Các phương pháp cô đặc
Cô đặc một nồi
Hệ một nồi có thể hoạt động theo hai phương thức: gián đoạn và liên tục Phương pháp gián đoạn thích hợp khi cần nâng cao nồng độ sản phẩm, trong khi phương pháp liên tục được sử dụng cho dung dịch có nồng độ nhớt tương đối thấp.
Dung dịch loãng từ bể được bơm lên thùng cao vị để ổn áp Từ thùng cao vị, dung dịch được định lượng bằng lưu lượng kế và đưa vào thiết bị đun nóng để đạt nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi và bốc hơi trong chân không, hơi nước sau đó được dẫn qua bộ ngưng tụ để tạo chân không cho nồi cô đặc Sản phẩm đặc cuối cùng được bơm đưa đến bồn chứa.
Xét hệ thống một nồi:
Gđ: khối lượng nguyên liệu, [kg, kg/s]
Gc: khối lượng sản phẩm, [kg, kg/s]
W: lượng hơi thứ, [kg, kg/s] xđ: nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [% khối lượng] xc: nồng độ chất khô trong sản phẩm, [% khối lượng]
Theo định luật bảo toàn vật chất.
Nồng độ sản phẩm cuối x c = G đ x đ
Ký hiệu tđ đại diện cho nhiệt độ nguyên liệu, tc là nhiệt độ sản phẩm, tn là nhiệt độ nước ngưng Các ký hiệu cđ, cc và cn lần lượt biểu thị nhiệt dung riêng của nguyên liệu, sản phẩm và nước ngưng, với đơn vị tính là [J/kg.độ] Ngoài ra, i1 là hàm nhiệt trong hơi đốt và i2 là hàm nhiệt trong hơi thứ, cả hai đều được đo bằng [J/kg].
Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J]
q; tổn thất nhiệt cô đặc riêng, [J/kg]
Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J]
Theo định luật bảo toàn nhiệt.
Lượng hơi đốt tiêu tốn.
Trong quá trình tính toán nhiệt có thể xem c c ≈ c đ
- Tính bề mặt truyền nhiệt.
K: hệ số truyền nhiệt, [W/m 2 độ]
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m 2 ] τ : thời gian cô dặc, [s]
∆ t hi : hiệu số nhiệt độ hữu ích, [độ]
Rút ra bề mặt truyền nhiệt
Tổn thất nhiệt khi cô đặc
Hiệu số nhiệt hữu ích thi
Hiệu số nhiệt độ hữu ích A là sự chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, được tính bằng công thức thi = T - tsdd.
Trong quá trình tính toán, việc xác định nhiệt độ sôi của dung dịch thường gặp khó khăn Người ta chỉ biết nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ, từ đó xác định hiệu số nhiệt độ chung hi = T – tng Dựa vào hiệu số này, ta có thể tính toán hiệu số nhiệt độ hữu ích thi bằng công thức thi = tch - ∑ ∆.
tng: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ ( 0 C )
∑ ∆ : tổng tổn thất nhiệt độ trong cô đặc
Tổn thất nhiệt trong cô đặc ∑ ∆
: tổn thất nhiệt do nồng độ [ 0 C]
: tổn thất nhiệt do thủy tĩnh [ 0 C]
: tổn thất nhiệt do trở lực ống dẫn [ 0 C]
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự tổn thất nhiệt độ do nồng độ và do áp suất thủy tĩnh
Po: áp suất hơi tại mặt thoáng dung dịch
tsdd: nhiệt độ sôi dung dịch tại áp suất po
tsdm: nhiệt độ sôi dung môi tại áp suất po
Tính độ tăng áp suất do thủy tĩnh ∆ p , ,
Hop: chiều cao chất lỏng theo ống báo mức (m)
ptb: khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sôi bọt (kg/m 3 ) ptb=1/2 khối lượng riêng của dung dịch đặc lúc không có bọt
Tính ra được ∆ ,, theo hình
Xác định tổn thất áp suất trên đường dẫn hơi thứ ∆ p , ,,
ρ: khối lượng riêng hơi (kg/m 3 )
ξ: hệ số trở lực cục bộ đường hơi đi
de: đường kính tương đương (m)
Từ đây ta có thể tính ra như trên
Có thể lấy ∆ ,, , theo kinh nghiệm, ∆ ,, , =1 ÷ 1,5 ° ∁ mỗi nồi.
Tính chiều cao chất lỏng tối ưu:
H o : chiều cao ống truyền nhiệt, [m]
Hop: chiều cao nhất chất lỏng đo theo ống báo mức của nồi, [m]
Cô đặc nhiều nồi
Khi cô đặc một nồi, việc tiêu hao hơi đốt sẽ rất lớn và không kinh tế Hơn nữa, hơi thứ vẫn còn giữ nhiệt lượng cao, dẫn đến việc tốn nước để ngưng tụ.
Cô đặc nhiều nồi là phương pháp sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, giúp giảm thiểu tiêu hao năng lượng và tăng năng suất Quá trình này dễ dàng kiểm soát các thông số kỹ thuật, mang lại lợi ích kinh tế cao trong việc sử dụng nhiệt.
Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Trong quá trình chưng cất, nồi thứ nhất sử dụng hơi đốt để đun nóng dung dịch, sau đó hơi từ nồi này được chuyển sang nồi thứ hai, và tiếp tục đến nồi thứ ba, cho đến nồi cuối cùng, nơi hơi được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch di chuyển qua các nồi, trong mỗi nồi đều có một phần dung dịch bốc hơi, dẫn đến nồng độ ngày càng tăng Để đảm bảo quá trình truyền nhiệt hiệu quả, cần có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, tức là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, với áp suất làm việc giảm dần từ nồi này sang nồi khác Thông thường, nồi đầu tiên hoạt động ở áp suất dư, trong khi nồi cuối cùng hoạt động ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
Cô đặc nhiều nồi mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với việc sử dụng một nồi đơn lẻ, vì lượng hơi đốt cần thiết để bốc hơi 1kg hơi thứ tỉ lệ nghịch với số lượng nồi trong hệ thống Cụ thể, khi sử dụng hai nồi, 1kg hơi đốt vào nồi đầu sẽ bốc hơi 1kg hơi thứ, và lượng hơi thứ này tiếp tục được sử dụng để bốc hơi thêm 1kg trong nồi thứ hai Như vậy, với hai nồi, tổng lượng hơi thứ thu được là 2kg, trong khi lượng hơi đốt tiêu thụ chỉ tương đương với 1kg hơi thứ.
Trong công nghiệp có ba sơ đồ hệ thống cô dặc nhiều nồi:
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song
4.1.2 Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều
→ Thường dùng trong công nghiệp thực phẩm
Nguyên tắc làm việc của hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều bắt đầu bằng việc gia nhiệt dung dịch loãng đến nhiệt độ sôi, sau đó đưa vào nồi cô đặc số (1) để cô đặc một phần dung dịch Nồi số (1) sử dụng hơi chính trong nhà máy làm nguồn nhiệt Nguyên liệu từ nồi số (1) được chuyển sang nồi số (2), nơi sử dụng hơi thải từ nồi số (1) để tiếp tục quá trình cô đặc Quá trình này lặp lại cho đến nồi cuối cùng, với hơi thải từ nồi cuối cùng được dẫn qua bộ ngưng tụ để tạo độ chân không cho hệ thống Sản phẩm từ nồi cuối được bơm liên tục ra ngoài, trong khi lượng hơi thải không sử dụng hết ở các cấp đầu được trích một phần làm hơi phụ.
Để hệ thống hoạt động hiệu quả, nhiệt độ và áp suất của nồi đầu cần phải lớn hơn nồi sau Điều này cho phép dung dịch tự chảy từ nồi đầu sang nồi sau mà không cần bơm, giúp tiết kiệm năng lượng Thông thường, nồi đầu có áp suất dương trong khi nồi sau có áp suất âm.
- Nhiệt độ sản phẩm thấp nên chất lượng sản phẩm tốt.
- Hệ thống đơn giản, chi phí thấp
Do nồng độ tăng và nhiệt độ giảm, độ nhớt của các nồi sau tăng lên, dẫn đến hệ số k giảm Hệ quả là cường độ bốc hơi của các nồi này giảm, gây khó khăn trong việc khai thác tối đa công suất thiết kế của thiết bị.
- Hệ thống có nhiều ưu điểm, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đường, bột ngọt,
4.1.3 Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngược chiều
→ Dùng trong công nghiệp hóa học
Nguyên tắc của quy trình là dung dịch loãng được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi và đưa vào nồi cô đặc cuối để cô đặc một phần dung dịch Nồi cuối sử dụng hơi đốt từ nồi trước để tạo ra hơi, sau đó hơi này được đưa qua bộ ngưng tụ nhằm tạo độ chân không cho hệ thống Nguyên liệu từ nồi cuối được bơm chuyển qua thiết bị gia nhiệt, nâng nhiệt độ lên bằng nhiệt độ sôi trong nồi trước, rồi tiếp tục được bơm vào làm nguyên liệu cho nồi trước cuối Quá trình này lặp lại cho đến khi đạt được sản phẩm từ nồi đầu Ưu điểm của quy trình này là hiệu suất cao trong việc cô đặc dung dịch.
Khi dung dịch trở nên đặc hơn và nhiệt độ tăng, độ nhớt của dung dịch không tăng, dẫn đến việc đối lưu không giảm Hệ số K cũng ít thay đổi, vì vậy cường độ bốc hơi của các nồi gần như tương đương, cho phép khai thác tối đa công suất của từng nồi.
Lượng nước ngưng tụ ít.
Hệ thống phức tạp, vốn đầu tư lớn
Tốn năng lượng nhiệt và bơm
Sản phẩm có nhiệt độ cao nên giảm chất lượng
Năng suất hệ thống nhỏ hơn hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều Ứng dụng
Dùng trong trường hợp dung dịch có độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ và sản phẩm chịu được nhiệt độ cao.
4.1.4 Số nồi trong hệ thống
Hệ thống nồi càng dài sẽ tiết kiệm năng lượng nhiệt hiệu quả hơn, nhưng mức tiết kiệm sẽ giảm dần theo số lượng nồi Đặc biệt, từ nồi số 10 trở đi, mức tiết kiệm chỉ giảm 1% cho mỗi nồi thêm vào.
Số nồi càng nhiều thì hệ thống càng phức tạp, chi phí đầu từ và sửa chữa càng tăng, tổn thất nhiệt càng tăng.
Để hệ thống hoạt động hiệu quả về kinh tế, việc xác định số nồi tối ưu là rất quan trọng Số nồi tối ưu được định nghĩa là số lượng nồi trong hệ thống mà tại đó chi phí sản xuất sản phẩm là thấp nhất Thông thường, trong ngành công nghiệp, số nồi tối ưu thường dao động từ 5 đến 7 nồi cho mỗi hệ thống.
4.1.5 Tính toán cô đặc nhiều nồi a) Cân bằng vật chất
Gđ khối lượng nguyên liệu [kg]
Gc khối lượng sản phẩm[kg]
Gi khối lượng ra nồi thứ I,[kg]
W lượng hơn thứ cả hệ thống,[kg]
Trong quá trình sản xuất, lượng hơi của nồi thứ I được xác định bằng công thức: Wi = (xđ - xc) / (xđ - xi), trong đó xđ là nồng độ chất khô trong nguyên liệu (%), xc là nồng độ chất khô trong sản phẩm (%) và xi là nồng độ chất khô trong dung dịch nồi thứ I (%).
Lượng hơi thứ cả hệ thống
Nồng độ sản phẩm các nồi
Nồng độ sản phẩm nồi 1
Trong quá trình sản xuất, các thông số nhiệt độ như Tđ (nhiệt độ nguyên liệu), tc (nhiệt độ sản phẩm) và tn (nhiệt độ ngưng tụ) đóng vai trò quan trọng Ngoài ra, nhiệt dung riêng của nguyên liệu (cd), sản phẩm (cc) và nước (cn) cũng cần được tính toán chính xác để đảm bảo hiệu quả quy trình Các đơn vị đo lường được sử dụng là độ C cho nhiệt độ và J/kg.độ cho nhiệt dung riêng.
Wi năng lượng hơi thứ bốc ra tại nồi thứ i
Wn năng lượng hơi thứ bốc ra tại nồi cuối cùng
Ei lượng hơi phụ tại nòi thứ i
I hàm nhiệt hơi đốt [J/kg] i’ hàm nhiệt hơi thứ [J/kg]
Qcđ tổn thất nhiệt do nồi cô đặc [J]
Qđ tổn thất nhiệt do nồi đun [J]
Theo định luật bảo toàn của hệ thống ta có:
D1*i1+Gđ*cđ*tđ = Gc*cc*tc+∑Di*cn*tn+0.01*Gc*xc*qcđ+Qđ
Muốn tính lượng hơi thứ, hơi đốt các nồi cần biết
- Lượng hơi phụ sử dụng
- Lượng hơi thứ bốc hơi
- Tổn thất nhiệt ra môi trường
Trong tính toán đơn giản bỏ qua tự bốc hơi và tổn thất nhiệt ra môi trường
Theo định lượng bảo toàn chất tại các nồi
Rút ra lượng hơi thứ cuối
Nếu không dùng hơi phụ E thì lượng hơi đốt cần thiết
Hệ số sử dụng các nồi:
Hệ số truyền nhiệt các nồi:
Hệ số truyền nhiệt từ nồi trước đến nồi sau tuần hoàn tự nhiên giảm khoảng 30% ÷20%
Các thiết bị cô đặc dùng trong công nghệ thực phẩm
Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm
Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo ra hỗn hợp hơi-lỏng với khối lượng riêng giảm, bị đẩy lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi tạo ra ít hơn, làm tăng khối lượng riêng của hỗn hợp hơi-lỏng và bị đẩy xuống dưới Do đó, thiết bị tạo ra chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn càng lớn, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng, đồng thời giảm quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Tốc độ tuần hoàn thường không vượt quá 1,5 m/s Đối với năng suất thiết bị lớn, có thể thay thế ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn.
Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi trong đó có bộ phận tách bọt dùng để tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch.
- Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng
Nguyên tắc làm việc của hệ thống bao gồm việc đưa dung dịch vào phòng đốt 1 liên tục, nơi nó di chuyển qua các ống truyền nhiệt Hơi đốt được đưa vào giữa ống truyền nhiệt và vỏ thiết bị để làm sôi dung dịch Hỗn hợp hơi lỏng sau đó đi qua ống 3 vào phòng bốc hơi 2, tại đây hơi tách ra và đi lên, trong khi dung dịch tiếp tục theo ống tuần hoàn 5 để trộn lẫn với dung dịch mới Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu, một phần sẽ được lấy ra ở đáy phòng bốc để làm sản phẩm, đồng thời dung dịch mới được bổ sung liên tục vào thiết bị.
Do chiều dài ống truyền nhiệt lớn nên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc hơi lớn.
- Ưu điểm: năng suất cao,
- Nhược điểm: Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo.
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang
Nguyên lý làm việc của thiết bị là dung dịch được đưa vào và di chuyển qua ống truyền nhiệt chữ U từ nhánh dưới lên nhánh trên, sau đó trở về phòng bốc ở trạng thái sôi Trong quá trình này, dung môi sẽ tách ra khỏi dung dịch và bay lên qua bộ phận tách giọt, trong khi nồng độ dung dịch tăng dần cho đến khi đạt yêu cầu Cuối cùng, phần dung dịch được tách ra làm sản phẩm, và dung dịch mới sẽ được đưa vào để thực hiện một mẻ mới.
- Ưu điểm: Phòng bốc có thể tách ra khỏ phòng đốt dễ dàng để làm sạch và sửa chữa.
- Nhược điểm: Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp
Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Nguyên tắc làm việc của hệ thống là dung dịch được bơm liên tục vào phòng đốt và di chuyển qua các ống trao đổi nhiệt từ dưới lên phòng bốc Hơi đốt được đưa vào giữa các ống truyền nhiệt và vỏ thiết bị Dung dịch được đun sôi với cường độ cao trong ống truyền nhiệt, sau đó hơi bay lên từ bề mặt thoáng dung dịch ở phòng bốc, đi qua bộ phận tách giọt và vào thiết bị ngưng tụ baromét Dung dịch trở nên đậm đặc hơn và quay lại ống tuần hoàn, nơi nó trộn lẫn với dung dịch đầu trước khi tiếp tục được bơm vào phòng đốt Khi dung dịch đạt nồng độ yêu cầu, một phần sẽ được lấy ra từ đáy phòng bốc làm sản phẩm Tốc độ dung dịch trong ống truyền nhiệt dao động từ 1,5 đến 3,5 m/s, giúp hệ thống có hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3 đến 4 lần, hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ hữu ích thấp.
3 đến 5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉ phụ thuộc vào năng suất của bơm
- Ưu điểm: Năng suất cao cô đặc được những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện.
- Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm.
TỔNG QUAN
Tên đề tài
Người ta sử dụng hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều tuần hoàn tự nhiên để cô đặc dung dịch đường có
áp suất hơi đốt nồi đầu 3at
áp suất chân không trong thiết bị ngưng tụ là 0,8at.
Tổng quan về cô đặc
Cô đặc là phương pháp nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch nhiều cấu tử bằng cách tách một phần dung môi dễ bay hơi hơn Quá trình này thường diễn ra giữa dung dịch lỏng-rắn hoặc lỏng-lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi lớn, thuộc các quá trình vật lý- hóa lý.
2.2 Các phương pháp cô đặc:
Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi khi nhiệt độ tăng, đạt đến điểm mà áp suất riêng phần của nó bằng với áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách ra một cấu tử dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường là kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Quá trình kết tinh này phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài, có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, đôi khi cần sử dụng máy lạnh để hỗ trợ.
2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử, để hình thành hơi từ chất lỏng, tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử gần bề mặt phải lớn hơn tốc độ giới hạn Khi bay hơi, các phân tử thu nhiệt để vượt qua lực liên kết trong trạng thái lỏng và các lực bên ngoài Vì vậy, cần cung cấp nhiệt để các phần tử có đủ năng lượng thực hiện quá trình bay hơi này.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành từ việc cấp nhiệt và chuyển động liên tục, cùng với sự chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử trên bề mặt và dưới đáy, tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi Để ngăn ngừa sự tạo bọt khi cô đặc, việc tách không khí và lắng keo (protit) là rất quan trọng.
2.4 Ứng dụng của cô đặc Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt được nồng độ dung dụng theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh.
Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây…
Sản xuất hóa chất: NaOH,NaCl, các muối vô cơ….
Thiết bị cô đặc
3.1 Phân loại và ứng dụng a) Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép… b) Theo phương pháp thực hiện quá trình:
Cô đặc áp suất thường là một phương pháp sử dụng thiết bị hở, với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi Phương pháp này thường được áp dụng để cô đặc dung dịch liên tục, nhằm duy trì ức dung dịch ổn định, đạt năng suất tối đa và rút ngắn thời gian cô đặc Tuy nhiên, nồng độ dung dịch thu được thường không cao.
Cô đặc áp suất chân không giúp dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn, nhờ vào việc giảm áp suất Quá trình này cho phép dung dịch tuần hoàn hiệu quả, hạn chế việc tạo cặn và duy trì sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc nhiều nồi giúp tiết kiệm hơi đốt hiệu quả, nhưng số lượng nồi không nên quá lớn để tránh giảm hiệu quả tiết kiệm so với chi phí Các phương pháp cô đặc có thể bao gồm cô đặc chân không, cô đặc áp lực, hoặc phối hợp cả hai Đặc biệt, việc sử dụng hơi thứ cho các mục đích khác cũng góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự dộng phát.
Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…
Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu,
Các loại bơm; bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
Thiết bị ngưng tụ Baromet
Thiết bị đo và điều chỉnh.
- Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm gồm:
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị là dung dịch trong ống truyền nhiệt sẽ sôi và tạo thành hỗn hợp hơi – lỏng, làm giảm khối lượng riêng và đẩy lên trên Ngược lại, trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi tạo ra ít hơn, khiến khối lượng riêng của hỗn hợp ở đây lớn hơn và bị đẩy xuống dưới Quá trình tuần hoàn tự nhiên diễn ra liên tục, với dòng chảy từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn cao giúp tăng cường cấp nhiệt cho dung dịch và giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu, van đáy được mở để tháo sản phẩm ra.
Thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ dàng sửa chữa và vệ sinh Hệ thống truyền nhiệt lớn giúp hạn chế tình trạng đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt, phù hợp để cô đặc các dung dịch dễ bị bẩn tắt Ngoài ra, dung dịch tuần hoàn tự nhiên còn giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chính
Được chia làm 3 nhóm sau:
• Tác động nhiễu cho phép ổn định:
• Lưu lượng, nhiệt độ dòng nhập liệu: Gđ, tđ
Áp suất của hơi đốt (Pđ) là yếu tố có thể kiểm soát và định lượng Các thông số cơ bản của dòng nhập liệu như lưu lượng, nồng độ và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và quá trình cô đặc Do đó, việc quản lý hiệu quả dòng lưu lượng nhập liệu là rất quan trọng để đảm bảo kết quả tối ưu trong quy trình sản xuất.
Với lưu lượng 1000kg/h và các yếu tố khác ổn định, quá trình cô đặc diễn ra như dự kiến, đảm bảo chất lượng dòng thành phẩm.
Khi lưu lượng dưới 1000kg/h, quá trình cô đặc diễn ra nhanh chóng nhưng có thể thiếu dung dịch cần thiết cho việc cấp nhiệt của hơi đốt Điều này ảnh hưởng đến sự sôi trong nồi, làm tăng lượng hơi bốc lên và giảm độ chân không, từ đó tác động xấu đến chất lượng sản phẩm Trong trường hợp lưu lượng quá thấp, nguy cơ cháy ống truyền nhiệt và sản phẩm là rất cao, dẫn đến việc quá trình cô đặc không đạt được kết quả như mong muốn.
Khi lưu lượng vượt quá 1000kg/h, lượng nhiệt cần thiết để bốc hơi dung môi sẽ không đủ, dẫn đến nồng độ sản phẩm không đạt yêu cầu Dung dịch chỉ chảy qua dàn ống một lần mà không có tuần hoàn, nên nếu lưu lượng lớn hơn tính toán, nhiệt độ không đủ để đạt nồng độ mong muốn Trong trường hợp xấu nhất, lưu lượng quá lớn sẽ gây ngập trong các ống truyền nhiệt, làm giảm không gian bốc hơi và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình cô đặc.
5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu:
Quá trình cô đặc chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính sôi của dung dịch và nhiệt độ, trong đó nhiệt độ có ảnh hưởng lớn Theo tính toán, khi dòng nhập liệu vào tháp đạt 114,72 o C, sự sôi sẽ xảy ra Mặc dù đã có gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu, thiết bị gia nhiệt cũng là một yếu tố công nghệ quan trọng, ảnh hưởng đến nhiệt độ dòng nhập liệu tại bồn chứa Do không xem xét thiết bị gia nhiệt, ta chỉ tập trung vào nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi ra khỏi thiết bị này.
Nếu nhiệt độ thấp hơn 114,72 °C, dung dịch sẽ không sôi khi vào nồi, dẫn đến việc tiêu tốn nhiệt năng từ hơi đốt Do thiết kế của thiết bị, dung dịch chỉ chảy một lần từ trên xuống, điều này ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng với nồng độ thấp hơn.
Nhiệt độ cao hơn mức cho phép chỉ ảnh hưởng nhẹ đến quá trình cô đặc Trong hệ thống hơi đốt, áp suất là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt, trong khi lưu lượng đốt cũng có tác động nhưng không đáng kể.
5.2 Ảnh hưởng của áp suất:
Áp suất thấp và nhiệt độ hơi đốt thấp sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất truyền nhiệt Khi không đủ nhiệt lượng cung cấp cho dung dịch sôi, nồng độ dung dịch sẽ không đạt yêu cầu Dù có tăng lưu lượng hơi đốt, quá trình truyền nhiệt vẫn không thể được cải thiện, vì động lực của quá trình này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa hai dòng "nóng" và "lạnh".
Áp suất cao trong hệ thống có thể không gây ảnh hưởng nếu ở mức cho phép, nhưng khi vượt quá giới hạn an toàn, nó sẽ tác động tiêu cực đến thiết bị Áp lực cao làm gia tăng độ bền của buồng đốt, dẫn đến nguy cơ hư hỏng thiết bị và thậm chí có thể gây ra cháy nổ nghiêm trọng Do đó, việc kiểm tra áp lực khi sử dụng hơi đốt là cực kỳ quan trọng để ngăn ngừa tai nạn chết người.
5.3 Ảnh hưởng của lượng hơi đốt:
Lưu lượng không ảnh hưởng nhiều đến quá trình, nhưng nếu lưu lượng thấp, sẽ không đủ hơi cấp nhiệt cho dung dịch Ngược lại, lưu lượng cao không gây ảnh hưởng đáng kể, tuy nhiên có thể dẫn đến tổn thất nhiệt và tăng áp lực trong buồng đốt.
Tác động nhiều kiểm soát được nhưng không thể ổn định Ảnh hưởng của nồng độ dòng nhập liệu:
Nồng độ dòng nhập liệu ban đầu là 10 brix, và khi tính toán, nồng độ này được coi là ổn định Do đó, khi đưa vào nồi, quá trình sôi sẽ diễn ra.
Nồng độ nhỏ hơn 10birx: sự sôi vẫn diễn ra (trong khoảng cho phép), nhưng nếu quá nhỏ thì nồng độ sản phẩm sẽ không đạt yêu cầu.
Khi nồng độ vượt quá 10 brix, dòng nhập liệu vào nồi không thể sôi, dẫn đến việc cần thêm nhiệt để nâng nhiệt độ dòng, từ đó mới có thể bắt đầu quá trình cô đặc Điều này không chỉ gây tổn thất nhiệt của hơi đốt mà còn làm tăng nồng độ của dòng sản phẩm.
Tác động không kiểm soát được:
Các thông số này không thể kiểm soát, và khi tính toán, chúng ta chỉ dựa vào kinh nghiệm cùng các công thức thực nghiệm, dẫn đến độ chính xác không cao và không tránh khỏi sai số lớn Hai thông số chính có ảnh hưởng lớn đến quá trình cô đặc cần được xem xét.
Xét thông số nhiệt tổn thất Qtt:
Khi tính toán nhiệt tổn thất ra môi trường, lượng nhiệt mất mát thường ước lượng khoảng 5% so với lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp Tuy nhiên, đây chỉ là con số thực nghiệm và không thể xác định chính xác, vì vậy việc kiểm soát và điều chỉnh nhiệt tổn thất là rất khó khăn Giải pháp khả thi nhất là giảm thiểu nhiệt tổn thất đến mức thấp nhất thông qua các biện pháp cách nhiệt hiệu quả.
Xét hệ số truyền nhiệt K:
Khi thực hiện các phép tính, các thông số từ thực nghiệm thường không đảm bảo độ chính xác Theo thời gian, lớp cáu bẩn tích tụ sẽ làm thay đổi hệ số K, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của hơi đốt và chất lượng sản phẩm cuối cùng Đây là yếu tố mà chúng ta không thể kiểm soát hay điều chỉnh.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
Cân bằng vật chất
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: GD.xD = GC.xC
Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống: Áp dụng công thức: W=∑Wi = Gd (1- X X d c )
Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:
Gọi W1, W2,W3 là hơi thứ của nồi 1,2,3
Giả sử sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ W1:W 2:W3 = 1:1,1:1,2 (1)
Từ (1) và (2) ta suy ra:
Xác định nồng độ dung dịch từng nồi:
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 3:
Cân bằng nhiệt lượng
2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:
Áp suất hơi đốt trong các nồi I, II, III và thiết bị ngưng tụ được ký hiệu lần lượt là P1, P2, P3 và Pnt Cụ thể, áp suất hơi đốt vào nồi I là P1 = 3 at, trong khi áp suất hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ là Pnt = 0,8 at.
ΔP : Hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc: ΔP= P1- Png =3– 0,8 = 2,2at
Gỉả sử sự giảm áp xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ sau:
Gọi Pw1, Pw2, Pw3 ,Pnt áp suất hơi thứ trong các nồi 1,2,3 và thiết bị ngưng tụ : Trong nồi 1: Pw1 = P1 = 3
Trong nồi 2: Pw2 = Pw1 - ΔP1= 3– 0,96 = 2,04at
Trong nồi 3: Pw3 = Pw2 - ΔP2=2,04– 0,71 = 1,33atm
Trong nồi ngưng tụ: Pnt = Pw3 - ∆ P 3 = 1,33 – 0,53= 0.8atm
Gọi thti là nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i, 0 C Áp dụng công thức: thti = hhđi + hsdd
Nhiệt độ hơi thứ nồi trước = nhiệt độ hơi đốt nồi sau + 1 0 C Vậy từ những dữ liệu trên ta có: tht1 =thđ2+1 = 120,23+1 = 121,23 0 C tht2 =thđ3+1 = 111,38+1 = 112,38 0 C tht3 = tnt +1 = 93,52+1 = 94,52 0 C
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Nồi ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ baromet Png = 0,8at →t = 93,52 0 C
2.2 Xác định tổn thất nhiệt trong hệ
2.2.1 Tổn thất do nồng độ
Hiệu suất nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất tại áp suất bất kỳ được gọi là tổn thất nồng độ ∆’ Tổn thất này có thể được xác định thông qua một công thức cụ thể.
∆0’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường. f: hệ số hiệu chỉnh
Với f = 16,2 T r 2 với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho , 0 K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Dựa vào bảng (VI.2/63 –[II] ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ a (% khối lượng)
Bảng:Tổn thất nhiệt do nồng độ
Nồng độ của dung dịch (% kl)
Bảng: Nhiệt hóa hơi mỗi nồi
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Áp suất hơi thứ 1,9854 1,5615 0,8451
2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Theo CT VI.12/60 – [II] ta có:
Có 1at = 9,81 10 4 N/m 2 Đổi công thức theo đơn vị at
– Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
– h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch, chọn h=0,5 cho cả 3 nồi.
– h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi.
– g là gia tốc trọng trường, =9,81 m/s 2
– dds là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3
Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở nhiệt độ 20 0 C. xdd1 = 15,23% => ρdd1 = 1061,90kg/m 3 xdd2 = 21,66% => ρdd2 = 1090,48 kg/m 3 xdd3 = 40% => ρdd3 = 1178,53 kg/m 3
Tương tự, ta có Ptb2 = 1,698at và Ptb3 = 0,992 at
Với Ptbi ta có ttbi là nhiệt độ sôi ứng với Ptbi
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh tăng cao: ∆ i '' = ttbi - thti
2.2.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’):
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là ' '' = 1÷ 1,5 0 C
2.2.4 Tổn thất do toàn bộ hệ thống:
2.3 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi cho từng nồi
thi1= thd1 – ts1 => ts1 = thd1 - thi1 = 133.54 – 11.19 = 122.35 0 C
Hệ số nhiệt hữu ích cho toàn hệ thống:
2.4 Tính nhiệt dung riêng của từng nồi
Công thức tính C với dung dịch loãng có x< 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[I]
Dung dịch đặc có x > 20% nên áp dụng CT I.44/152 – [I]
Với Cht được tính theo công thức I.41/152- [I]
Mct.Cht = nC.CC + nH.CH + nO.CO
Trong đó: Chất hòa tan C12H22O11 có:
M = 342 kg/kmol nC, nH, nO: là số nguyên tử C, H, O trong hợp chất.
CC, CH, CO: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố C, H, O
CC = 7500J/kg.độ CH = 9630J/kg.độ CO 800J/kg.độ
→ Cht = 1/M (nC.CC + nH.CH + nO.CO)
Vậy, với dung dịch đầu, xđ = 12% < 20%, ta có:
Với dung dịch 1, có xdd1 = 15,23 % < 20%
Với dung dịch 2, có xdd2 = 21,66% >20%
Với dung dịch 3, có xdd3 = 40% > 20%
Nồi Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và lượng hơi đốt cần thiết
Nồi 1 Vào Dung dịch đầu mang vào Gđ.Cđ.tđ
Ra Hơi thứ mang ra W1.i1
Dung dịch mang ra (Gđ-W1).C1.t1
Nước ngưng mang ra D1Cn1θ1
Tổn thất nhiệt chung 1 Qtt1=0,05D1I1
Nồi 2 Vào Dung dịch ( ở nồi 1) mang vào (Gđ-W1).C1.t1
Ra Hơi thứ mang ra W2.i2
Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2).C2.t2
Nước ngưng mang ra D2Cn2θ2
Tổn thất nhiệt chung 2 Qtt1=0,05D2I2
Nồi 3 Vào Dung dịch ( ở nồi 2) mang vào (Gđ-W1-W2).C2.t2
Ra Hơi thứ mang ra W3.i3
Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2-W3).C3.t3
Nước ngưng mang ra D3Cn3θ3
Tổn thất nhiệt chung 3 Qtt1=0,05D3I3
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ΣQvào = ΣQra
Nồi W theo CBVC,kg/h W theo CBNL,kg/h
Sơ đồ nguyên lý
- D1,D2,D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1,2,3 (kg/h)
- Gđ,Gc là lượng dung dịch đầu và cuối của hệ thống (kg/h)
- W1,W2,W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1,2,3 (kg/h)
- C1,C2,C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ)
