Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm : Các quá trinh và thiết bị truyền nhiệt part 7 pot

Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với vận tốc rất lớn = 20 m/s kéo theo màng chất lỏng ở bể mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục

nhiệt ống chữ U (hình 3.14) Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhĩ chuyển động từ trái qua phải, còn ở nhánh trên từ phải qua trái Phòng

được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi phòng bốc hơi 4 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

164

nhỏ (3-6°C) vì cường độ tuân hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ

à phụ thuộc vào năng suất của bơm

Ngoài ra, cô đặc

Khuyết điểm của

lại này là tốn năng

lượng để bơm; thường

3.4.5 Thiết bị cô đặc loại mảng

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 7 (hình 3.16)

là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 - 9 m, hơi đốt đi vào phía ngoài

ống, dung dịch vào đáy thii

bị chứa khoảng 2 + 2 chiểu cao ống truyền

nhiệt Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với

vận tốc rất lớn (= 20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở bể mặt ống cùng đi

lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi, nổng độ dung dịch tang lên dẫn đến miệng ống là đạt nổng độ cẩn thiết Thiết bị cô đặc loại

165

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,

bể 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 tối hơi chứ không

phải tới lỏng do đó hiệu quả

truyền nhiệt sẽ giảm đi nhanh

chóng Thường mức chất lồng

thích hợp xác định bằng thực

nghiệm

Loại thiết bị này có ưu

điểm là áp suất thủy tĩnh nhỏ,

huyết điểm của loại này

là khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mức dụ dịch thay đổi, không thích hợp đối với dung địch nhót và dung dịch kết tì

3.4.6 Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng

Thiết bị này gồm phòng đốt 7, phía trên phòng đốt là phòng sôi 2 gần 3m, phần trên phòng sôi đặt những tấm ngăn hình tròn đồng tâm thành những khe hình vành khăn từ phòng sôi hỗn hợp hơi - lỏng đi lê phòng bốc hoi 5, hơi thứ đi lên phía trên ra ngoài: dung dịch còn lại đi xu phòng đốt qua ống tuần hoàn 4: phần kết tình lắng xuống đáy 6 Phòng chỉ có nhiệm vụ đun nóng dung dịch, ở đây dung dịch chưa sôi vì áp ø thủy tĩnh lớn Khi đi vào các tấm ngăn 3, áp suất thủy tĩnh giảm đi, du

dịch sẽ sôi Tác dụng của các tấm ngăn này làm cho quá trình sôi ổn đị

không cản trở sự tuần-hoàn ở khu vực sôi (hình 3.17) 166

- 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 3 m/s) Vì dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên ít bị bám cặn, thích hợp với các dung, dịch đậm đặc, kết tỉnh và dung dịch có độ nhớt lớn

344.7 Thiết bị cô đặc loại rôto

Để cô đặc dung dịch không bền nhiệt hoặc dung dịch có độ nhớt cao, người ta dùng thiết bị loại rôto trực tiếp (hình 3.18) Trong thân thiết bị 1 có

bao hơi 2 và réto quay đ, các cánh 4 lắp vào trục thẳng đứng

167

Dung dịch đầu đưa vào ở 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 Hai thứ

xúc với thiết bị được đun

nóng bởi bao hơi 2 Hơi Dụng dịch

thứ bay ra được đưa lên Ge

phía trên rồi ra ngoài,

Sản phẩm được tháo ra

từ đầy thiết bị Thiết bị

cô đặc loại rôto có ưu

sệt Nhưng có nhược Hình 3.18 Thiết bị cô đặc loại rato:

điểm là cấu tạo và gia 1- thân thiết bị; 2- bao hơi; 3- rôto; 4- cánh

công phức tạp, giá thành cao do cần bộ phận chuyển động quay

3.5 ỨNG DỤNG BƠM NHIỆT TRONG QUA TRINH CO DAC

Trong hệ thống cô đặc nhiều nổi tiêu hao hơi đốt càng giảm khi số nổi

tăng, nhưng tăng số nổi thì phải tăng hiệu số nhiệt độ chung bằng cách tăng

áp suất hơi đốt, hoặc là hiệu số nhiệt độ có ích của mỗi nồi sẽ giảm, làm tăng

bề mặt đun nóng của hệ thống Ngoài ra, trong công nghiệp có nhiều trường hợp không cho phép ta cô đặc nhiều nổi được Ví dụ, cô đặc những chất dễ phân huỷ ở nhiệt độ cao (khi cô đặc nhiều nổi thì nổi đầu thường lam vided nhiệt độ cao) hoặc dung dịch có tổn thất nhiệt độ lớn và hơi đốt chỉ cung cấp được ở điều kiện áp suất thấp

Trong trường hợp đó ta sử dụng hơi thứ bằng cách nén hơi thứ đến áp

suất hơi đốt để đun nóng dung dịch là kinh tế nhất Để nén hơi thứ người tạ

dùng máy nén (máy nén pittông, tuabin hoặc tuye), và chúng được gọi là

168

sơ đổ của thiết bị

đặc kiểu tuye Hơi

áp suất cao P, (hoi

Âm việc) di vao tuye

Nếu coi một đơn vị

hoi lam việc hút được

So sánh hai phương trình (3.38) với phương trình (3.21) trong cô đặc

một nổi ta thấy trong trường hợp này lượng hơi đốt giảm đi (1 + m) lần Hệ

số m gọi là hệ số hút, có thể tính theo công thức sau

trong đó ø= hệ số tính tổn thất chung trong tuye: = 9,995

169

Gday: ø¡= 0,92 - 0,98 - hệ số vận tốc của hơi vào tuye, do vận tốc thực tế

của hơi luôn luôn nhỏ hơn lý thuyết;

= 0,85 ~ 0,90 - hệ số tính tổn thất va đập và ma sát của hơi ở

3 = 0,92 - 0,98 - hệ số vận tốc của hơi khi ra khỏi tuye;

Ai - thứ từ áp suất P, đến P; (Ai =

=1)

Ai' - hiệu số hàm nhiệt khi nén đoạn nhiệt hơi thứ từ áp suất của

“Từ phương trình trên ta thấy Ai' càng tăng thì m giảm, Ai' phụ thuật vào tổn thất nhiệt độ ÈA, tổn thất càng tăng thì Ai“ càng tăng Thực thường ứng dụng bơm nhiệt khi tổn thất nhiệt độ không quá 10 - 12°C

170

Chương 4

QUÁ TRÌNH LẠNH

4.1 LẠNH ĐÔNG

4.1.1 Khái niệm cơ bản

Trong sản xuất hóa chất và thực phẩm nhiều quá trình cần tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn 0°C, do đó, không thể dùng không khí, nước hay nước đá

để làm lạnh, mà cân tiến hành sản xuất lạnh

Quá trình lạnh là quá trình thu nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp rồi truyền cho vật có nhiệt độ cao hơn Vì vậy, cân phải tiêu tốn công bên

ngoai

Ấỹ thuật làm lạnh thường được dùng trong hấp thụ, trong sấy thăng hoa, công nghệ tách khí, bảo quản thực phẩm, điện tử và nhiều lĩnh vực công nghệ khác

Tùy theo nhiệt độ làm lạnh mà người ta chia ra:

+ Làm lạnh ôn độ (lạnh đông), nhiệt độ làm lạnh từ nhiệt độ thường đến

-100°C

* Làm lạnh thâm độ, từ - 100 °C trở xuống

* Làm lạnh dưới - 100 °C được chia ra làm:

~ Kỹ thuật lạnh thâm độ (từ - 100 °C đến - 281 °C),

~ Kỹ thuật băng lạnh thâm độ (từ 40 đến 0,3 °K),

~ Kỹ thuật siêu lạnh thâm độ ( đến 0,00002°K)

4.1.2 Cơ sở nhiệt động của quá trình lạnh

“Theo định luật nhiệt động học, khi trao đổi nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp

171

đến vật có nhiệt độ cao là quá trình giảm entropi 8, nghĩa là nó không tỉ

tự xảy ra Để thực hiện quá trình này cần thiết phải kết hợp với quá tr

làm tăng entropi (tiêu hao công) để bù vào sự giảm 8 Để thu nhiệt từ nị

nhiệt độ thấp truyền nhiệt cho nguồn có nhiệt độ cao hơn cần có chất li

tác nhân lạnh

Trên hình 4.1 biểu diễn sơ đổ nguyên lý của quá trình lạnh:

tác nhân lạnh, nhiệt độ hơi

thay đổi từ 7, đến 7; tiêu hao 72

2-3: Ngung ty dang nhiét T

toả ra môi trường xung quanh

(nước hoặc không kh? một

lượng nhiệt Q Ea

3-4: Giãn đoạn nhiệt lồng

tác nhân lạnh, nhiệt độ cuối là

Tụ, sinh công Lạ Mi ty

4-1: Bay hơi lồng tác nhân

lạnh, thu một lượng nhiệt của

ngưng tụ toả nhiệt cho nguồn nóng, entropi của nguồn sẽ tăng lên (a,

L=L, - L„: công tiêu hao chung của máy lạnh):

(4.1)

Lượng nhiệt Q„ do tác nhân lạnh thu vào từ nguồn lạnh gọi là năng suất

- : lạnh của máy lạnh

172

Trên đổ thị 7 - S (hình rh

42, năng suất lạnh biểu

điển bởi diện tích 7-4-5-6

_Điện tích 2-3-5-6 biểu diễn

long nhiệt khi tác nhân

lạnh ngưng tụ tổa ra cho

Q=Q,+E (4.3) Hình 4.2 Biểu đồ T - S cia qua trinh lan:

LẺ 1-2 - nén đoạn nhiệt, tiêu công Lạ;

Tỷ lệ giữa năng suất lạnh 2-3 - ngưng tụ đẳng nhiệt đẳng áp

Q, và công tiêu hao Ƒ đặc cấp nhiệt Q;

trưng cho hiệu quả làm việc eS Ä 3-4 - giãn đoạn nhiệt, sinh công Lạ;

giảm đi Vì trong làm lạnh ta thường muốn 7„ nhỏ nhưng cũng không thể

giảm 7, quá giới hạn mà điều kiện kỹ thuật qui định, vi 7, giảm thì £ nhỏ

Hệ ý lạnh £ khác với hiệu suất z

Lượng nhiệt tác nhân lạnh thu vào từ nguồn lạnh @, có thể lớn hơn công

tiêu hao L nén e có thể lớn hơn 1, còn hiệu suất Tn› luôn nhỏ hơn 1

4.1.3 Chu trình lý tưởng của máy lạnh nén hơi

Có thể coi chu trình Carno nghịch là chu trình lý tưởng Sơ đồ nguyên lý biểu điển trên hình 4.8

Máy nén í hút hơi ẩm tác nhân lạnh từ thiết bị bay hơi 4 có nhiệt độ 7, `

và áp suất P„„ hơi được nén đến áp suất P và nhiệt độ 7, hơi tác nhân lạnh

173

đi vào thiết bị ngưng tụ 2, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng Sau ngưng tụ, tác nhân lạnh đi vào máy giãn và giãn đến áp suất P„, nhiệt giảm đến 7,, Từ máy giãn, tác nhân lạnh đi vào thiết bị bay hơi 4, ở đây nhân lạnh thu nhiệt của nguồn lạnh để bay hơi 8au thiết bị bay hơi, trình lại hút vào máy nén / và lặp lại từ đầu Thường người ta thay

giãn bằng van tiết lưu như hình 43a Hình 4.3b biểu diễn đổ thị 7:8 củ chủ trình lý tưởng, Khi giãn trong van tiết lưu thì theo đường 3-4”

‡ ch

2 2

a 4

Tag nhân aes tt inh

4.1.4 Chu trình thực của máy lạnh

Chu trình thực khác với chu trình lý tưởng, ngoài việc thay máy gì bằng van tiết lưu còn có các điểm khác sau đây:

Nền hơi tác nhân lạnh không phải ở vùng hơi ẩm (điểm 7) mà nén hơi trạng thái bão hòa (tại điểm 1') (hình 4.4), nén quá nhiệt 7-2” Do đó, t

khi ngưng tụ cần phải làm lạnh hơi quá nhiệt 2-2, ngưng tụ theo đường 2+ Tiếp tục làm quá lạnh đ-3”, giãn qua van tiết lưu 3-4”

174

trong đó: Ä - hiệu suất thể tích;

V, - thể tích do pittông đi qua trong xilanh, mŠ/s;

qy - nang suất lạnh thể tích riêng phan, J/m*:

4= Øii= ig)

ÿ đây: 2 - khối lượng riêng hơi tác nhân lạnh hút vào máy nén, kg/mẺ

175

Đối với máy lạnh kiểu nén hơi, người ta chọn điểu kiện làm việc chuẩn

của nén một bậc là: nhiệt độ bay hơi - 10°C, nhiệt độ ngưng tu 25°C, nhiệt đ quá lạnh của lỏng tác nhân lạnh 1õ °C Khi biết năng suất lạnh ở điều kiện chuẩn Q, có thể xác định @“„ ở điều kiện khác theo công thức sau:

9 _ Aay

trong đó:

4y 4+ - năng suất lạnh thể tích riêng ứng với điều kiện chuẩn và

điều kiện làm việc J/mÏ;

4, 2’ - hiệu suất thể tích ứng với điều kiện chuẩn và điều kiện lài việc;

+ Công suất máy lạnh

Công suất tiêu hao khi má lạnh làm việc được tính theo công thức s:

trong dé: - higu suất chung của máy lạnh, z=rn Mex Neg Moores

‘n,- hiệu suất chỉ thị phụ thuộc tỷ số nén ép pip, cla may nén;

suất cơ khí tính đến sự mất mát đo ma sát;

7Jua; - hiệu suất chuyển động;

r, - hiệu suất động cơ

— Nhiệt độ tới hạn phải lớn để đảm bảo khi ngưng tụ hơi tác nhân lạnh

~ Nhiệt bay hơi lớn, nghĩa là lượng tác nhân lạnh đùng sẽ nhỏ

~ Thể tích hơi riêng phần nhỏ để kích thước máy lạnh nhỏ

+ Ấp suất bay hơi cần phải lớn hon áp suất khí quyển một ít để phát

si ro ri tác nhân lạnh đễ hơn là phát hiện không khí thấm vào máy

ig khí lọt vào làm giảm hệ số truyền nhiệt, tăng áp suất làm việc Trong khí có hơi nước, sẽ đóng băng trên thiết bị bay hơi và tạo thành hợp

it héa hoc hoạt động nguy hiểm

~ Không tạo thành hợp chất với đầu bôi trên máy

- Không cháy nổ, không độc hại, rẻ tiền

15.1 Amoniac

Âmoniac là tác nhân lạnh rất phổ biến cho máy lạnh, loại máy nén iting

NH; có ưu điểm: thể tích hơi nhỏ, nhiệt độ tới hạn lén (ty, = 132,4°C), ap

it làm việc trong thiết bị ngưng tụ không cao quá (9-14 at), áp suất bốc

li không quá thấp, dé phát hiện rò rỉ

Nhược điểm: độc hại, có mùi đặc trưng, ăn mòn đồng và các hợp kim có tổng, có thể tạo với không khí thành hỗn hợp cháy nổ Do đó, phải tuyệt dối tuân theo các chế độ an toàn lao động Amoniae chỉ được dùng cho máy lạnh xáng suất lớn, không dùng cho máy lạnh năng suất nhỏ hoặc tủ lạnh gia inh,

R11: CFCI;; R12: CFCI,; R13: CECI; R21: CHECI,; R29: CHF,Cl

Nhược điểm CFC hoặc HCFC: rất nhẹ, có thể tồn tại trong khí quyển

đến 100 năm Trong thời gian này, chúng tập trung ở tầng bình lưu và bị phân giải bởi ánh sáng Mặt trời, tạo ra chất clorin, chất này phá hủy tầng

on (ozon là dạng oxy có ba nguyên tử) Người ta thấy rằng: một nguyên tử clorin có khả năng phá hủy hàng ngàn phân tử ozon

Tang zon bao vệ hành tinh chúng ta khỏi bị bức xạ tia cực tím Khi

tầng ozon bị mỏng đi thì khả năng ung thư da và đục nhân mắt tăng lên,

177

năng suất cây trồng giảm đi Ở Nam cực, tầng ozon bị phá hủy nghiệ

và ngày càng lan rộng dân lên phía Bắc Theo Nghị định thư Mon

ước sử dụng nhiều CEC, như Mỹ, Nga, Anh, Đức,

xuất chúng Còn các nước sử dụng ít phải loại dân đến năm 2010

4.1.5.8 Hydrocacbon

lanh Đối với tả lạnh gia đình và các máy lạnh thương mại thì ba tác

~ Propan nguyên chất R290

~ lsobutan nguyên chất R600a

~ Hợp chất của propan R290 và isobutan (R290/R600a)

Ung dung:

~ Propan được dùng trong công nghiệp lớn

— lsobutan phản lớn được dùng cho tủ lạnh gia đình, ví dụ, Đức và

Si, trén 90% may lanh gia đình dùng isobutan

— Hợp chất hydrocacbon được dùng cho máy lạnh thương mại

Các loại Hydrocacbon có các ưu điểm sau

— Nhiệt lượng bay hơi lớn hơn CFC, nghĩa là lượng nhiệt thu vào khi nhân lạnh bay hơi sẽ lớn hơn

- Khối lượng riêng của hydrocacbon nhỏ hơn CFC, chỉ bằng 40% so v R12 nap vao may

Nhược điểm cơ bản của hydrocacbon 1a dé gây cháy nổ khi trộn lẫn

không khí và có mỗi nổ, Đối với isobutan giới hạn cháy dưới là 1,85%, R6004, 816i hạn cháy trên là 8,5% R600a Còn đối với hỗn hợp R290/ R600a thì giới hạn dưới là 1,95% (nếu thấp hơn 1,95%, trong không khí thì không đủ nhiên liệu để cháy), giới hạn trên của hỗn hợp là 9,1% Nếu trên nữa thì không đủ

oxy dé phat cháy (tính theo khối lượng là 35g/m° và 165g/m`)

hi tác nhân lạnh hydrocacbon bị rò rỉ, nó không phân tán đều trong không khí mà tích tụ ở độ thấp bên dưới Máy lạnh chạy bằng hydrocacbon cắn phải đặt cách xa các mổi lửa tiém tàng như: công tắc đền, môtơ quạt,

role bộ nén bị hỏ, dây điện nối lỏng v.v Chỗ đặt máy cần thông gió thật tốt

Biểu đổ entanpi - áp suất của isobutan và hợp chất propan và isobutan

được trình bày trên hình 4:5, 4.6,

178