Đang tải... (xem toàn văn)
Chương I. Tổng quan về quá trình cô đặc 1.1. Khái niệm quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích : Làm tăng nồng độ chất tan Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể Thu dung môi ở dạng nguyên chất Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước hay còn gọi là “hơi thứ”, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”. Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch ( hiệu số nhiệt độ hữu ích ), dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất khác cho quá trình cô đặc. Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phần hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế. Trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không. 1.2. Một số tính chất vật lý và đặc điểm của quá trình cô đặc 1.2.1. Nhiệt hòa tan Khi hòa tan một chất rắn vào trong một dung môi có hai quá trình xảy ra : Do tương tác giữa các phần tử của dung môi và các phần tử chất tan mà mạng lưới tinh thể của chất tan bị phá hủy. Đây là quá trình thu nhiệt của dung môi, nên nhiệt độ của dung môi bị lạnh đi. Tạo thành mối liên kết giữa các phân tử của chất tan với các phân tử của dung môi gọi là quá trình solvat hóa ( nếu dung môi là nước thì gọi là hydrat hóa ). Đây là quá trình tỏa nhiệt. Vậy nhiệt hòa tan chính là tổng của hai nhiệt lượng này. Bởi vậy nhiệt hòa tan của một chất có thể dương hay âm, tùy theo tính chất của chất hòa tan và dung môi. Đối với những chất dễ tạo thành quá trình solvat ( hay hydrat ) hóa thì nhiệt hòa tan dương, còn những chất không tạo thành solvat thì nhiệt hòa tan âm. Khi tính toán cân bằng nhiệt của quá trình cô đặc, chúng ta phải biết nhiệt hòa tan để thêm nhiệt vào hoặc bớt nhiệt đi. Các giá trị về nhiệt hòa tan thường được cho trong các sổ tay. 1.2.2. Nhiệt độ sôi của dung dịch Nhiệt độ sôi của dung dịch là một thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế truyền nhiệt cô đặc. Vì căn cứ vào nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn được chất tải nhiệt với các thông số vật lý thích hợp và sẽ chọn được chế độ làm việc hợp lý của thiết bị. Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan, đặc biệt là nồng độ của chất tan. Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Điều này có thể giải thích theo định luật Raoult : (P_s-P)/P_S = n/N Trong đó : Ps : áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất P : áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch n : số mol của chất tan N : số mol của dung môi Từ biểu thức trên ta thấy n/N> 0, do đó Ps> P nghĩa là áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất luôn luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch ở cùng nhiệt độ. Nghĩa là ở cùng một áp suất thì nhiệt độ sôi của dung dịch luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. Cũng từ biểu thức trên ta thấy khi nồng độ chất tan n càng tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng. Hình 1.1. Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất Ps và của dung môi trên dung dịch P với nhiệt độ t Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ to và áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất Ps và của dung môi trên dung dịch P biểu diễn bằng hình 1.2.2. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch t và nhiệt độ sôi của dung môi ts. Khi ở cùng một áp suất là ∆’: ∆’ = t - ts ∆’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất, trong cô đặc người ta gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ. ∆’ là một thông số vật lý của dung dịch, nó phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ càng tăng thì ∆’ càng tăng. ∆’ còn phụ thuộc vào bản chất của chất tan và dung môi, đồng thời ∆’ còn phụ thuộc vào áp suất. Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu. Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu thì nhiệt độ sôi càng tăng, nguyên nhân là do cột áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng. Hiệu giữa nhiệt độ sôi ở độ sâu có áp suất thủy tĩnh P + ∆P và nhiệt độ sôi ở mặt thoáng P là : to(p + ∆p) - to(p) = ∆’’ : là tổn thất nhiệt độ do cột áp suất thủy tĩnh Trong tính toán ∆P được lấy theo giá trị trung bình : ∆P = ρ’.g.h, N/m2 Trong đó ρ’: khối lượng riêng của dung dịch ở trạng thái bọt gần đúng ρ’ = 0,5 ρ ρ : khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3 g : gia tốc trọng trường, m/s2 h : độ sâu từ mặt thoáng đến giữa ống truyền nhiệt, m Công thức trên chỉ gần đúng với số liệu thực nghiệm vì áp suất thủy tĩnh của dung dịch sôi phụ thuộc vào khối lượng riêng, độ sâu. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’) và tổn thất nhiệt độ do cột áp suất thủy tĩnh (∆’’) đều làm giảm hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, làm tăng bề mặt truyền nhiệt của thiết bị. Nhưng lượng nhiệt cung cấp để làm quá nhiệt dung dịch thì không bị mất vì khi lên mặt thoáng thì áp suất thủy tĩnh giảm, nó sẽ cung cấp cho môi trường xung quanh phần nhiệt quá nhiệt. 1.3. Các kiểu làm việc trong hệ thống cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên 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 vào đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ ba…, hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch 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 một cách khác là phải có 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 làm hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suất 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 1 kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được 1 kg hơi thứ. Như vậy là cứ 1 kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi. Hay nói một cách khác là lượng hơi đốt làm bốc hơi 1 kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. 1.3.1. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều. Hình 1.2. Sơ đồ cô đặc 3 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 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 hới thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ 5. Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường 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 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. 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 nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. 1.3.2. Sơ đồ hệ thông cô đặc nhiều nồi ngược chiều Hình 1.3. Sơ đồ cô đặc 3 nồi ngược chiều 1,2,3 - nồi cô đặc ; 4,5,6 - bơm vận chuyển dung dịch Hệ thống cô đặc ngược chiều được trình bày như hình 1.3. Hơi di chuyển giống như trường hợp xuôi chiều còn dung dịch đi vào nồi 3 và sản phẩm ra khổi ở nồi 1. 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 nhớt 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 ngược chiều. Ngoài ra khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô đặc xuôi chiều, do đó lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn. Nhược điểm của cô đặc ngược chiều là phải có bơm để vận chuyển dung dịch. 1.3.3. Sơ đồ hệ thông cô đặc nhiều nồi chéo dòng ( song song ) Hình 1.4. Sơ đồ cô đặc 3 nồi chéo dòng ( song song ) 1,2,3 - nồi cô đặc Hệ thống cô đặc chéo dòng ( song song ) được mô tả như hình 1.4. Dung dịch đầu vào đồng thời ở các nồi. Sản phẩm cũng đồng thời lấy ra ở mỗi nồi. Hệ thống chéo dòng này 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. 1.4. Các thiết bị cô đặc Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dung phổ biến, loại này gồm có 2 phần chính: Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hõn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để hu hồi các hạt dung dịch bi hơi thứ mang theo. Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý đến những yêu cầu sau: Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, các chi tiết phải quy chuẩn hóa, giá thành rẻ. Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật: chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra Cường đồ truyện nhiệt lớn (hệ số truyền nhiệt K lớn). Về phân loại có thể phân loại theo hai cách: Theo sự bố trí bề mặt truyện nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loại nghiêng. Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chum. Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt. Theo tính tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡn bức… Dưới đây giới thiệu một số thiết bị cô đặc. 1.4.1. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm Hình 1.5 là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm. Phần dưới của thiết bị là phòng đốt 1, trong đó có các ống truyền nhiệt 2 và ống tuần hoàn 3 tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch thoe một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy, khối lượng riêng của khối hỗn hợp hơi- lỏng ở đây lớn hơn trong ốn truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoạn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Vận tốc tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tang và quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng giảm. Vận tốc tuần hoàn của loại thiết bị này thường khôn quá 1,5 m/s. Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn. Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi 4 trong đó có bộ phận tách bọt 5 dùng để tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch, nhưng có nhược điểm là vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng. Hình 1.5. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm. 1- phòng đốt; 2- ống truyền nhiệt; 3- ống tuần hoàn 1.4.2. Thiết bị cô đặc phòng đốt treo Hình 1.6 là thiết bị cô đặc phòng đốt treo. Phòng đốt 2 đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khan ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn, hơi đốt đi vào phòng theo ống 4. Phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chữa hoặc làm sạch. Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng. Khuyết điểm của thiết bị này là cấu tạo phức tạp và kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn. Hình 1.6. Thiết bị cô đặc phòng đốt treo. 1- vỏ thiết bị; 2- phòng đốt; 3- ống truyền nhiệt; 4- ống dẫn hơi đốt; 5- tai đỡ 1.4.3. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài Hình 1.7 là thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng. Dung dịch đi vào phòng đốt 1 được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi đi qqa ống 5 vào phòng bốc hơi, ở đây hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt 1 theo ống tuần hoàn 3. Các ống truyền nhiệt có thể làm dài (đến 7 m) nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó cường độ bốc hơi lớn. Đôi khi người ta ghép một vài phòng đốt vào một buồn bốc để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục. Hình 1.7. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng. Phòng đốt; 2- phòng bốc hơi; 3- ống tuần hoàn 4- bộ phận tách bọt; 5- ống dẫn hỗn hợp lỏng, hơi Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm nang, loại này có phòng đốt 1 là thiết bị truyền nhiêt ống chứ U (hình 1.8). Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái qua phải, còn ở nhánh trên từ phải qua trái. Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi phòng bốc hơi 4 để làm sạch và sửa chữa. Loại này cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hoàn ở giữa phòng đốt treo, dễ dàng tháo phòng đốt để sửa chữa và làm sạch. Hình 1.8. Thiết bị cô đăc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang. 1- phòng đốt; 2- phòng bốc hơi 1.4.4. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức Hình 1.9 mô tả thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức. Dung dịch đưa vào phòng đốt 1 bằng bơm tuần hoàn, dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc hơi, còn phần chính chảy về ống do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng đốt. Vận tốc của dung dịch trong ống truyền nhiệt bằng 1,5 đến 3,5 m/s. do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần và có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5˚) vì cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào năng suất của bơm. Ngoài ra, cô đặc tuần hoàn cưỡng bức cũng tránh được hiến tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có đột nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện. Khuyết điểm của loại này là tốn năng lương để bơm; thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn. Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhay (như loại phòng đốt ngoài, phòng đốt treo). Hình 1.9. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức: phòng đốt; 2- phòng bốc hơi; 3- ống tuần hoàn; 4- bơm tuần hoàn 1.4.5. Thiết bị cô đặc loại màng Trong thiết bị cô đặc loại màng dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên. Phòng đốt 1 (hình 1.10) là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 – 9 m, hơi đốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào đấy thiết thiết bị chưa khoảng một phần tư đến một phần 5 chiều cao ống truyền nhiệt. Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với vận tốc rất lớn (xấp xỉ 20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hới, nồng độ dung dịch tang lên dần đén miệng ống là đạt nồng độ cần thiết. Thiêt bị cô đặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì vận tốc chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp, bề mặt truyền nhiệt của ống ở phía trên sẽ bị khô (vì dung môi bốc hơi hết), khi đó quá trình cấp nhiệt phía trong ống sẽ là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải tới lỏng do đó hiệu quả truyền nhiệt sẽ giảm đi nhanh chóng. Thường mức chất lỏng thích hợp được xác định bằng thực nghiệm. Loại thiết bị này có ưu điểm là áp suất thủy tĩnh nhỏ. Do đó tổn thất thủy tĩnh bé. Khuyết điểm của loại này là khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi, không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh. Hình 1.10. Thiết bị cô đặc loại màng: phòng đốt; 2- phòng bốc hơi Bộ phận tách bọt; 4- ống dẫn 1.4.6. Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng Thiết bị này gồm phòng đốt 1, phía trên phòng đốt là phòng sôi 2 cao gần 3m, phần trên phòng sôi đặt những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành nhữn khe hình vành khan từ phòng sôi hỗn hợp hơi – lỏng đi len phòng bốc hơi 5, hơi thứ đi lên phía trên ra ngoài; dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt qua ống tuần hoàn 4; phần kết tinh lắng xuống đáy 6. Phòng đốt chỉ có nhiệm vụ đun nóng dung dịch, ở đây dung dịch chưa sôi vì áp suất thủy tĩnh lớn. Khi đi vào các tấm ngăn 3, áp suất thủy tĩnh giảm đi, dung dịch sẽ sôi. Tác dụng của các tấm ngăn này làm cho quá trình sôi ổn định, không cản trợ sự tuần hoàn ở khu vực sôi (hình 1.11): Hình 1.11. Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng; Phòng đốt; 2- Phòng sôi; 3- Vòng đồng tâm; 4- Ống tuần hoàn; 5- Phòng bốc hơi; 6- Đáy hình phễu Loại thiết bị này có vận tốc tuần hoàn lớn (đến 3m/s). Vì dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên ít bị bám cặn, thích hợp với các dung dịch đạm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn. 1.4.7. Thiết bị cô đặc loại rôto Để cô đặc dung dịch không bền nhiệt hoặc dung dịch có đột nhớt cao, người ta dung thiết bị lọa rôto trực tiếp (hình 1.12). Trong than thiết bị 1 có bao hơi 2 và rôto quay 3, các cánh 4 lắp vào trục thẳng đứng. Dung dịch đầu đưa vào pở phần trên thiết bị, do cánh quay, dưới tác dụng của lực ly tâm làm văng chất lỏng ra thành thiết bị và chuyển động xoáy. Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được đun nóng bởi bao hơi 2. Hơi thứ bay ra được đưa lên phía trên rổi ra ngoài. Sản phẩm được tháo ra từ đáy thiết bị. Thiết bị cô đặc loại rôto có ưu điểm là cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ. Dùng để cô đặc loại dung dịch dạng keo, đặc sệt. Nhưng có nhược điểm là cấu tạo và gia công phứa tạp, giá thành cao d cần bộ phận chuyển động quay. Hình 1.12. Thiết bị cô đặc loại rôto: Thân thiết bị; 2 Bao hơi; 3- rôto; 4- cánh. 1.5. Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống cô đặc dung dịch NaCl. 1.5.1. Tính chất lý-hóa của NaCl - NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan tốt trong nước phân ly thành ion.Ở dạng tinh thể NaCl không dẫn được điện,còn ở dạng dung dịch thì dẫn được điện. - Khối lượng riêng của tinh thể NaCl là 2,16 g/cm3, của dung dịch NaCl 10% là 1073kg/m3 - Độ nhớt là 1,07.10-3 (Ns/m2 ) ở 20oC (dung dịch 10%). - Độ hòa tan của NaCl trong nước là 35,9 g/100 ml nước ở 25oC . - Điểm nóng chảy của NaCl là 801oC, điểm sôi là 1465oC. - Dung dịch NaCl là chất điện ly trung tính,không gây ăn mòn hóa học nhưng có khả năng gây ra ăn mòn điện hóa nên khi chế tạo thiết bị cần chú ý chọn vật liệu phù hợp có khả năng chống ăn mòn điện hóa. - Ứng dụng cơ bản: + Muối có vị mặn , vị của muối là một trong những vị cơ bản, có thể sử dụng làm chất điều vị trong thực phẩm, phụ gia... Muối ăn cần thiết cho mọi sự sống của cơ thể sống. Muối ăn tham gia vào chức năng điều chỉnh độ chứa nước của cơ thể, giúp phòng ngừa bệnh bướu cổ. + Muối ăn còn được dùng làm chất bảo quản thực phẩm ( ướp thịt , ướp cá tránh bị ươn … ) hay dùng làm chất phụ gia thực phẩm. Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. + Có rất nhiều dạng muối ăn : muối thô, muối tinh, muối Iot. Nó thu đc từ mỏ muối hay từ nước biển. 1.5.2. Lí do chọn thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm Với năng suất của hệ thống cô đặc không lớn,nồng độ cô đặc yêu cầu không quá cao( 20% khối lượng ) nên ta chọn thiết bị cô đặc ống tuần hoàn tâm.Thiết bị này có ưu điểm cấu tạo đơn giản,gọn,dễ dàng sửa chữa,thay thế hay làm sạch… 1.5.3. Sơ đồ dây chuyền cô đặc NaCl Nguyên lí hoạt động: Dung dịch NaCl ban đầu ở thùng chứa 1, được bơm lên thùng cao vị 3 qua bơm số 2. Từ thùng cao vị có một đường dẫn chống tràn xuống thùng chứa 1. Dung dịch ở thùng cao vị số 3 đi qua lưu lượng kế số 4 và sau đó được đưa vào thiết bị cô đặc số 5. Tại thiết bị cô đặc số 5, với sự trao đổi nhiệt của hơi đốt và sau đó là nước ngưng thì dung dịch sẽ được nâng lên nhiệt độ sôi và được cô đặc. Phần dung môi được tách ra khỏi quá trình cô đặc chính là hơi thứ sẽ được đi qua bộ thiết bị bazomet 8-10 để ngưng tụ toàn bố lượng hơi thứ này. Phần dung dịch được cô đặc sau quá trình cô đặc sẽ được hút qua bơm số 6 và được chuyển tới thùng 7 chứa sản phẩm cuối cùng, kết thúc quá trình cô đặc. 1.5.4. Các thiết bị phụ được lựa chọn trong quy trình công nghệ a. Bơm Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không: + Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy. Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaCl từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc. + Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc. b. Thiết bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần máy bơm. c. Thiết bị tách lỏng Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tửbay hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không. d. Các thiết bị phụ trợ khác - Bẫy hơi. - Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van. Chương II. Tính toán kĩ thuật thiết bị chính. 2.1. Các số liệu ban đầu. Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 3000 (kg/h). Nồng độ đầu của dung dịch: xđ = 12 (% khối lượng) Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 20 ( % khối lượng) Áp suất của hơi đốt: P1 = 4,5 (at). Áp suất của hơi ngưng tụ: Png = 0,62 (at). Nhiệt độ dung dịch đầu vào: 25oC Khối lượng mol của NaCl là : 58,5 2.2. Cân bằng vật chất 2.2.1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống. W = Gđ( 1- xđ/xc ) = 3000(1- 0,12/ 0,20) = 1200 ( kg/h). [2-55] 2.2.2. Xác định nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ trong nồi. Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của nồi dựa vào P đã cho ta được: Nội suy từ bảng I.250, [1-313] ta được : T = 147,1oC Xác định nhiệt lượng riêng i và nhiệt hóa hơi r: Nội suy từ bảng I.250, [1-313] ta được : i = 2749548 (J/kg) r = 2122877 (J/kg). 2.2.3. Tính nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi. ti’ = Ti+1 + ∆’’’ [oC]. ∆’’’: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống, chọn ∆’’’= 1oC Áp suất ngưng tụ Pnt = 0,62 at. Suy ra: Tnt = 86,2oC Vậy nhiệt độ hơi thứ đi ra: T’ = 87,2oC. Từ nhiệt độ hơi thứ, nội suy từ bảng I.250, [1-312] ta được các thông số sau: + P’= 0,65 (at) + i'''''''' = 2656960 (J/kg) + r’= 2291720 (J/kg). Ta có bảng số liệu số 1: Hơi đốtHơi thứ Áp suất, atP = 4.5P’ = 0.65 Nhiệt độ, oCT = 147.2t'''''''' = 87.2 Nhiệt lượng riêng, J/kgi = 2749548i'''''''' = 2656960 Nhiệt hóa hơi, J/kgr = 2122877r'''''''' = 2291720 2.4. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆’ : Dùng phương pháp Tysenco ta có: ∆’ = f. ∆’o= 16,2.〖( (t''''''''))/( r'''''''')〗^2 . ∆’o , [oC] [2-59] + Theo bảng VI.2, [2-66] ta xác định được giá trị của ∆’o,ở nồng độ dung dịch 20% ta có: ∆’o = 4,88oC. + t’, nhiệt độ hơi thứ [K].Ta có: t’ = 87,2oC = 360,2oK. + r’, nhiệt lượng riêng của hơi thứ: r’= 2291720 J/kg. Từ đó ta tính được: ∆’= 4,48oC. Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆’’: ∆’’ = ttb – t’ Ttb : xác định theo áp suất thủy tĩnh Ptb ở lớp giữa của khối chất lỏng. Ptb = P’ + [( h1 + H/2)ρs g ] , [N/m2]. [2-60] H : chiều cao ống truyền nhiệt, [m] h1: chiều cao lớp dung dịch kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch trong buồng đốt. ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, [kg/ m3] ( tra theo nồng độ) và giá trị này được lấy gần đúng bằng 1/ 2 khối lượng riêng của dung dịch tại 20oC. + Tra bảng I.59, [1-45],nội suy ta có : Nồng độ dung dịch là 20% => khối lượng riêng của dung dịch ở 20oC là: ρ = 1147,73 (kg/m3). Vậy, khối lượng riêng của dung dịch khi sôi là : ρs= 573,87 ( kg/m3). + Với g= 9,81 (m/s2) ; H=2(m) ; h1=0,5 (m),theo công thức [2-60] ta tính được: Ptb = 0,74 at. Từ đó,dựa vào bảng I.250,[1-314] suy ra nhiệt độ ứng với áp suất đó: ttb = 90,85oC. Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao: ∆’’= 90,85 – 87,2= 3,65oC Vậy nhiệt độ sôi của dung dịch là: ts1 = t’+ ∆’ + ∆’’ = 87,2+3,65+4,48 = 95,33oC. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống : ∑_(i=1)^n▒∆ = ∑_(i=1)^n▒∆^'''''''' + ∑_(i=1)^n▒∆'''''''''''''''' + ∑_(i=1)^n▒∆'''''''''''''''''''''''' = 3,65+4,48+1 = 9,13oC 2.5. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở hệ thống là : ∆T1 = T1 - Tng – ∑_(i=1)^n▒∆ , [oC]. = 147,1 – 86,2 – 9,13 = 51,77oC. Ta có bảng số liệu 2: Nồi∆^'''''''', [oC] ∆^'''''''''''''''', [oC] ∆^'''''''''''''''''''''''', [oC] ∆T, [oC] ts1 , [oC] 13,654,48151,7795,33 2.6. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt Di , lượng hơi thứ Wi của nồi cô đặc. Sơ đồ vật chất đi trong hệ thống: Di W1i’ Qm GđCots0 (Gđ –W)C1ts1 DCncθ1 Nồi 1 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng: Nồi 1 : Di + GđCots0 = Wi’ + (Gđ – W)C1ts1 + DCncθ + Qm Trong đó: D: lượng hơi đốt đi vào nồi, [kg/h] W: lượng hơi thứ ra khỏi nồi, [Kg/h]. C0,C1,Cnc : nhiệt dung riêng của dung dịch đầu,dung dịch ra khỏi nồi và của nước ngưng. i,i’: lần lượt là nhiệt lượng riêng của hơi đốt,hơi thứ của nồi. θ : nhiệt độ của nước ngưng. Qm : lượng nhiệt mất mát ra môi trường. Các thông số của dung dịch: + Nhiệt độ sôi của dung dịch ở các nồi : ts1 = 95,33oC. + Lượng hơi thứ thoát ra: W = 1200 kg/h. + Nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ là: i = 2749548 J/kg; i'''''''' = 2656960 J/kg. + Xác định nhiệt dung riêng của dung dịch ở trong nồi: Dung dịch có nồng độ đầu: x=xđ = 12 (% khối lượng) Áp dụng công thức: C0 = 4186(1-x) (với dd loãng < 0.2) [1-152] Ta được : C0 = 3683,68 [J/kg.độ]. Dung dịch ra khỏi nồi có nồng độ x=x2= 20 (% khối lượng) Tính nhiệt lượng riêng của hỗn hợp theo CT: C=C1x1 + C2x2 +…+ Cnxn[1-152] Theo đó : Chh = 1145,3 [J/kg.độ]. Khi đó C1 = Chhx + 4186(1-x) ( do dd đặc > 0.2) = 1145,3.0,20 + 4186(1- 0.2) = 3577,86 [J/kg.độ]. Các thông số của nước ngưng + Nhiệt độ nước ngưng : θ = T1 = 147,1oC + Nhiệt dung riêng của nước ngưng: nội suy từ bảng I.249, [1-311] theo nhiệt độ nước ngưng ta được: Cnc = 4304,8 [J/kg.độ] Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: D(i1 - Cncθ1) = Wi’ + (Gđ – W)C1ts1 – GđCotso + Qm Lấy lượng nhiệt mất mát ra môi trường Qm = 0,03.D(i1 - Cncθ1) Suy ra từ các thông số tìm được,sau khi giải phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: D = 1717,6 [Kg/h]. Ta có tỉ lệ D/W = 1,43. Suy ra cần 1,43 kg hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ. Từ đó ta có bảng số liệu 3. NồiC, J/kg.độCnc, J/kg.độθ, oCW, kg/h D, kg/h 13577,864304,8147,112001717,6 2.8. Tính hệ số cấp nhiệt,nhiệt lượng trung bình. Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi : Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt T1và thành ống truyền nhiệt tT1 của nồi cô đặc là : ∆t1 Ta chọn : ∆t1 = 4,5oC Công thức tính hệ số cấp nhiệt α1: α1= 2,04 A (〖r/∆t1H)〗^0.25 [W/m2.độ] [3-28] Trong đó : A= (〖(〖ρnc〗^2 〖λnc〗^3)/(µnc))〗^0.25 ,tuy nhiên ở đây ta tra theo nhiệt độ nước ngưng tm. Ta có: tm = T1 - ∆t1/2 , [oC]. Suy ra : tm = 147,1 – 4,5/2 = 144,87oC => A1= 194,73 Với r tìm được trước đó,theo CT [3-28] ta được: α1= 8754,55 [W/m2.độ] Vậy nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ là: q1 = α1.∆t1 , [W/m2]. Suy ra : q1 = 39395,46 [W/m2]. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi. α2= 45,3p’0.5∆t22.33Ψ [W/m2.độ]. Tính hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch. + Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt ∆tT: Tra bảng V.1,[2-4] ta có : Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch: r[1] = 0,000193 m2.độ/W Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa: r[2]=0,000387 m2.độ/W Chọn vật liệu làm ống là thép không gỉ loại Austenitic 316,có hệ số dẫn nhiệt ở 100oC là 16,2 (W/m.độ) và ở 500oC là 21,4 (W/m.độ).Nội suy ta có hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống ở nhiệt độ cao nhất trong thiết bị t = T1 = 147,1oC là: