- 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
9.3. Cô đặc nhiều nồi.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa cao 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 đưa 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 (xem hình 9-4). 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 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 thưường 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 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được 1kg hơi thứ; như vậy cứ 1 kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hẹ 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. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1 kg hơi đốt vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được 1 kg hơi thứ trong nồi đầu; 1 kg hơi thứ này đưa sang nồi thứ hai cũng làm bay hơi được 1 kg hơi thứ nữa. Như vậy đối với hệ thống cô đặc hai nồi, ta được 2kg hơi thứ. Vậy lượng hơi đốt tính cho 1 kg hơi thứ là 1/2kg.
9.3.1.Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi:
Hệ thống cô đặc nhiều nồi có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều hoặc song song… 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 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 (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.
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 là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
Hệ thống cô đặc ngược chiều được trình bày trên hình (9-6). Hơi di chuyển giống như trường hợp xuôi chiều còn dung dịch đi vào nồi 3 và sản phẩm ra khỏi 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 đấy nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy. Đó chính là ưu điểm của cô đặc nhiều nồi 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.
Khuyết điểm chính của cô đặc ngược chiều là cần phải có bơm để vận chuyển dung dịch. Hệ thống cô đặc song song được mô tả ở hình (9-7). 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 di chuyển từ nồi nọ sang nồi kia dễ làm tắc ống.
9.3.2. Cân bằng vật liệu trong nồi cô đặc:
Đối với toàn bộ hệ thống vẫn có thể ứng dụng các công thức (9-4) và (9-7) của quá trình cô đặc một nồi:
d W=G (1 d) c x x − (9 - 16) Ở đây: Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/s;
xđ, xc - nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra khỏi nồi cuối, % khối lượng; - Lượng nước bốc hơi của các nồi W:
W = W1 + W2 +…+ Wn (9-17)
Ở đây W1, W2, …, Wn - lượng nước bốc hơi ở các nồi 1, 2, …, n, kg/s; - Nồng độ của dung dịch ra khỏi mỗi nồi tính theo công thức:
Với nồi đầu:
1 d 1 x =G W d d x G − (9-18) Với nồi 2: 2 d 1 2 x =G W W d d x G − − (9-19) Với nồi thứ n: n d 1 2 n x =G W W ... W d d x G − − − − (9-20)
9.3.3. Cân bằng nhiệt lượng:
Để tính cân bằng nhiệt lượng của cô đựac nhiều nồi, ta có thể dùng phương trình (9-6) của cô đặc một nồi để tính toán lượng nhiệt cung cấp cho mỗi nồi:
Đối với nồi thứ nhất:
1 1( 1 1 1) d d(1c 1d) W (1 1 1 1c) cd1 m1
Q =D I −C′θ =G C t −t + i −C t′ +Q +Q
(9-20) Đối với nồi thứ hai:
2 W (1 2 2 2) ( d W ) (1 1 2c 2d) W (2 2 2 2c) cd2 m2
Q = I −C′θ = G − C t −t + i −C t′ +Q +Q
Đối với nồi thứ ba:
3 W (2 3 3 3) ( d W1 W ) (2 2 3c 3d) W (3 3 3 3c) cd3 m3
Q = I −C′θ = G − − C t −t + i −C t′ +Q +Q
(9-22) W=W1+W2+W3 (9-23)
Từ các phương trình (9-20) đến phương trình (9-23) sẽ xác định được D1, W1, W2, W3. Khi giải hệ phương trình trên ta có thể coi:
i1= I2; i2=I3; i3= I tháp ngưng tụ
Trong đó:
- Cđ, C1, C2 - nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1; nồi 2; nồi 3. - Qcd1, Qcd2, Qcd3- nhiệt độ cô đặc của các nồi 1, 2, 3.
- I1, I2, I3- hàm nhiệt của hơi đốt các nồi 1, 2, 3. - i1, i2, i3 – hàm nhiệt của hơi thứ các nồi 1, 2, 3.
- C’1, C’2, C’3 - nhiệt dung riêng nước ngưng tụ các nồi 1, 2, 3. - θ1, θ2, θ3- nhiệt độ nước ngưng tụ ở các nồi 1, 2, 3.
- Qm1, Qm2, Qm3- lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh của các nồi 1, 2, 3; chúng thường bằng từ 3 -5% lượng nhiệt cung cấp cho các nồi.
Nếu hệ thống có n nồi thì phương trình cân bằng nhiệt của nồi thứ n là:
1 1 2 n 1 n
W ( ) ( W W ... W ) ( ) W ( )
n n n n n d n nc nd n n nc cdn mn
Q = − I −C ′θ = G − − − − C − t −t + i −C t′ +Q +Q
(9-24) Như vậy thiết lập được n phương trình và kết hợp với phương trình (9-23) ta tìm được lượng hơi thứ của mỗi nồi và lượng hơi đốt cho vào nồi 1.
Trong trường hợp có lấy hơi thứ dùng vào việc khác gọi là hơi phụ E; Lượng hơi phụ lấy ra sau nồi một là E1 (kg/s), sau nồi hai là E2 (kg/s)… Vậy lượng hơi thứ còn lại của nồi 1 dùng làm hơi đốt nồi hai là: W1 – E1; Lượng hơi thứ nồi hai còn lại dùng làm hơi đốt nồi ba là: W2 - E2 .
Phương trình cân bằng có dạng:
2 1 1 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2
(W )( ) ( d W ) ( c d) W ( c) cd m
Q = −E I −C′θ = G − C t −t + i −C t′ +Q +Q
(9-24a) Đối với nồi ba:
3 (W2 2)( 3 3 3) ( d W1 W ) (2 2 3c 3d) W (3 3 3 3c) cd3 m3
Q = −E I −C′θ = G − − C t −t + i −C t′ +Q +Q
(9-24b)
9.3.4. Phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ có ích giữa các nồi trong cô đặc nhiều nồi.
Theo phương trình truyền nhiệt ta thấy khi cho biết Q và K thì F phụ thuộc vào ∆t, vì vậy tổng bề mặt đốt trong hệ thống cô đặc phụ thuộc vào sự phân phối W và hiệu số nhiệt độ có ích giữa các nồi. Thực tế ta thường gặp ba phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ:
a) Theo điều kiện bề mặt các nồi bằng nhau:
F1= F2 = F3=…=Fn= không đổi (9-25) b) Theo điều kiện tổng bề mặt đốt nóng các nồi là nhỏ nhất (
min
F =
∑
);
c) Theo điều kiện bề mặt đốt các nồi bằng nhau và tổng bề mặt đốt nóng các nồi là nhỏ nhất.
Trong tất cả các trường hợp ta đều phải biết nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi đầu T1, nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ Tnt và nhiệt độ tổn thất của các nồi
∆
∑
. Tổng số nhiệt độ tổn thất của hệ thống xác định theo công thức sau:
1n n t T ∆ = ∆ − ∆ ∑ ∑ (9-26) Ở đây: 1 1 1 2 2 2 1 ( ) ( ) ... ( ) n n n n ′ ′′ ′′′ ′ ′′ ′′′ ′ ′′ ′′′ ∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + + ∆ + ∆ + ∆ ∑ (9-26a)
1 ntT T T