II. Mục ựắch và nhiệm vụ nghiên cứu
B. Nhiệm vụ nghiên cứu
1.6.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ựặc trên thế giới
Qua nghiên cứu tìm hiểu tổng quan cho thấy một số loại thiết bị cô ựặc ựang ựược sử dụng trên thế giới như sau:
- Thiết bị cô ựặc có ống tuần hoàn trung tâm, - Thiết bị cô ựặc loại phòng ựốt ngoài,
- Thiết bị cô ựặc loại có tuần hoàn cưỡng bức, - Thiết bị cô ựặc loại màng,
- Thiết bị cô ựặc có vành dẫn chất lỏng, - Thiết bị cô ựặc thẩm thấu ngược.
để làm sáng tỏ hơn tắnh năng và nguyên lý hoạt ựộng thiết bị nêu trên thông qua việc phân tắch tóm tắt những ưu, nhược ựiểm của chúng như dưới ựây.
* Thiết bị cô ựặc có ống tuần hoàn trung tâm (hình 1.10)
Hình 1.10. Sơ ựồ nguyên lý thiết bị cô ựặc có ống tuần hoàn trung tâm
1- vỏ; 2-phòng ựốt; 3- ống truyền nhiệt; 4- ống tuần hoàn trung tâm; 5- phòng phân ly; 6- bộ phận tách bọt
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 22
Ưu ựiểm
- Cấu tạo ựơn giản, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp giáp và cọ rửa
Nhược ựiểm
- Tốc ựộ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị ựun nóng, nên hệ số truyền nhiệt thấp.
Ứng dụng: Thiết bị dùng ựể cô ựặc các dung dịch có ựộ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng, cặn.
*Thiết bị cô ựặc phòng ựốt treo (hình 1.11)
Hình 1.11. Thiết bị cô ựặc phòng ựốt treo
1- phòng ựốt; 2- thân thiết bị; 3- ống dẫn hơi ựốt; 4- bộ phận tách bọt; 5- ống dẫn bọt; 6- ống dẫn nước rửa.
Ưu ựiểm
- Phòng ựốt treo này có thể tháo ra khỏi thiết bị ựể cọ rửa và sửa chữa. Hơi ựốt ựi vào phòng ống 3 rồi phun ra không gian bên ngoài ống truyền nhiệt.Giữa thân thiết bị 2 và thân phòng ựốt 1 tạo thành khe hở hình
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 23
vành khăn và lúc thiết bị làm việc thì khe hở ựó chứa ựầy dung dịch (ựóng vai trò như ống tuần hoàn).
Nhược ựiểm
- Thiết bị có cấu tạo phức tạp và kắch thước lớn do có khoảng trống
vành khăn thiết bị này thường có bề mặt truyền nhiệt F là 75,95,150m2; và
kắch thước ống truyền nhiệt d = 57,5ọ63,5mm; 64ọ70mm; chiều dài ống L
= 1300 ọ 1700mm.
Ứng dụng: Thiết bị cô ựặc loại này thường ựược dùng ựể cô ựặc dung dịch có kết tinh và ựược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất như ựể cô ựặc thuốc.
* Thiết bị cô ựặc loại phòng ựốt ngoài (hình từ 1.12 ựến 1.13)
Hình1.12. Thiết bị cô ựặc có phòng ựốt ngoài thẳng ựứng
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 24
Hình 1.13. Thiết bị cô ựặc phòng ựốt ngoài nằm ngang
1- phòng bốc; 2- phòng ựốt; 3- bộ phận tách bọt
Ưu ựiểm
Thiết bị loại này có buồng ựốt và không gian bốc hơi (buồng bốc) hoàn toàn tách rời nhau. Chúng chỉ liên hệ với nhau bằng ống nối do ựó có những ưu ựiểm sau:
- Giảm bớt ựược khoảng cách theo chiều cao giữa buồng ựốt và không gian bốc hơi; có thể ựiều chỉnh ựược sự tuần hoàn;
- Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng ựốt cách xa không gian hơi;
- Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân ly loại ly tâm;
- Một không gian hơi có thể nối với hai hoặc nhiều buồng ựốt và như vậy có thể luân phiên nhau sửa chữa buồng ựốt mà không phải ngừng sản xuất.
Nhược ựiểm
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 25
*Thiết bị cô ựặc loại có tuần hoàn cưỡng bức (hình 1.14)
Hình 1.14. Thiết bị cô ựặc tuần hoàn cưỡng bức
1-Cửa cấp liệu; 2- Cấp hơi ựốt; 3- Cửa tháo sản phẩm; 4- Ống truyền nhiệt; 5-đường ra hơi thứ; 6-Bộ phận phân ly; 7- Ống thoát khắ của buồng ựốt; 8- Ống thoát nước
ngưng.
Ưu ựiểm
- Dung dịch ựối lưu cưỡng bức hình 1.14, dùng bơm ựể tạo vận tốc
dung dịch từ 1.5 Ờ 3.5m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu ựiểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch ựặc sệt, ựộ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ựường, muối tinh,... cô ựặc .
Nhược ựiểm
- Dung dịch cho vào phòng ựốt 1 qua cửa ống tuần hoàn 3. Dung dịch ựặc ựi ra ở phần dưới của phòng bốc 2 ở dạng sản phẩm, còn phần lớn lại chảy về ống 3 do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch ựầu ựi vào phòng ựốt.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 26
- Nếu lấy tốc ựộ tuần hoàn là 2m/s thì mức chất lỏng sôi ở mức càng cao. Thực tế nên lấy tốc ựộ tuần hoàn bé hơn 1,5 Ờ 3,5m/s là phù hợp. Nếu chọn tốc ựộ tuần hoàn bé hơn 1m/s thì không có lợi, bởi vì trong trường hợp này chất lỏng ở trong ống sẽ sôi ở mức thấp và quá trình bốc hơi có tuần hoàn cưỡng bức sẽ gần giống như bốc hơi với tuần hoàn tự nhiên. Nhưng nếu chọn tốc ựộ tuần hoàn quá lớn cũng không có hiệu quả, vì khi tốc ựộ lớn hơn 4m/s thì hệ số truyền nhiệt cũng không tăng lên. đối với những dung dịch kho cô ựặc có cặn bám lên thành ống hoặc tạo ra tinh thể thì không nên chọn tốc ựộ nhỏ hơn 2,5m/s.
*Thiết bị cô ựặc loại màng ựược thể hiện như hình 1.15
Hình 1.15. Thiết bị cô ựặc không tuần hoàn loại màng
Ưu ựiểm
- Thiết bị cô ựặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi có mức chất lỏng thắch hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá , hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì tốc ựộ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp bề mặt truyền nhiệt của phắa ống ở trên sẽ bị khô (vì dung dịch bốc hơi hết).
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 27
Nhược ựiểm
- Khó làm sạch vì ống dài,
- Khó ựiều chỉnh khi áp suất hơi ựốt thay ựổi và mức dung dịch thay ựổi, - Không thắch hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.
*Thiết bị cô ựặc có vành dẫn chất lỏng
Hình 1.16. Thiết bị cô ựặc có vành dẫn chất lỏng
1- phòng ựốt; 2- vỏ thiết bị; 3- tấm ngăn; 4- ống tuần hoàn; 5- phòng phân ly; 6- ựáy kết tinh.
Ưu ựiểm
- Loại thiết bị này có tốc ựộ tuần hoàn tương ựối lớn = 3m/s trong lúc ựó ở các loại thiết bị có tuần hoàn tự nhiên khác tốc ựộ tuần hoàn chỉ ựạt 1 Ờ 1,5m/s.
Mặt khác vì dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên bề mặt truyền nhiệt ắt bị bám cặn.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 28
- Thiết bị loại này thắch hợp, với các dung dịch ựậm ựặc, kết tinh và dung dịch nhớtẦ
Nhược ựiểm
- Khó vệ sinh cọ rửa ống truyển nhiệt.
* Thiết bị cô ựặc thẩm thấu ngược
Một trong những loại thiết bị cô ựặc mới ựược ứng dụng trong thời gian gần ựây sử dụng công nghệ màng lọc bán thấm ựể cô ựặc.
Thiết bị cô ựặc thẩm thấu ựược nghiên cứu và ứng dụng ựầu tiên bởi công ty GE Osmonics của Mỹ và ựược triển khai ở các nước trên thế giới như: Brazil, China, Denmark, England, France, Germany, Hong Kong, Italy, Japan,Ầ
Hình 1.17. Sơ ựồ thiết bị cô ựặc thẩm thấu ngược
Nguyên lý của thiết bị dựa trên khả năng lọc bán thấm của màng lọc RO (màng lọc thẩm thấu ngược), màng lọc RO cho phép phân tử nước và các phân tử nhỏ hơn nước ựi qua, còn các phân tử có kắch thước lơn hơn nước ựược giữ lại. Dựa trên nguyên tắc này phần dịch không qua ựược màng lọc RO sẽ có nồng ựộ chất khô cao hơn nồng ựộ chất khô sau khi lọc
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 29
cao hơn trước khi lọc. So với phương pháp gia nhiệt làm bốc hơi nước có và không có chân không, phương pháp cô ựặc thẩm thấu làm tăng nồng ựộ mà không cần sử dụng nhiệt, do vậy chất lượng của sản phẩm ựược giữ nguyên màu sắc, mùi vị và các chất vi lượng trong sản phẩm ựược bảo toàn.
Nhược ựiểm
- Không cô ựặc ựược các sản phẩm có ựộ nhớt cao và ở nồng ựộ chất khô cao.
- Thiết bị cô ựặc có giá thành cao hơn so với các thiết bị cô ựặc dạng nhiệt.
*Theo phương pháp thực hiện quá trình: Phân ra thành hệ thống thiết bị cô
ựặc một nồi, và hệ thống cô ựặc nhiều nồi trong ựóhệ thống cô ựặc một nồi
ựược dùng khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt ựể ựun nóng (hình 1.18)
Hình 1.18. Sơ ựồ nguyên lý cấu tạo và thiết bị cô ựặc một nồi
1- thùng chứa; 2- bơm; 3- thùng cao vị; 4- lưu lượng kế;5- thiết bị ựun nóng; 6- nồi cô ựặc; 7 - bơm; 8- thùng chứa sản phẩm;9- thiết bị ngưng tụ; 10- bộ phận thu hồi bọt; 11- ống
baromet.
Dung dịch ựầu từ thùng chứa 1 ựược bơm vào thùng 3, sau ựó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị ựun nóng 5. Ở ựây dung dịch ựược ựun
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 30
nóng ựến nhiệt ựộ sôi và ựi vào thiết bị cô ựặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khắ không ngưng ựi qua phắa trên của thiết bị cô ựặc vào thiết bị ngưng tụ.
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên ựi xuống, ở ựây hơi thứ sẽ ựược ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống 11 ra ngoài, còn khắ không ựược ngưng ựi qua thiết bị thu hồi bọt 10 rồi vào bơm hút chân không. Dung dịch sau khi cô ựặc ựược bơm ra ở phắa dưới thiết bị cô ựặc ựi vào thùng chứa 8.
- Hệ thống thiết bị cô ựặc nhiều nồi: (hình từ 1.19 ựến 1.21) ựể tiết kiệm và làm giảm bớt lượng hơi nước tiêu hao làm nóng thiết bị người ta tiến hành cô ựặc trong thiết bị nhiều nồi. Hệ thống bao gồm nhiều nồi nối tiếp nhau, áp suất ở nồi sau thấp hơn so với nồi trước, vì vậy nhiệt ựộ của dung dịch nồi sau nhỏ hơn nồi trước. Do sự phân bố nhiệt ựộ sôi của dung dịch nên có thể dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi ựốt cho nồi sau.
\
Hình 1.19. Sơ ựồ nguyên lý cấu tạo thiết bị cô ựặc ba nồi xuôi chiều
1, 2, 3- nồi cô ựặc; 4- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu ựầu;5- thiết bị ngưng tụ; 6- thiết bị tách bọt; 7- bơm chân không.
Như vậy chỉ có nồi ựầu tiên của hệ thống sẽ ựun bằng hơi mới. Hơi thứ của nồi ựầu tiên ựưa ựi ựể ựun nóng nồi thứ hai, ở nồi này áp suất và
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 31
nhiệt ựộ sôi của dung dịch thấp hơn so với nồi ựầu tiên. Nhiệt lượng chứa trong hơi thứ nồi ựầu tiên ựủ ựể làm sôi dung dịch ở nồi thứ hai. Hơi thứ ở nồi thứ hai lại ựun 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 khắ quyển thì hơi thứ của nó vẫn có thể sử dụng ựược 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 ựi vào thiết bị chiết. Hệ thống cô ựặc nhiều có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều (hình 1.20) hoặc song song (hình 1.21),Ầ
Hình 1.20. Sơ ựồ thiết bị cô ựặc nhiều nồi ngược chiều
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 32
Hình 1.22.Thiết bị máy cô ựặc tuần hoàn ngoài 2cấp (hình trái) và 3 cấp loại SERES-SJN3(hình phải)
Thông số kỹ thuật thiết bị cô ựặc tuần hoàn 3 cấp.
Model SJN3-500 SJN3-1000 SJN3-1500 SJN3-2000 SJN3-3000
Năng suất bay hơi
(kg/h) 500 1000 1500 2000 3000
Tiêu hao hơi nước
bão hòa (kg/h) 400 700 1100 1400 2200
Áp suất hơi Mpa 1Mpa
Kắch thước (m)
L*W*H 5.3*1*3.4 7.0*1.5*4.0 7.5*1.5*4.0 7.9*1.8*4.0 8.5*2*4.3 Lượng nước làm
mát (T/h) 9 18 27 36 60
Ưu ựiểm
- Tiết kiệm nhiệt lượng ựáng kể vì sử dụng ựược hơi thứ. Khi số nồi càng nhiều thì lượng hơi ựốt tiêu hao ựể làm bốc hơi 1 kg nước của sản phẩm ở trong thiết bị càng nhỏ.
- Chất lượng sản phẩm tốt vì thời gian cô ựặc liên tục, nhiệt ựộ sôi thấp, thời gian cô ựặc nhanh.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 33
- đối với hệ thống cô ựặc xuôi chiều thì dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt ựộ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do ựó, dung dịch ựi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) ựều có nhiệt ựộ cao hơn nhiệt ựộ sôi, kết quả là dung dịch sẽ ựược làm lạnh ựi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Khi cô ựặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt ựộ cao nhất sẽ ựi vào ở nồi ựầu, ở ựây nhiệt ựộ lớn hơn nên ựộ nhớt không tăng mấy. Kết quả là hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm ựi mấy. đó chắnh là ưu ựiểm của cô ựặc nhiều ngược chiều. Ngoài ra, khi cô ựặc ngược chiều lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô ựặc xuôi chiều, dó ựó, lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
Nhược ựiểm
- đối với hệ thống thiết bị cô ựặc xuôi chiều vì nhiệt ựộ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng ựộ của dung dịch lại tăng dần làm cho ựộ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi ựầu ựến nồi cuối.
- đối với hệ thống cô ựặc ngược chiều ở ựây, vì áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau, do ựó dung dịch không tự chảy từ nồi nọ sang nồi kia ựược mà phải dùng bơm ựể vận chuyển.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 34