- Thiết bị theo phương pháp này dùng để tách các hạt sương và mù (axit, dầu) đến các hạt vài micron với mức tách trên 90% , cả đến hơn 99%.
CHƯƠNG 9: CÔ ĐẶC
9.2.1. Cân bằng vật liệu:
Theo hình (9-2) gọi:
- Gđ (kg/s) : lượng dung dịch đầu đưa vào cô đặc, có nồng độ đầu bđ % khối lượng; - Gc : lượng dung dịch cuối, có nồng độ cuối bc; % khối lượng;
- W : lượng hơi thứ bay ra, kg/s.
Coi quá trình bay hơi không kéo theo chất hoà tan theo hơi thứ. Cân bằng vật chất của cô đặc biểu diễn theo phương trình:
Gđ = Gc + W (9 - 1) Đối với chất tan trong dung dịch:
100 100
d d c c
G b G b
=
(9 - 2)
Từ hai phương trình (9-1) và (9-2) ta có rút ra năng suất thiết bị và lượng thứ hơi bay ra:
d d c c G b G b = (9 - 3) Và W (1 d) d c b G b = − (9 - 4)
9.2.2. Cân bằng nhiệt lượng:
Gọi: D- lượng hơi đốt cho vào nồi; kg/s. I – hàm nhiệt của hơi đốt; J/kg.
tđ, tc - nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch; 0C.
θ
- nhiệt độ của nước ngưng; Coi nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt;
Cđ, Cc, Cnc - nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng; i – hàm nhiệt của hơi thứ; J/kg.
Lượng nhiệt vào:
- Do dung dịch đầu GđCđtđ, wat; - Do hơi đốt D.I, wat;
Lượng nhiệt mang ra : - Do sản phẩm : GcCctc, wat; - Do hơi thứ : Wi, w - Do nước ngưng: DCnc
θ
- Do nhiệt cô đặc: Qc= Gđbđ
q
∆
, w. - Do tổn thất ra môi trường Qtt, w. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt:
D.I + GđCđtđ = Wi + GcCctc + DCnc θ + Qc + Qtt (9 - 5) Thay GcCctc = GđCđtđ - WCnctc Ta có: ( nc ) Q D I C= − θ =W(i - C t ) + Gnc c dC td(c−td)+Qc+Qtt (9 - 6) Suy ra: nc i - C W c c d c tt d d nc nc nc t t t Q Q D G C I C θ I C θ I C θ − − = ÷+ ÷+ − − − (9 - 7)
Trong phương trình (9 - 7) nhiệt lượng cô đặc Qc biểu diễn bằng hiệu số tích phân của dung dịch dầu (loãng) với dung dịch cuối (đặc). Khi chất rắn hoà tan trong lỏng có thể thu nhiệt như khi hoà tan NH4NO3, hoặc toả nhiệt như NaOH. Do vậy Qc có thể mang dấu âm hoặc dương.
Nếu Qc có giá trị nhỏ thì khi tính cân bằng có thể bỏ qua.
Lượng Qm tổn thất ra môi trường xung quanh thường tính bằng 0,03 – 0,05Q. lượng nhiệt này dùng để tính bề dày lớp cách nhiệt.
Từ phương trình (9 - 7) nếu bỏ qua Qc và Qm ta có thể xác định lượng hơi đốt tiêu tốn làm bay hơi 1kg dung môi. Nếu dung dịch trước khi cho vào thiết bị cô đặc được đun đến nhiệt độ sôi tđ = tc thì: nc nc i - C (i - C ) W c W c W, kg nc t t D I C θ r = ÷= = − (9 - 8)
Từ phương trình (9 - 8) ta nhận thấy : đối với cô đặc một nồi để làm bay hơi một kg hơi thứ về mặt lý thuyết phải cần 1 kg hơi đốt. Thực tế do cần phải tính lượng nhiệt mất mát nên lượng hơi đốt tiêu hao riêng sẽ là 1,1 – 1,2kg cho 1 kg hơi thứ.
9.2.3. Bề mặt đun nóng:
Bề mặt đun nóng của thiết bị cô đặc xác định dựa vào phương trình truyền nhiệt:
2, , hi Q F m K t = ∆ (9 - 9) Trong đó:
Q - nhiệt luợng cấp cho thiết bị ( xem phương trình 9 – 6 )
K - hệ số truyền nhiệt, xác định theo phương trình truyền nhiệt tổng quát
hi
t
∆
- hiệu số nhiệt độ hữu ích của thiết bị cô đặc
hi
t
∆
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích của thiết bị cô đặc hi
t
∆
là hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của hơi đốt T0C và nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc.
hi
t
∆
= T - ts (9 - 10) 9.2.4. Nhiệt độ sôi của dung dịch và tổn thất nhiệt độ.
Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất này bằng tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung dịch (∆′), do cột áp thuỷ lực (∆′′) trong nồi và do trở lực thuỷ lực (∆′′′).
Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi (∆′) phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hoà tan và dung môi, vào nồng độ và áp suất của chúng. Giá trị của (∆′) thông thường tìm được bằng con đường thực nghiệm và đã cho trong các sổ tay chuyên ngành. Trong đó kq
′ ∆
thường cho ở áp suất khí quyển. Để xác định
p′ ∆
216, 2. s 16, 2. s p kq T r ′ ′ ∆ = ∆ , độ; (9 - 11)
Ở đây: Ts - nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất P đã cho, 0K; r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi cùng ở áp suất đó;
kq
′ ∆
- tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở nồng độ nhất định và áp suất khí quyển (xem trong sổ tay). Phương trình (9 - 11) chỉ đúng cho các loại dung dịch loãng.
Tổn thất nhiệt độ ∆′′′do cột áp thuỷ tĩnh trong ống truyền nhiệt. Tổn thất này là do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng. Người ta thường tính áp suất ở khoảng giữa ống truyền nhiệt:
2dd dd 0 ( 1 ) , / 2 2 tb h P = +P h + ρ g N m (9 -12) Trong đó:
P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch;
h1 - chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng, m; h - chiều cao ống truyền nhiệt, m;
dd ρ
- khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi, kg/m3; g – gia tốc trọng trường, m/s2;
Vậy ta có :
′′∆ ∆
= ttb - tbt, 0C; (9 - 13) ở đây: ttb - nhiệt độ sôi ứng với Ptb, 0C;
Tổn thất nhiệt độ ∆′′′do trở lực thuỷ lực gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ.
′′′∆ ∆
= 1 – 1,5 độ.
Nhiệt độ sôi của dung dịch tsôi có thể xác định theo công thức sau: tsôi = tht + ∆′ + ∆′′′, độ; (9 - 14) trong đó tht nhiệt độ của hơi thứ, độ.
Đồ thị thay đổi nhiệt độ trong nồi cô đặc được mô tả trên hình (9 - 3). Trên đồ thị trục tung biểu diễn nhiệt độ. Đoạn thẳng đứng 1 – 2 biểu thị nhiệt độ của hơi đốt ở bên ngoài ống truyền nhiệt; ở đây coi hơi đốt ở trạng thái bão hoà và nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt. Điểm 3 là nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống (lớn nhất) và giảm dần đến điểm 5 ở mặt thoáng do áp suất thuỷ tĩnh (xem mục I) . Điểm 4 ứng với nhiệt độ giữa ống truyền nhiệt gọi là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch. Điểm 6 là nhiệt độ của hơi thứ ở sát mặt thoáng của dung dịch, điểm 7 là nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ tnt.
Hiệu số nhiệt độ ∆′′′ = t6 – tnt gọi là tổn thất thuỷ lực do quá trình hơi đi từ mặt thoáng của dung dịch vào thiết bị ngưng tụ có tổn thất áp suất, do đó nhiệt độ sẽ giảm đi, thực tế ∆′′′ = 1 – 1,5 độ C.
t5 – t6 = ∆′ - là tổn thất do nồng độ (xem mục 2.3) t4 – t5 = ∆′′′- là tổn thất thuỷ tĩnh (xem mục 2.3)
Tóm lại khi biết nhiệt độ hơi đốt t và nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ tnt ta xác định hiệu số nhiệt độ có ích như sau:
( ) t T ′ ′′ ′′′ ∆ = ∆ − ∆ + ∆ + ∆ Hay t T ∆ = ∆ −∑∆ Ở đây:
• ∆T = T – Tnt, 0C T = T – Tnt, 0C • ′ ′′ ′′′ ∆ = ∆ + ∆ + ∆ ∑
, 0C - gọi là tổng hiệu số nhiệt độ tổn thất.