (tăng nồng độ của dung dịch) thì P sẽ giảm. Hiệu số P s – P = ∆ P gọi là độ giảm áp suất của dung môi trên dung dịch. Nếu ở nhiệt độ như nhau áp suất của dung môi trên dung dịch luôn nhỏ hơn áp suất của dùng môi trên dung môi nguyên chất thì ngược lại khi có cùng áp suất bên ngoài như nhau nhiệt độ sôi cả dung dịch sẽ luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất t – t s = ∆ ’ ∆ ’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất, ∆ ’ cũng phụ thuộc nồng độ, nồng độ tăng thì ∆ ’ cũng tăng. Đại lượng này gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ. Trị số của ∆ ’ phụ thuộc vào chất hòa tan. Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất khác ta ứng dụng quy tắc Babô, theo quy tắc này: độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi. Nghĩa là: s s P PP − = hằng số do đó s P P = hằng số Từ biểu thức này ta biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất nào đó thì ta có thể xác định được nhiệt độ sôi ở các áp suất khác. Nhiệt độ sôi của dung dịch cũng phụ thuộc vào độ sâu, trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu nhiệt độ sôi càng tăng. Ví dụ nước đun sôi trong ống đứng ở áp suất thường, trên miệng ống sôi ở 100 0 C, ở sâu 4m sôi ở 108,7 0 C nguyên nhân của nhiệt độ sôi khác nhaủơ trên mặt thoáng và ở dưới của chất lỏng là do có thêm áp suất thủy tĩnh của chất lỏng. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi trên mặt thoáng t p và ở lớp dưới t (p + ∆ p) gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh t (p + ∆ p) – t p = ∆ ’’ ở đây: t (p + ∆ p) – nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với p + ∆ p t p – nhiệt độ của dung dịch ứng với ứng với áp suất p trên mặt thoáng. Áp suất thủy tĩnh trong tính toán ta lấy trị số trung bình: ∆ p = ' ρ .gh [N/m 2 ]; ở đây ' ρ – khối lượng riêng của dung dịch ở dạng bọt, kg/m 3 Trong tính toán gần đúng có thể lấy 2 ' ρ ρ = ρ – khối lượng riêng của dung dịch, kg/m 3 ; g – gia tốc trọng trường, m/s 2 ; h – độ sâu kể từ mặt thoáng đến giữa ống truyền nhiệt, m; Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh cũng như tổn thất nhiệt độ do nồng độ làm giảm hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và nhiệt độ sôi của dung dịch, làm tăng bề mặt truyền nhiệt của thiết bị nhưng ở đây lượng nhiệt cung cấp để đun quá nhiệt dung dịch không bị mất, vì khi đi lên trên áp suất giảm nó sẽ cung cấp cho môi trường xung quanh phần nhiệt quá nhiệt. c) Sự thay đổi tính chất của dung dịch khi cô đặc: Khi dung dịch bay hơi nồng độ chất hòa tan sẽ tăng, do đó tính chất của dung dịch sẽ thay đổi, nó có thể ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấu tạo và vận hành của thiết bị cô đặc. Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi biểu thị bằng đồ thị hình 9-4. Trên hình (9-4a) biểu thị nồng độ thay đổi theo thời gian τ từ x đ đến x c , lúc đầu tăng nhanh sau chậm dần. λ α 2 c ν ρ ' ∆ τ I 0 II I 0 II H ình 9-4. Sự thay đổi tính chất của dung dịch theo thời gian: I – miền chưa bão hòa; II – miền bão hòa. Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng c, hệ số cấp nhiệt α 2 phía dung dịch sẽ giảm, ngược lại khối lượng riêng ρ, độ nhớt ν tổn thất do nồng độ ' ∆ sẽ tăng, các các tính chất này thể hiện trên đồ thị hình (9-4b), đồng thời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt, những tính chất đó làm giảm khả năng truyền nhiệt của thiết bị. Khi cô đặc các dung dịch kết tinh, đến thời gian τ 0 nào đó dung dịch sẽ bão hòa, nếu tiếp tục cho bốc hơithì chất hòa tan sẽ tách ra ở dạng rắn (kết tinh), nồng độ của dung dịch sẽ không thay đổi, càng về sau lượng tinh thể càng tăng. Nồng độ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung dịch, khi nhiệt độ sôi tăng thì nồng độ bão hòa tăng, giới hạn thay đổi thể hiện trên khu gạch chéo trên hình (9-4a). Ở miềnquá bão hòa II, đường nồng độ có hai nhánh, nhánh trên là nồng độ tính theo toàn bộ khối lượng chất hòa tan, còn nhánh dưới là nồng độ của nước cái. Độ nhớt của dung dịch ở miền quá bão hòa cũng có hai nhánh (hình 9-4b), nhánh trên là độ nhót của huyền phù còn nhánh dưới là nước cái. Đối với các dung dịch không kết tinh hoặc có chất không kết tinh thì không có phần miền II. Đối với các dung dịch có miền II người ta thường ứng dụng cô đặc chân không. 3. Các phương pháp cô đặc. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đọan hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ láy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để cô. Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường chung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường. 4 – Cô đặc nhiều nồi. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế caovề sử dụng nhiệt. Ngưyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ (xem hình 9-8). Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên. Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không). Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ la 5,0 2 1 = kg. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi. Hệ thống cô đặc nhiều nồi làm việc xuôi chiều, ngược chiều và song song Trên hình 9-8 là sơ đồ cô đặc ba nồi xuôi chiều. Dung dịch đi vào nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 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 nồi 2 đi vào phòng đốt nồi 3 và hơi thứ nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ 4. Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này 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 đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi, 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 do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ. Khuyết 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 nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối. II – Giới thiệu chung về NaOH. Các hiđroxit MOH là chất rắn màu trắng, nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp tạo nên chất lỏng linh động và trong suốt. Ở trạng thái nóng chảy, chúng ăn mòn thủy tinh, sứ và (khi có mặt không khí) cả platin cho nên để nấu chảy chúng, cần phải dùng các dụng cụ bằng sắt, niken hoặc bạc. Tất cả hiđroxit đều hút ẩm mạnh. Khi để trong không khí, thọat đầu chúng bị ướt và sau một thời gian có thể tan thành dung dịch. Quá trình hòa tan phát ra những lượng nhiệt lớn, vào khoảng 40kJ/mol. Theo nguyên lý Lơ Satơliê, độ tan của chúng phải giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Nhưng thực tế độ tan của NaOH vẫn tăng theo nhiệt độ. Hiđroxit MOH cũng dễ tan trong rượu metylic, rượu etylic. Ở nhiệt độ cao hơn, KOH có kiến trúc lập phương kiểu muối ăn, còn LiOH có kiến trúc lớp. Ở trạng thái rắn cũng như trạng thái dung dịch các hiđroxit MOH đều gồm hoàn toàn các ion. Là chất kiềm mạnh, các hiđroxit MOH tương tác dễ dàng với các oxit axit và axit tạo nên muối. Natri hiđroxit là chất rắn không trong suốt, có màu trắng, hút ẩm rất mạnh. Nó tan dễ dàng trong nước và rượu. Quá trình tan trong nước phát nhiệt nhiều. Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H 2 O, NaOH.3H 2 O và NaOH.2H 2 O. Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy. Nó được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm hóa học. Trước kia trong công nghiệp, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch natri cacbonat loãng và nóng: Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = 2NaOH + CaCO 3 Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa: 2NaCl + 2H 2 O dòng điện Cl 2 + H 2 + 2NaOH Cân bằng vật chất Những công thức tính 1. Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ x đ đến x c : W = G đ (1 - x đ /x c ), kg/s; trong đó G đ - lượng dung dịch đầu, kg/s; x đ , x c - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng. 2. Nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi: 1 1 WG xG B d dd − ⋅ = , % khối lượng; )W( 21 1 2 WG xG B d +− ⋅ = , % khối lượng; )21 ( nd dd n WWWG xG B +++− ⋅ = , % khối lượng; trong đó B 1 , B 2 , …, B n - nồng độ cuối của dung dịch trong các % khối lượng; W 1 , W 2 , … , W n - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi kg/s; x đ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng; G đ - lượng dung dịch đầu, kg/s; 3. Tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác có thể dùng quy tắc Babô. Theo quy tắc Babô thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch loãng p với áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất p 0 ở cùng nhiệt độ là không đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc nhiệt độ sôi. (p/p 0 ) t = const 4. Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ∆ ’’ (tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao): Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc: g h hPP ddstb ⋅++= ρ ) 2 ( 2 10 , N/m 2 ; trong đó P 0 – áp suấthơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m 2 ; h 1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m; h 2 - chiều cao ống truyền nhiệt, m; dds ρ - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3 ; g – gia tốc trọng trường, m/s 2 . Vậy ta có: ∆ ’’ = t tb – t 0 , độ; ở đây t tb - nhiệt độ sôi ứng với áp suất p tb , 0 C; t 0 - nhiệt độ sôi ứng với áp suất p 0 , 0 C. 5. Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn gây nên: ∆ ’’’ = t 1 – t 0 , độ; Thường đối với mỗi nồi ∆ ’’’ = 1 – 1,5 0 C, do đó trong tính toán để đơn giản ta có thể tự chọn trong khoảng này. 6. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc được xác định như sau: ∑ ∆−∆=∆ chhl tt , độ; trong đó ch t∆ - hiệu số nhiệt độ chung, nghĩa là hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi I và nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ: ngtch ttt −=∆ , độ; ở đây t - nhiệt độ hơi thứ của nồi I, 0 C; t ngt - nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, 0 C; ∑ ∆ - tổng tổn thất nhiệt độ, 0 C. ∑ ∑ ∑ ∑ ∆+∆+∆=∆ '''''' , 0 C. Cân bằng nhiệt lượng - Hệ số cấp nhiệt tính theo công thức Nuxen: 4 32 4 32 04,2115,1 tH r tH gr ∆ = ∆ = µ λρ µ λρ α , [W/m 2 độ]; (1) trong đó: r - nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg; ρ - khối lượng riêng của nươvs ngưng, kg/m 3 ; λ - độ dẫn nhiệt của nước ngưng, W/m độ; µ - độ nhớt của nước ngưng, Ns/m 2 ; t ∆ - hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành ( τ ttt bh −=∆ ); H - chiều cao ống đứng hoặc trường, m. Đại lượng r phải lấy ở nhiệt độ hơi ngưng tụ t bh , còn λ, µ và ρ lấy ở nhiệt độ trung bình của màng trước ngưng: 2 bh m tt t + = τ trong đó: t τ - nhiệt độ thành ở phía. Công thức (1) khi áp dụng để tính cho hơi nước ngưng tụ có thể rút gọn như như: 25,0 042,2       ∆ = tH r A α , [W/m 2 độ]; trong đó: A = 4 32 µ λρ Đối với nước hệ số A có trị số phụ thuộc vào nhệit độ màng t m như sau: T m , 0 C: 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A : 104 120 139 155 169 173 188 184 197 199 199 -Hệ số cấp nhiệt: 33,250,0 3,45 tp n ∆= α , [W 2 độ]; trong đó: p – áp suất làm việc, t; t ∆ = t τ - t : hiệu số nhiệt độ giữa thành và chất lỏng sôi; q - nhiệt tải riêng, W/m 2 ; Hệ số cấp nhiệt của các chất lỏng bất kỳ khác và của dung dịch chưa có công thức tính toán thật đơn giản và chính xác. Khi cần tính toán gần đúng cho dung dịch hoặc một chất lỏng bất kỳ, ta có thể tính theo hệ số cấp nhiệt n α của nước rồi nhân thêm hệ điều chỉnh ψ: n αψα .= Hệ số ψ đối với dung dịch và chất lỏng bất kỳ bao giờ cũng nhỏ hơn 1 và có thể tính theo công thức: 435,0 2565,0                                         = dd n n dd n dd n dd C C µ µ ρ ρ λ λ ψ trong đó: λ, ρ, C, µ - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch (phải lấy cùnh một hệ đơn vị.) chỉ số dd – là dung dịch. chỉ số n – là của nước. - Công thức Pavơlôp được biểu diễn bằng hệ thức sau: [...]... Vì thế nên thờng người ta cho phun nước qua những vòi phun hoặc cho chảy qua nhiều tấm ngăn nằm ngang có lỗ nhỏ Thiết bị ngưng tụ trực tiếp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học vì có ưu điểm là năng suất cao, cấu tạo đơn giản và dễ dàng chống ăn mòn Tùy theo cách làm việc của thiết bị mà người ta chia ra hai loại: thiâte bị loại ướt và loại khô Đặc điểm khác nhau giữa hai loại này như sau:... thì nước vẫn không bị dâng lên ngập thiết bị Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra được không cần bơm nên ít tốn năng lượng, năng suất lớn Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ barômét ngược chiều, loại khô, thường được dùng trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi, đặt ở cuối hệ thống vì các nồi cuối làm việc trong chân không ... hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống barômét, khí không ngưng đi lên qua ống 5 sang thiết bị thu hồi bọt 2 Tác dụng của thiết bị thu hồi bọt là để giữ lại những hạt nước đã bị khí không ngưng cuốn theo Những hạt nước này lắng lại trong thiết bị 2 và tập trung chảy sang ống barômét Khí không ngưng (hoặc không khí) được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không Các tấm ngăn của thiết... độ nhớt bằng µ1 và µ2 Muốn tìm độ nhớt µ3 ở nhiệt độ t3 nào đó ta thay giá trị t3 vào phương trình trên, tìm được nhiệt độ θ3 của nước: t3 − t2 t −t = K →θ3 = 3 2 + θ2 θ3 − θ2 K sau đó từ trị số θ3 tra bảng độ nhớt của chất lỏng tiêu chuẩn là µ3, đó cũng chính là độ nhớt của chất lỏng A tại nhiệt độ t3 cần tìm -Phân bố nhiệt độ hữu ích trong các nồi đảm bảo bề mặt đun nóng bằng nhau: trong trường hợp... thiết bị ngưng tụ loại thấp và loại cao Thiết bị ngưng tụ trực tiếp, loại khô Trên hình 8-24 mô tả sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ barômét ngược chiều, loại khô Thiết bị gồm thân 1 có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt 4 có lỗ nhỏ và ống barômét 3 tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài Hơi vào thiết bị ngưng tụ, đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảy tràn qua tấm ngăn và đồng . Cô Đặc I – Những khái niệm cơ bản: Quá trình bay hơi thường dùng để: – làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc) ; – tách các chất hòa tan ở. thường ứng dụng cô đặc chân không. 3. Các phương pháp cô đặc. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đọan hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn:. độ của dung dịch đã cho. Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi