Thiết kế hệ thống sấy thực phầm dựa vào phương pháp bốc hơi

Thiết kế hệ thống sấy thực phầm dựa vào phương pháp bốc hơi

II Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi :

4 Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng 4

5.Thiết bị cô đặc nước ép trái cây màng rơi 8

III Các hệ thống thiết bị bốc hơi:

1 Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ: 9

2 Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị 11

2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều 12 2.2 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều 13

2.3 hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song 14 2.4 Hệ thống thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết 15

bị bốc hơi bổ sung

IV Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 16 1 Hệ thống một thiết bị bốc hơi 2 Hệ thống bốc hơi liên tục 19

V.Các thiết bị bốc hơi; 24

1 Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tựï nhiên 26

2 Thiết bị bốc hơi có buồng đốt ngồi 30

VI Chất lượng thực phẩm: 30

VII Thiết bị bốc hơi trong thực phẩm 32

1 Cân bằng vật chất và cân bằng 32

2 Thiết bị tính tốn thời gian lưu dài 33

3 Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn 34

VIII Thiết bị bốc hơi tiết kiệm năng lượng 38

1 Thiết bị bay hơi liên tục 40

2 Thiết bị cô đặc nén hơi 42

3 Thiết bị cô đđặc có bơm nhiệt 46

4 Phối hợp thẩm thấu ngược\ cô đặc 46

5 Sự khử muối từ nước 46

6 Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải 46

IX Nguyên lý thiết kế: 47 1.Lựa chọn thiết bị bốc hơi 47 2.Lựa chọn vật liệu 48 IX Các thành phần của thiết bị bốc hơi 50

Thân của thiết bị bốc hơi 51

1 Thiết bị thiết bị tách lỏng hơi 53

2 Thiết bị ngưng tu 54ï

3 Hệ thống chân không 55

4 Điều chỉnh thiết bị bốc hơi 56

5 Nguyên cứu thiết bị bốc hơi 56

6 Vấn đề vệ sinh 57

I.GIỚI THIỆU

Sự bay hơi là một quá trình tách rời vật lý, nó lấy đi phần hơi từ dung dịch lỏng hoặc hỗn hợp nhờ sự bốc hơi và nhận được sản phẩm cô đặc của thành phần không bay hơi Đối với thức ăn lỏng, sự bay hơi lấy đi hầu hết nước kết quả là sản phẩm cô đặc có thể được dùng cho những quy trình xa hơn như qua ùtrình sấy

Quá trình bay hơi được sử dụng rộng rãi trong việc cô đặc nước trái cây rau quả, sữa, cà phê trích ly, tinh luyên đường và muối Sự mất đi dung lượng nước làm giảm trọng lượng và

dung tích sản phẩm, giảm chi phí nhà kho và vận chuyển, và cải thiện sự ổn định của sảnphẩm.

Sự bay hơi được taọ ra như là 1 quy trình cơ bản của việc cô đặc thức ăn lỏng, mặc dù 1 vàiphương pháp mới có sự thuận lợi đặc biệt như đóng băng và thẩm thấu ngược

Sự bay hơi được sử dụng như là 1 quá trình tiền cô đặc cho phân lập sữa và cà phê hòa tan,trước khi sấy Hiệu suất của sự bay hơi nước thì cao hơn ( 90% ) so với quá trình sấy (60% )

Kĩ thuật thiết kế dàn bay hơi là dựa trên hiệu quả của sự truyền nhiệt từ môi trường sangsản phẩm lỏng, hiệu quả của sự tách hơi nước và sử dụng nguồn năng lượng Các dữ liệu kĩthuật được cung cấp bởi nhà sản xuất các thiết bị bay hơi

Trong ứng dụng thực phẩm, sự bốc hơi can duy trì chất lượng của sản phẩm, và thiết bị bayhơi phải phù hợp với điều kiện vệ sinh và quy trình sản xuất Dàn bay hơi cũng được sử dụngcho chất thải, giữ lại sản phẩm phụ hữu ích và giảm dòng chất thải ra môi trường

II SỰ TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BỐC HƠI

Một lượng lớn năng lượng nhiệt phải được truyền từ môi trường làm nóng xuyên qua lớpkim loại của thiết bị tới dung dich lỏng Nhu cầu nhệt được quyết định bởi vật liệu và cân bằngnăng lượng quanh mỗi thiết bị bay hơi và trên tồn bộ hệ thống Sự truyền nhiệt giữa bề mặtkim loai và dung dịch là công đoạn quan trọng nhất trong sự bay hơi Do đó điện trở nhiệt củalớp ngăn và môi trường làm nóng được cân nhắc là nhỏ hơn Sự truyền nhiệt trên bề mặt liênquan trưc tiếp tới tính chất vật lý và mô hình dòng chảy của dung dịch

1.Tính chất vật lý:

Tính chất vật lý chất lỏng có tầm quan trọng trực tiếp tới sự bốc hơi, đó là độ nhớt, độ dẫnnhiệt, độ đặc, nhiệt dung riêng, sức căng bề mặt và sự tăng điểm sôi Dữ liệu về độ nhớt và độdẫn điện trong các tài liệu thực phẩm được viết bởi Saravacos và Maroulis ( 2001 ) Tầm quantrọng của tính chất vật lý tới sự bay hơi được viết bởi Chen (1993 )

Sức căng bề mặt của nước là 73 dyn/cm hay 73mJ/m2 (25oC) và nó giảm đáng kể khi thànhphần hữu cơ có mặt trong dung dịch Sức căng bề mặt của dung dịch lỏng thực phẩm thườngthấp hơn (cỡ 30 dyn/c), tùy thuộc vào thành phần chất hoạt động bề mặt hiện hữu

Sự tăng điểm sôi (BPE) gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau và đó là điều không mong muốntrong quá trình bốc hơi Vì vậy nó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn của môi trường nhiệt để tác độngtới cùng một điều kiện phát động Nó đặc biệt cao trong dung dịch cô đặc muối ăn và kiềm

Sự tăng điểm sôi của thực phẩm lỏng là tương đối thấp, và trong hầu hết các trường hợp nóđược bỏ qua trong tính tốn truyền nhiệt Nó trở nên quan trọng trong dung dich đường cô đặc

và những thành phần có phân tử lượng thấp khác Các thành phần có phân tử lượng cao thì bịhòa tan hoặc phân tán trong nước như tinh bột, pectin, protein ảnh hưởng không đáng kể tới sựtăng điểm sôi

Đối với dung dịch đường, như là nước ép trái cây, phương trình thực nghiệm sau có thểđược dùng để ước lượng BPE (Chen và Hernandez, 1997 ):

BPE = 0.33 xp(4X)

Với X là tỉ lệ khối lượng của đường Do đó BPE của nước ép trái cây sẽ tăng trong quátrình bay hơi từ 0.7oC tới 4.4oC.

Tổng nhiệt trở của hệ thống cấp nhiệt được tính:

1/U=1/hs +x/∆ +1/hi +FR (7.3)Với hs và hi tương ứng là hệ số truyền nhiệt ở phần cấp nhiệt và phần bay hơi.x/∆ là nhiệttrở của thành dàn bốc hơi, và FR là lực cản tích lũy Phương trình 7.3 liên quan tới bề mặttruyền nhiệt và được ứng dụng để làm ống đèn với đường kính tương đối lớn 50mm Với ốngđường kính nhỏ nhiệt trở phải được điều chỉnh bởi tỉ số giữa đường kính ngồi và trong

Phần cấp nhiệt được tính tốn để lực cản tích lũy không đáng kể do đó dàn bay hơi dùng hơinước bão hòa và bề mặt kim loại sạch, do đó điện trở của phần cấp nhiệt tương đối thấp vì thếgiá trị lớn hs ứng với hơi nước bão hòa Điện trở thành (x/∆) tương đối thấp vì thế x nhỏ và hệ

số dẫn nhiệt cao đặc trưng cho dàn bay hơi

Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (hi) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độnhớt) và lưu lượng của chất lỏng Nó làm tăng chế độ chảy và nhiệt độ và có thể được ướclượng từ thực nghiệm Hệ số truyền nhiệt trong màng lỏng là đặc biệt quan trọng tới sự tíchlũy hơi,như đã được trình bày trong mục này

3.Sự tích bẩn trong dàn bay hơi:

Tích bẩn là sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt, nó làm giảm sự truyền nhiệt,mức độ bay hơi và có thể phá hủy đặc trưng của sản phẩm Sự tích bẩn là tai hại cho quy trìnhcông nghiệp bởi vì giá thành đầu tư cao, năng lượng thất thốt, chi phí bảo dưỡng và sụt giảmsản phẩm trong khi ngừng cọ rữa

Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vô cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủaprotein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đông đặc

Sự tích bẩn kéo theo sự kích nổ, trao đổi chất và gắn kết với bề mặt cấp nhiệt và tach rờitích lũy chất lỏng.Trong thiết bị cô đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây

ra bởi sự hấp phụ và biến tính của các phân tử sinh học như protein , pectin, tinh bột trên bềmặt truyền nhiệt

Kinh nghiệm tương quan của lực cản tích bẩn tới thời gian vận hành cho những ứng dụng

cụ thể rất hữu ích để xác định chu kì làm sạch tối ưu, bao lâu thì có thể bảo trì hệ thống

Việc sử dụng lực cản hoặc độ nhiễm bẩn chỉ đưa ra giá trị gần đúng cho một thiết bi và sảnphẩm cụ thể Thực tế sẽ chính xác hơn là dùng giá trị tin cậy của hệ số truyền nhiệt chung.Giátrị điển hình của U cho thiết bị bay hơi được thể hiện trong bảng 7-1.

4- Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng.

Sự thốt hơi nước bằng phương pháp màng rơi, màng treo hay kết hợp cả hai phương phápđược sử dụng rộng rãi trong các dàn bốc hơi thực phẩm Bởi vì lợi thế của chúng là quá trìnhđơn giản, chi phí về thiết bị và vận hành thấp Hình 1 phác họa nguyên lý hoạt động của thiết

bị bốc hơi kiểu màng hơi và màng treo

4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi.

Trong thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi, chất lỏng chảy thành màng xuống dọc theo bề mặtbốc hơi ( bên trong vỏ ống hay bản mỏng) bởi trọng lực Trong khi đó nhiệt được truyền xuyênqua tường nhờ hơi nước Hỗn hợp chất lỏng và hơi nước được thốt ra bên dưới của ống ( haybản mỏng) và đi vào trong thiết bị phân riêng lỏng hơi Sau đó tập trung chất chất lỏng bơm rangồi, còn hơi nước chuyển trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ

Trong thiết bị màng rơi, lưu lượng chất lỏng nhỏ nhất trên từng đơn vị chiều dài của bề mặtdẫn hay là “tốc độ dẫn”(; kg/ms) được thu nhận từ thực nghiệm (Minton,1986) ta có phươngtrình

 min = 0.008 ( s3)1/5

Trong đó : : là độ nhớt ( mPa.s)

s : khối lượng riêng của nước

: sức căng bề mặt của chất lỏng ( dyn/cm)

Bảng 1: Một số giá trị đặc trưng của hệ số truyền nhiệt

Dạng thiết bị bốc hơi Thực phẩm dạng lỏng U, W/m 2 K

Màng rơi, dạng ống Nước ép trái cây 12-65o Brix 2000-600

Đối lưu cưỡng bức Xi-rô đường 15-65o Brix 2500-1500

(Số liệu được lấy từ Saravacos và Maroulis (2001))

Hình 1 Biểu đồ về nguyên lý của thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi (a) và màng treo (b)

L: chất lỏng ; V: hơi nước ; S: hơi

Theo cách đó thì lưu lượng nước nhỏ nhất ở 80oC dạng màng dọc bề mặt sẽ là

 min= 0.008(0.356 x 683)1/5 = 0.008 x 10.23 = 0.08 kg/m.sMàng thực phẩm lỏng có thể chảy dạng mỏng hơn so nước tinh khiết (có thể xem là sứccăng bề mặt nhỏ hơn ), tăng hệ số truyền nhiệt

Lưu lượng nhỏ nhất đối với thực phẩm lỏng có sức căng bề mặt là 34 dyn/cm

min=0.008(34/68)3/5 = 0.052 kg/m.s

Hệ số Reynolds của màng rơi được tính bởi phương trình rút gọn ( Perry và Green,1997)

Re = 4/Đối với nước nóng 80oC chảy với lưu lượng nhỏ nhất thì hệ số Reynolds sẽ là

Re = 4 x 0.08/0.356 = 900 , dòng chảy tầng

Hệ số truyền nhiệt cao hơn ( h ) thu được trong chế độ chảy rối khi Re > 2100 Phương

trình thực nghiệm dưới đây có thể được sử dụng để đánh giá hệ số truyền nhiệt của màng nướctrong chế độ chảy rối

Pr = Cp /Khi sử dụng hệ đơn vị SI thì  1/3 có đơn vị là hệ số truyền nhiệt ( W/m2 K)

Sự minh họa sau đây, sự chảy của màng nước tại 80oC trên dọc bề mặt của thiết bị có =0.5 kg/m.s là hỗn loạn : độ nhớt của nước ở 80oC là = 0.356 mPas = 0.000356 Pas

- 1/hs Bề dày của thành ống là x= 3 mm ( 2inch ống, 10 gause), độ dẫn nhiệt của thép không rỉ

là  = 15 W/mK Hơi thứ có hệ số truyền nhiệt có thể giả định là hs= 10 000 W/m2K Tính ra1/hi = 1/2000 -3/15 000 – 1/10 000 và suy ra hi = 5 000 W/m2K (bề mặt sạch)

Phương trình đơn giản đối với màng nước (7.6) lợi tức hệ số truyền nhiệt dưới đây, cho 

= 0.5 kg/m.s : hi = 9 150 x 0.51/3 = 7264 W/m2K Phương trình (7.6) đã tính quá cao hệ sốtruyền nhiệt của nước sôi.Phương trình thực nghiệm tổng quát cũng tính giá trị hệ số truyềnnhiệt cao hơn so với giá trị thực nghiệm, nhưng nó có ích để đánh giá gần đúng các dung dịchkhác Dự đốn hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với độ nhớt mũ 2/3 ( 2/3) hi 1/2/3

Hệ số truyền nhiệt tính tốn được của bề mặt bốc hơi (hi) từ U phụ thuộc nhiều vào hệ sốtruyền nhiệt của hơi (hs) và lực cản tích lũy điều mà khó dự đốn chính xác Vì lý do này, hệ sốtruyền nhiệt thí nghiệm tổng cộng dễ nhận ra trong thực hành

4.2.Thiết bị bốc hơi treo.

Thiết bị bốc hơi treo được tìm thấy trong các ứng dụng ít hơn so với thiết bị dạng màng.Bởi vì thời gian lưu trú của nó dài hơn, nhiệt độ của quá trình và độ chênh lệch áp suất cũngcao hơn Điều đó đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và có thể làm nguy hại đến chất lượngcủa những thực phẩm lỏng nhạy cảm với nhiệt như nước ép trái cây Tuy nhiên, hệ thốngmàng treo lại không đòi hỏi những bộ phân phối đặc biệt, chúng có hiệu suất truyền nhiệt cao

và chúng không bị ngẹt nhiều như những bộ phận trong thiết bị màng rơi

Trong hệ thống màng treo, chất lỏng bắt đầu được đun sôi trong ống, những bong bóng hơinước được sản xuất ra, to dần lên và bốc lên bởi đối lưu tự nhiên Cuối cùng tạo thành dạngmàng trên thành kéo dài đến tận đỉnh của ống, dẫn đến hơi nước tăng nhanh hơn Một lần nữa,hổn hợp chất lỏng và hơi nước được tách chất lỏng Chất lỏng có thể tái sử dụng hay tách khỏichu trình sản xuất, và hơi nước thì được ngưng tụ

Trong dàn bốc hơi kiểu màng treo, chất lỏng được cung cấp vào bên dưới của ống dọc, vànước bốc hơi dần dần cũng như hỗn hợp lỏng hơi được chuyển lên trên Trong điều kiện lýtưởng, bề mặt của thiết bị bốc hơi được bao phủ hồn tồn bởi màng chất lỏng và dòng hơi nướcnhư bong bóng, thể nút hay tầng hơi lỏng Tại đỉnh chia của ống hơi nước với vận tốc nhanh

có thể lôi cuốn theo một ít chất lỏng ở dạng nhỏ giọt làm giảm hệ số truyền nhiệt Bởi vậy, tỉ lệcủa hơi nước trong ống bốc hơi có vai trò quan trọng trong truyền nhiệt

Đại lượng thực nghiệm của sự truyền nhiệt trong nhà máy sản xuất thử thiết bị bốc hơidạng màng treo đưa ra phương trình thực nghiệm có thể áp dụng được (Bourgois andLemaguer,1984,1987):

Nu = 8.5 Re0.2 Pr1/3 S2/3

Trong đó : S : hệ số trượt (là hệ số hơi nước đối với vận tốc chất lỏng trong ống bốc hơi.Những hệ số Re, Nu và Pr được quyết định tại vị trí giữa, sử dụng vận tốc trung bình và giá trịđặc trưng

Những giá trị thực nghiệm với sự cô đặc nước ép trái cây trong các sản phẩm thử vàthiết bị bốc hơi màng treo công nghiệp có hiệu suất truyền nhiệt tổng quát (U) giảm từ 1500W/m2K ( ở dưới 15o Brix ) đến gần 1000 W/m2K ( trên 60o Brix) trong ống cô đặc Vận tốcmàng chất lỏng tại đáy và đỉnh ống cô đặc tương ướng là 1.27 và 1.97 m/s Vận tốc tươngướng của dòng hơi cao hơn rất nhiều (48.4 và 59 m/s)

Bởi vậy đối với màng rơi, sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo màng.Dạng thực phẩm có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước sẽ bao phủ bề mặt truyền nhiệt làm hiệuquả hơn nhiều so với nước tinh khiết, với hệ số truyền nhiệt cao hơn

5 Thiết bị cô đặc nước ép trái cây bằng màng rơi.

Dàn bốc hơi màng rơi được sử dụng rộng rãi tập trung ở nước ép trái cây và số liệu thựcnghiệm của hệ số truyền nhiệt được sử dụng để thiết kế và ước lượng của những bộ phận côngnghiệp Thành phần cấu tạo khác nhau của táo và nho được sử dụng trong đại lượng đo thínghiệm, sử dụng thiết bị bốc hơi thử nghiệm tại xưởng thí nghiệm nông nghiệp ở New York,Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al ,1970) Thiết bị bốc hơi đó có có mộtlớp áo hơi dọc ống, đường kính 50 mm và dài 3.3 m, với bề mặt truyền nhiệt 0.46 m2 Số liệuquá trình bốc hơi đạt được có nhiệt độ sôi và chế độ chảy khác nhau

Hình 2 cho thấy hệ số truyền nhiệt tổng quát (U) của nước ép trái cây đã được làm trongtăng từ 1300 đến 2000 W/m2K, và nhiệt độ sôi cũng tăng 20 đến 100oC Giá trị tăng của U đạtđược bởi sự giảm vận tốc của dịch nước ép ở nhiệt độ cao Những dịch ép trong là chất lưuNewton và năng lượng hoạt hóa của dòng chảy tăng đột ngột ở độ cô đặc cao hơn( 50kJ/moltại 60o Brix (Saravacos, 1970, Saravacos and Maroulis,2001)

Hình 2: Sự tăng hệ số truyền nhiệt tổng (U) của nước nho đã lọc với nhiệt độ sôi.

Số liệu từ Saravacos et al (1970)

Hệ số truyền nhiệt tổng giảm đáng kể khi nước ép bị cô đặc ( hình 7-3) Bởi vậy, giá trị Ucủa nước nho đã được lọc giảm từ 1900 đến gần 1200 W/m2K khi mà độ Brix có giá trị tăng từ

20 đến 65o Brix Giá trị U thấp đạt được khi cô đặc nước nho chưa được lọc, 1350 đến 650 W/

m2K Sự giảm đáng kể trong chế độ truyền nhiệt là hiển nhiên bởi vì tích tụ bẩn trên bề mặtbốc hơi với các phần tử và bộ phận hữu cơ, những chất kết tủa tích tụ lại Nên chú ý đến sự côđặc dịch ép chưa lọc nên dùng ở 60o Brix, bởi vì những điều đó ảnh hưởng đến hiệu quả củaquá trình

Hệ số truyền nhiệt đạt được với dịch nước táo có lọc và không qua lọc là tương tự nhau.(Hình 4) Dịch táo cho hệ số U có giá trị giữa 2000 và 1150 W/m2K trong giới hạn 10 đến 65o

Brix, trong khi đó dịch nước không lọc có giá trị giữa 1480 và 740 W/m2K trong khoảng từ 10đến 60o Brix ( Saravacos et al.,1970) Depectinization ( bỏ qua xử lý những pectin keo tụ bằngthủy phân bằng enzyme và lọc ) thường được dùng trong sản xuất ra nước táo cô đặc

III-CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI:

1 Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ

Hệ thống cô loại này được thể hiện ở hình 3 , nó gồm có thiết bị cô chân không, thiết bịngưng tụ hơi thứ dạng tháp có ống thủy lực bơm chân không Thiết bị cô chân không gồm cóhai phần: phần đáy gọi là buồng đốt, nó là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi hơi đốt là hơi nướcnóng từ nồi hơi hoặc từ thiết bị cô áp suất dư với dung dịch dang cô Thiết bị trao đổi nhiệttrong trường hợp này thường là loại ống chùm có vỏ bọc hoặc nối hai vỏ( năng suất thấp).phần trên là không gian bọt và phân ly hơi thứ khỏi dung dịch đang bốc hơi

Do hơi thứ có nhiệt độ thấp (vì áp suất chân không) nên không sử dụng thành nguồn nhiệt

mà phải đem ngưng tụ thành thể lỏng trong tháp ngưng tụ trực tiếp nhằm tránh tiêu tốn điệnnăng cho bơm chân không Bơm chân không chỉ phải hút không khí không ngưng, chủ yếu làkhông khí lẫn trong dung dịch hoặc chui vào hệ thống qua các mối ghép hở

n.t h.d

sp

n.n

n 2

1

3 K

Hình 3 Sơ đồ hệ thống cô chân không :1- thiết bị cô chân không ;2- tháp ngưng tụ hơi thứ; 3- bơm chân không ;nl-nguyên liệu làdung dịch có nông độ thấp ;sp- sản phẩm là dung dịch có nồng độ cao; hd- hơi đốt ; nn- nước

ngưng; ht- hơi thứ;n- nước mát; K- khí không ngưng

Chiều cao ống thủy lực dưới tháp ngưng tùy thuộc áp suất chân không trong hệ thống

Cô chân không được áp rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong côngnghiệp chê biến các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm và y học Do nhiệt bốc hơi thấp nênkhông làm cháy, gây sẫm màu, mất màu đặc trưng, tổn thất vitatmin, cho sản phẩm chất lượngcao Nhiệt bốc hơi thấp làm cho hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch tăng dẫnđến cường độ truyền nhiệt lớn nhiệt độ bốc hơi thấp cho phép ta sử dụng hơi thứ của quá trình

cô áp suất dư hay nguồn nhiệt thải của quá trình sản xuất nào đó gần kề: tổn thất nhiệt ra môitrường xung quanh ít

Hình 4 biểu diễn hệ thống thiết bị cô chân không với thiết bị ngưng tụ hơi thứ là loại ốngchùm có vỏ bọc nguyên lý hoạt động của thiết bị này cũng giống như ở hình 3 Điểm khác làhơi thứ ngưng tụ và nước làm mát không trộn lẫn vào nhau Hơi thứ ngưng tụ thành thể lỏng

và khí không ngừng chảy vào bình chứa, sau đó khí không ngừng được bơm chân không hút

và đẩy ra ngồi Trường hợp này hơi thứ là sản phẩm không ngừng chảy vào hai bình số 3 Bình

số 4 dùng duy trì áp suất chân không nhằm tránh va đập thủy tĩnh cho bơm chân không

Nói chung hệ thống một thiết bị bốc hơi năng suất thấp, hiệu quả nhiệt không cao, chỉ phùhợp với sản xuất nhỏ Để làm bay hơi 1Kg hơi thứ cần từ 1.05 đến 1Kg hơi đốt

2

Hình 4 sơ đồ hệ thống một thiết bị bốc hơi chân khơng với thiết bị ngưng tụ ống chùm1-thiết bị bốc hơi; 2- thiết bị ngưng tụ; 3-bình chứa; 4- bình chứa khí khơng ngưng ở ápsuất chân khơng; 5- bơm chân khơng; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ; tp- thành

phẩm; n-nước mát; k- khí khơng ngưng

2.Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị làm việc theo nguyên tắc cơ bản là: hơi đốt sạch ( hơi nướcnĩng lấy từ nồi hơi) được cấp cho thiết bị bốc hơi thứ nhất, sau khi cấp nhiệt, nĩ ngưng lạithành nước ngưng xả ra ngồi Hơi thứ của thiết bị thứ nhất sẽ được sử dụng làm hơi đốt chothiết bị bốc hơi thứ hai, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ hai lại là hơi đốt của thiết bị thứ ba v.v.Đương nhiên do tổn thất nhiệt độ nên nhiệt độ bốc hơi của các thiết bị phía sau thấp hơn thiết

bị phía trước Đồng thời áp suất của hơi thứ trong thiết bị phía sau thấp hơn áp suất hơi thứtrong thiết bị phía trước Aùp suất hơi thứ của thiết bị cuối cùng cĩ thể thấp hơn áp suất khíquyển (áp suất chân khơng)

Số thiết bị bốc hơi trong một hệ thống cĩ thể là hai, ba, bốn, năm,… hoặc tối đa là mười.Nhờ cách đấu nhiều thiết bị bốc hơi liên tiếp như vậy mà ta đã tiết kiệm được năng lượng mộtcách đáng kể Để làm bay hơi 1 kg hơi nước từ dung dịch với hệ thống hai thiết bị thì chỉ cần0,57 kg hơi đốt sạch; với ba thiết bị là 0,4 kg; bốn thiết bị là 0,3 kg; năm thiết bị là 0,27 kg.Sau đây là một số hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều

Đây là hệ thống bốc hơi được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hốchất, xem hình 5 Nguyên tắc làm việc của hệ thống này là chuyển động của dòng hơi đốt vàdung dịch cần cô (dung dịch bốc hơi nhằm nâng cao nồng độ) là dòng cùng chiều

9 10 K

Hình 5 Sơ đồ hệ thống ba thiết ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều:

1- bồn chứa dung dịch ban đầu; 2- thùng chứa cao; 3- thiết bị đo lưu lượng; 2’- bơm; bơm; 5- thiết bị gia nhiệt; 6,7,8- thiết bị bốc hơi thứ nhất, thứ hai, thứ ba; 9- thiết bị ngưng tự

4-có ống thuỷ lực; 10- thiết bị phân ly lỏng khỏi khí không ngưng; 11- thùng chứa sản phẩm; các ống xả nước ngưng; 13- ống thủy lực; 14- ống xả khí không ngưng cho buồng đốt có ápsuất thấp hơn áp suất khí quyển; 15- bơm tháo sản phẩm; h.d- hơi đốt sạch; n.n- nước ngưng;

12-k- khí không ngưng

Dung dịch ban đầu chứa ở bồn số 1 rồi được bơm 2’ bơm lên thùng cao vị 2, có ống chảytrào về bồn 1 Thùng cao vị có tác dụng ổn định áp lực dòng chảy Nếu trở lực của thiết bị gianhiệt 5 không lớn thì không cần bơm 4 Trước khi chảy vào thiết bị bốc hơi 6 thì dung dịch đãđược làm nóng bằng hơi thứ của chính thiết bị số 6; mức độ nâng nhiệt tuỳ thuộc vào lươnghơi thứ và thiết bị gia nhiệt Hơi đốt sạch được cấp vào buồng đốt thiết bị số 6 Hơi thứ củathiết bị số 6 được chia được chia thành 2 phần, một phần làm hơi đốt cho thiết bị gia nhiệt,

phần cịn lại làm hơi đốt cho thiết bị bốc hơi thứ hai là số 7 Dung dịch đã được cơ ở thiết bị số

6 sẽ tự chảy sang thiết bị số 7 rồi số 8 nhờ chênh lệch áp suất Hơi thứ của thiết bị số 7 là hơiđốt của thiết bị số 8 Hơi thứ của thiết bị số 8 được đưa sang ngưng tụ tại thiết bị số 9 Aùpsuất của hơi thứ trong thiết bị số 8 là áp suất chân khơng, nên nhiệt độ bốc hơi là thấp nhất.Dung dịch đạt nồng độ yêu cầu sẽ được bơm 15 đưa sang thùng chứa sản phẩm 11 Khí khơngngưng được bơm chân khơng (trong hình khơng thể hiện) hút và xả ra ngồi

Ưu điểm chính của hệ thống dịng cùng chiều là khơng cần dùng bơm vận chuyển dungdịch từ thiết bị bốc hơi này sang thiết bị bốc hơi phía sau Nhược điểm của nĩ là làm tăngmạnh độ nhớt do nồng độ tăng dần mà nhiệt độ lại giảm dần, nên cường độ truyền nhiệt trongcác buồng đốt giảm đi

2.2 Hệ thống bốc hơi dịng ngược chiều

Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dịng ngược chiều được thể hiện ở hình 6 Hơi đốt đitheo chiều từ thiết bị đầu đến thiết bị cuối cịn dung dịch lại vào thiết bị cuối và ra ở thiết bịđầu nhớ bơm Nhiệt độ và nồng độ của dung dịch tăng dần nên hiệu quả truyền nhiệt ở cácbuồng đốt tốt hơn Nước ngưng cũng được xả ra ngồi nhờ thiết bị xả nước ngưng (trên hìnhkhơng thể hiện)

Hệ thống bốc hơi dịng ngược chiều cĩ ưu điểm là cường độ truyền nhiệt của các buồng đốtgần như nhau và ở mức cao mặc dù nồng độ dung dịch tăng dần Nhược điểm là phải chi phínăng lượng cho bơm vận chuyển dung dịch, hệ thống phức tạp hơn

Hệ thống kiểu này thường được dùng để cơ dung dịch tăng nhanh độ nhớt khi nồng độtăng

sp h.d

K 4

Hình 6 Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều:

1,2,3- các thiết bị bốc hơi; 4- thiết bị ngưng tụ có ống thủy lực; h.d- hơi đốt sạch; n.n- nướcngưng; B- bơm; K- không khí ngưng; ht1, ht2, ht3- hơi thứ của từng thiết bị; n.l- dung dịch

nguyên liệu; sp- thùng chứa sản phẩm (dung dịch cuối)

2.3 Hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song

Đặc điểm chính của hệ thống này là dung dịch ban đầu được cấp cho tất cả các thiết bị, hơiđốt sạch được cấp cho thiết bị thứ nhất, hơi thứ của thiết bị đầu là hơi đốt cảu thiết bị tiếp theo.Hơi thứ của thiết bị cuối cùng được ngưng tự hồn tồn trong thiết bị ngưng tụ có ống thủy lực.Khi nào nồng độ dung dịch trong từng thiết bị đạt giá trị theo yêu cầu thì được tháo vào thùngsản phẩm (xem hình 7) Hệ thống này được dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt rất cao

và kết tinh, chúng rất khó chảy thậm chí tác làm tắc ống dẫn nếu cho chảy chuyển từ thiết bịtrước sang thiết bị sau

sp h.d

K 4

d

n

Hình 7 Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi làm việc song song:

1,2,3- các thiết bị bốc hơi; d- dung dịch ban đầu; h.d- hơi đốt; ht1- hơi thứ của thiết bị thứnhất cũng đồng thời là hơi thứ của thiết bị thứ hai; ht2- hơi thứ của thiết bị thư hai đồng thời làhơi đốt của thiết bị thứ ba; ht3 hơi thứ của thiết bị cuối cùng; sp- thùng chứa sản phẩm; n-

nước; n.n- nước ngưng; k- không khí ngưng

2.4 Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết bị bốc hơi bổ sung

Hệ thống này được áp dụng khi nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị cuối đã quá thấp màdung dịch vẫn chưa đạt nồng độ mong muốn Khi ấy, ta lắp thêm thiết bị bốc hơi sử dụng hơiđốt có nhiệt độ cao (hơi đốt sạch) để cô tiếp dung dịch đến nồng độ mong muốn Thiết bị lắp

thêm gọi là thiết bị bổ sung Hơi thứ của thiết bị cuối và của thiết bị bổ sung đều đượv ngưng

tụ trong tháp ngưng, sản phẩm lấy ra ở thiết bị bổ sung, xem hình 8

K n

b.s

n.n

h.d h.d

sp

Hình 8 Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thiết bị bổ sung:

1,2,3, bs- các thiết bị bốc hơi; h.d- hơi đốt sạch; d- dung dịch ban đầu; n- nước; n.n- nướcngưng; NT- tháp ngưng tụ hơi thứ; K- không khí ngưng; sp- thùng chứa sản phẩm

IV-TÍNH THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG BỐC HƠI

4 Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi

Mục đích chính của việc thiết kế một hệ thống bốc hơi là xác định khối lượng nước bốc hơi (hơi thứ),

số lượng và bề mặt truyền nhiệt, nhiệt lượng (thường là hơi nước nóng) cần cung cấp cho quá trình bốc hơi Hơi nước cần dùng để cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi được gọi là hơi đốt

Các số liệu ban đầu được dùng để tính tốn là : loại dung dịch cần cô đặc ; khối lượng, nhiệt độ, áp suất, nồng độ đầu và cuối của quá trình cô ; lượng hơi thứ dùng làm hơi đốt ; áp suất trong thiết bị ngưng v.v Cơ sở tính tốn là các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt của các thiết bị bốc hơi Số lượng thiết bị bốc hơi trong hệ thống được xác địng trên cơ sở tính tốn các kinh tế kỹ thuật Bề mặt truyền nhiệt của từng thiết bị bốc hơi được tính tốn thiết kế giống như các thiết bị trao đổi nhiệt đã

đề cập ở phần đầu

4-1 Hệ thống một thiết bị bốc hơi

Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của thiết bị bốc hơi được thể hiện ở hình III-8 Để tính được lượng hơi thứ bốc lên từ dung dịch cần cô ta dựa vào phương trình cân bằng khối lượng của dung dịch (gồm dung môi và chất hòa tan) hoặc của riêng chất hòa tan Nếu coi tổn thất vật chất bằng không thì các phương trình cân bằng vật chất sẽ là :

Với dung dịch ta có :

Gđ = Gc + W (III-1)

Với riêng chất hòa tan sẽ là :

Gđ.xđ = Gc.xc (III-2) trong đó : Gđ, Gv - khối lượng dung dịch đầu , cuối quá trình bốc hơi ;

W- khối lượng hơi thứ ;

xđ ,xc - nồng độ đầu, cuối của dung dịch

Từ hai phương trình (III-1) và (III-2) ta dễ dàng thu được phương trình sau đây :

W = Gđ .( 1 – ) (III-3)

Chia 2 vế của phương trình trên cho Gđ ta có lượng nước bay hơi riêng là ω :

ω = = 1 - (III-4)

phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị bốc hơi ở hình (III-8) là : (bỏ qua nhiệt độ khử nước)

D.ihđ + Gđ.Cđ.tđ = Gc.Cc.tc + W.iht + D.inn + QT (III-5)

Từ đó ta dễ dàng tìm được lượng hơi đốt cần cấp cho quá trình cô là D:

Trong đó : Cđ , Cc – nhiệt dung riêng của dung dịch vào, ra khỏi thiết bị ;

tđ , tc - nhiệt độ đầu, cuối của dung dịch ;

iht , inn - entapi của hơi đốt, nước ngưng ;

QT - tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị bốc hơi ra môi trường xung quanh

Nếu chấp nhận sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nông độ là tuyến tính thì :

Nhiệt lượng Q để dùng thiết kế buồng đốt như là thiết bị trao đổi trao đổi nhiệt giữa nguồn cấp nhiệt

và dung dịch trong quá trình bốc hơi Đối với thiết bị bốc hơi có công suất vừa và lớn thì buồng đốt thường là loại ống chùm lắp trong hay ngồi buồng bốc hơi Nguồn cung cấp nhiệt là hơi nước bão hòa.Khi quá trình bốc hơi được tiến hành theo mẻ mang tính gián đoạn hay chu kỳ, ta cần tính thời gian cho mỗi mẻ là τ :

τ = τ1 + τ2 (III-11)

trong đó : τ1 – là thời gian cần để làm nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ bắt đầu sôi ;

τ2 - thời gian bốc hơi ( thời gian cô đặc ) từ nồng độ đầu đến nồng độ cuối của dung dịch

Do quá trình truyền nhiệt là không ổn định nên thời gian τ1 và τ2 được tính như sau :

1 1

.ln

trong đó : Q1 – nhiệt lượng nung nóng dung dịch từ tđ đến tsl ;

F – bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt ;

K1 – hệ số truyền nhiệt trong quá trình làm nóng dung dịch ;

thđ – nhiệt độ của hơi đốt (hơi nước bão hòa ) ;

tđ – nhiệt độ đầu của dung dịch ;

tsl – nhiệt độ lúc bắt đầu sôi (nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với nồng độ đầu) ;

∆t1 – hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch

Để xác định τ2 ta dựa vào phương trình vi phân của dòng nhiệt truyền qua bề mặt truyền nhiệt

t – nhiệt độ sôi của dung dịch, nó thay đổi theo nồng độ dung dịch

Giải tích phân trên bằng giải tích khó bởi vì cần phải biết sự phụ thuộc của Q, K2, t vào nồng độ dung dịch Thay vào đó, ta giải tích phân trên bằng phương pháp đồ thị Trên trục tung của hệ trục tọa độ vuông góc ta đặt giá trị

2

1(hd )

K t  t trên trục hồnh là giá trị Q ứng với các nồng độ dung dịch thay đồi

từ xđ đến xc Với mỗi giá trị nồng độ của dung dịch ta thu được một điểm trên đường cong tích phân Diện tích nằm dưới đường cong là giá trị của tích phân

Giá trị của Q được tính phụ thuộc vào việc bốc hơi với mức dung dịch thay đổi (cạn dần ) hay không thay đổi (vừa bốc hơi vừa nạp dung dịch đầu )

Khi mức dung dịch thay đổi trong quá trình bốc hơi, thì Q được tính như sau (không kể lượng nhiệt đốt nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến lúc sôi )

Q = Gđ.Cđ.( tc – tsl) + W.( iht - Cn.tc ) + QT (III-14)

Khi bốc hơi không thay đổi mức dung dịch :

Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi không thay đổi mức dung dịch là dQ ứng với lượng dung dịch bổ sung là dV, bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường, được tính như sau :

dQ = iht.dW + W.d(c.t.ρ ) - Cđ.tđ ρđ.dV (III-15)

trong đó : ρđ – khối lượng riêng của dung dịch mới nạp (nồng độ đầu của dung dịch ) ;

ρ – khối lượng riêng tức thời của dung dịch ;

C – nhiệt lượng riêng tức thời của dung dịch ;

t – nhiệt độ tức thời của dung dịch ;

dW – khối lượng hơi nước bốc hơi ( hơi thứ ) ứng với lượng dung dịch nạp thêm dV ;

V – thể tích dung dịch trong thiết bị bốc hơi ;

ht d

ρ, t, c – khối lượng riêng, nhiệt độ, nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồng độ x

Thể tích của dung dịch được xác định theo khối lượng sản phẩm :

c

c

G V



 (III-22)Trong đó : Gc – khối lượng sản phẩm ;

Ρc ρc – khối lượng riêng của sản phẩm (khối lượng riêng của dung dịch khi nồng độ đạt đến giá trị cuối là xc )

Khối lượng dung dịch ban đầu nạp vào thiết bị là Gđ được tính như sau :

Qđ = ρđ.V (III-23)

Từ lúc bắt đầu đốt nóng đến lúc dung dịch bắt đầu sôi thì khối lượng dung dịch không thay đổi :

Qđ = Qsl = ρsl.V (III-24)

Trong đó : Gsl – khối lượng dung dịch lúc bắt đầu sôi ;

ρsl – khối lượng riêng dung dịch lúc bắt đầu sôi

Đối với dung dịch nước gần giống nhau, ta có thể lấy Csl = Cđ Ngồi ra nếu nhiệt độ đầu và nhiệt độ lúcbắt đầu sôi gần nhau thì ρsl ~ ρđ.

Với các thiết bị bốc hơi có thiết bị truyền nhiệt như nhau, dùng cô một loại dung dịch, sau mỗi chu kì (mỗi mẻ ) có năng suất sản phẩm như nhau thì phương pháp bốc hơi với thể tích dung dich thay đổi (giảm dần ) thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn so với phương pháp bốc hơi

có thể tích dung dịch không đổi Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp bốc hơi với thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch không đổi Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp thể tích thay đổi sẽ dài hơn

4.2 Hệ thống bốc hơi liên tục

Hệ thống bốc hơi liên tục được áp dụng để cô đặc liên tục một dung dịch nào đó, vì vậy nócòn có tên gọi là hệ thống cô liên tục Trong hệ thống này có nhiều thiết bị bốc hơi, nó có thểlàm việc theo nguyên tắc dòng cùng chiều, ngược chiều, hỗn hợp, v.v

Khi tính thiết kế hệ thống bốc hơi liên tục, ta căn cứ vào nồng độ đầu và cuối của dungdịch, năng suất, tính chất hóa lý, nhiệt lý…nhằm thiết lập hệ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt,xác định lượng nước bốc hơi cho từng thiết bị, hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dungdịch, tổn thất nhiệt, số lượng thiết bị tối ưu trong hệ thống

4.2.1 Cân bằng hệ vật chất cho hệ thống bốc hơi liên tục

Nếu dùng phương trình cân bằng vật chất để tính lượng nước đã bốc hơi cho cả hệthống thì nó cũng giống như khi tính cho hệ thống một thiết bị bốc hơi Do hệ thống liên tục có

nhiều thiết bị bốc hơi, mỗi thiết bị có nhiệm vụ cô đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùngphương trình cân bằng vật chất đối với từng thiết bị một.

Ta gọi W1, W2, W3… Wn là lượng nước bốc hơi và G1, G2, G3….Gn là khối lượng dungdịch đi ra từ thiết bị số 1, 2, 3… n Đối với hệ thống bốc hơi liên tục, dòng cùng chiều cóphương trình cân bằng vật chất cho thiết bị thứ nhất như sau: (bỏ qua tổn thất vật chất)

Gđ.xđ = G1.x1

Trong đó : Gđ , xđ – là khối lượng, nồng độ của dung dịch cấp vào thiết bị thứ nhất

x1 - nồng độ dung dịch từ thiết bị bốc hơi thứ nhất đi ra

Từ hai phương trình trên ta dễ dàng tìm được x1 :

d

i i

x x

  (30)Đối vơi hệ thống bốc hơi liên tục dòng ngược chiều thì dung dịch ban đầu đi vào thiết bị thứ n ( cuối cùng) và sản phẩm đi ra từ thiết bị thứ nhất Từ đó ta có các phương trình sau:

4.2.2 Khối lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị

Trong hệ thống bốc hơi liên tục thì việc tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị đượctiến hành đồng thời với việc tính lượng hơi đốt cần cấp cho tồn bộ hệ thống và hơi đốt cho mỗithiết bị, mà hơi đốt của thiết bị sau lại là hơi thứ của thiết bị trước

Có nhiều phương pháp tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị nhưng kết quả đều làgần đúng Bởi vì khi tính lượng nước bốc hơi gắn liền với quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt qua

bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt sang cho dung dịch đang bốc hơi với nồng độ tăng dần làquá trình không ổn định Ngồi ra còn phải tính nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh,

mà muốn tính nó ta phải có kích thước của thiết bị Kích thước thiết bị chỉ có được sau khi tínhcông nghệ thiết bị, tính bền Để thuận tiện cho quá trình tính tốn ta có thể lấy tổn thất nhiệt ramôi trường chung quanh qua vỏ thiết bị đã được bọc cách nhiệt vào khoảng từ 1% - 3% côngsuất nhiệt của thiết bị

Có 3 phương phán tính được áp dụng phổ biến nhất là: phương pháp đơn giản, phươngpháp chung, phương pháp chung có tính đến nhiệt tiêu tốn do tăng nồng độ dung dịch

Phương pháp đơn giản

i Gi

Wi-1

Ei-1 Di

Wi

Ei Di+1

i-1 Gi-1 Gi-2

Di-1

Hình 10 Hệ thống bốc hơi liên tục:

i-1; i- là thiết bị thứ i-1; và thứ iPhương pháp này không phụ thuộc vào chiều chuyển động của dung dịch và hơi đốt Nóđược dùng để tính gần đúng lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị và phân tích các yếu tố ảnhhưởng đến quá trình làm việc của tồn hệ thống bốc hơi Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi nhưhình 9 thì quá trình tính tốn như sau:

Theo phương pháp đơn giản thì có 1kg hơi đốt cấp cho thiết bị sẽ thu được 1kg hơi thứ đi

ra từ thiết bị sấy Chẳng hạn với thiết bị thứ i ở hình trên ta có:

Wi = Di = Wi-1 – Ei-1 (32)Trong đó :

Di , Wi – là hơi đốt, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ i

Ei – Phần hơi thứ của thiết bị thứ I không dùng làm hơi đốt cho thiết bị thứ i+1

Tương tự với hệ thống bốc hơi có n thiết bị, thì lượng nước bốc hơi (hơi thứ) trong từng thiết bị từ thứ 1,2,3….n sẽ là:

Cộng tất cả lượng hơi thứ của các thiết bị ta có lượng hơi nước đã bốc hơi khỏi dung dịch

đi qua hệ thống bốc hơi liên tục là W:

4-2-3.Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống bốc hơi liên tục:

Do có tổn thất nhiệt độ, mà nhiệt độ hơi thứ của thiết bị trước trong buồng đốt của thiết bị sau thấp hơn nhiệt độ hơi đốt trong của buồng đốt thiết bị trước Có ba loại tổn thất nhiệt độ được thể hiện ở điều kiện sau:

∆1 = ∆11+∆21+∆31 (36)Trong đó:

∆1 là tổn thất nhiệt độ do bản chất của dung dịch, nó đúng bằng hiệu nhiệt độ giữa nhiệt

độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất ở cùng chế độ áp suất

Giá trị của ∆11 phụ thuộc vào loại chất hòa tan, loại dung môi, nồng độ dung dịch và áp suất.Có thể tính gần đúng ∆11 theo công thức sau đây:

∆11=∆1a.0,01621T2/r (37)

Trong đó:

∆1a là tổn thất nhiệt độ ở diều kiện áp suất bằng áp suất khí quyển, tra bảng;

T,r – nhiệt độ sôi tuyệt đối, nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất;

∆21- là tổn thất nhiệt độ do trở lực của lớp dung dịch

Giá trị của ∆21 phụ thuộc vào chiều cao của lớp dung dịch từ bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt đến mặt thống Nhiệt độ bốc hơi ở bề mặt thấp hơn nhiệt độ của lớp dưới khoảng 3-

Đối với hệ thống một thiết bị bốc hơi thì ∆tc được tính như sau:

Trong đó:th.d,tht- nhiệt độ của hơi đốt đang tụ trong buồng đốt, nhiệt độ của hơi thứ

Đối với hệ thống có nhiều thiết bị bốc hơi liên tục thì:

Trong đó th.d1 – nhiệt độ hơi đốt của thiết bị thứ nhất;

tN- nhiệt độ hơi đang nhưng tụ trong tháp ngưng tụ lắp sau thiết bị bốc hơi cuối cùng

Hiệu nhiệt độ hữu ích chung của hệ thống bốc hơi liên tục được kí hiệu là ∆t:

∆t=∆tc-∆i=( th.d1-tN) -∆i (41)

Để tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt trong từng thiết bị thì phải phân bố ∆t như sau:

Trong đó: ∆t1,∆t2 ….∆tn – là hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và hơi thứ trong thiết bị thứ nhất … thứ n.

Các giá trị của ∆t1, ∆t2 …∆tn có thể tính theo các điều kiện sau đây sao cho:

-Nhiệt độ hơi thứ của từng thiết bị( trừ thiết bị cuối cùng) đủ cao để làm hơi đốt cho thiết bị

kế tiếp

-Bề mặt truyền nhiệt của tất cả các buồng đốt trong các thiết bị bốc hơi là bằng nhau

-Tổng bề mặt truyền nhiệt của tất cả các buồng đốt là nhỏ nhất

-Bề mặt truyền nhiệt của các buồng đốt là bằng nhau và tổng của chúng là nhỏ nhất

Đối với trường hợp thứ nhất thì các giá trị ∆t1, ∆t2…∆tn được tính như sau:

Tương tự đối với thiết bị thứ i ta có:

∆ti= tht(i-1) – thti - ∆1.i-∆2.i-∆3(i-1).

Với thiết bị thứ n( sau cùng) ta có:

1

1

i i n i

i i

Q t K Q K

Trong đó Q1,Q2,… Qn lần lượt là nhiệt tải của từng thiết bị;

K1,K2,…,Kn- là hệ số truyền nhiệt của buồng đốt trong từng thiết bị

Từ điều kiện 44 ta thu được đẳng thức sau đây:

t1 t2 t n t

n



    

Với đẳng thức 45 ta dễ dàng tính được các giá trị ∆t1,∆t2…∆tn Chẳng hạn với thiết bị thứ

I ta có:

2

1 2 1

n n

Trường hợp thứ tư là tính ∆t1,∆t2…∆tn theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các buồng đốt là bằng nhau và tổng của chúng là nhỏ nhất phải thõa mãn cùng 1 lúc đẳng thức sau:

∆t1=∆t2=…=∆tn=∆t/n (47)

Q1/K1=Q2/K2=…=Qn/Kn (48)

Để thõa mãn điều kiện 48 thì nhiệt tải của các thiết bị của các thiết bị phải tỉ lệ thuận với

hệ số truyền nhiệt của chúng Muốn vậy thì lượng hơi thứ trích ly( không dùng làm hơi đốt chothiết bị sau) phải được xác định chính xác Điều đó cũng không thuận tiện vì đôi khi không biết dùng hơi thứ trích ly vào việc gì

SỐ LƯỢNG THIẾT BỊ TỐI ƯU

Trong hệ thống bốc hơi liên tục nhiều thiết bị thì việc xác định số lượng thiết bị dựa trên các tính tốn kinh tế kỹ thuật Đó là các chi phí đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất Số lượng thiết

bị được lựa chon sao cho tổng chi phí đầu tư và chi phí sản xuất là nhỏ nhất, xem hình ( 10)

Hình 11.Đồ thị lựa chọn số thiết bị tối ưu:1- chi phí khai thác sản xuất; 2- chi phí đầu tư; 3- tổng chi phí; T- chi phí; n- số thiết bị; nt- số thiết bị tối ưu

Nếu số lượng thiết bị nhiều lên sẽ làm giảm chi phí hơi đốt sạch, chi phí vận hành (10) (chi phí sản xuất) giảm, nhưng lại làm tăng vốn đầu tư xây dựng Số thiết bị trong hệthống bốc hơi liên tục vào khoảng từ 3 đến 5

V-CÁC THIẾT BỊ BỐC HƠI

Thiết bị bốc hơi bao gồm rất nhiều loại như: thiết bị bốc hơi để tăng nồng độ của một dung dịch nào đó (còn gọi là thiết bị cô đặc), thiết bị bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở dạng rắn (còn gọi là thiết bị kết tinh) thiết bị thu hồi dung dịch tinh khiết, thiết bị bay hơi thu nhiệt (thiết

bị bốc hơi trong máy lạnh); thiết bị sấy Trong chương này chúng ta không đề cập đến thiết bị bay hơi thu nhiệt và thiết bị sấy

Thiết bị bốc hơi trước hết nó là một thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và dung dịch,

vì vậy nó phải thỏa mãn mọi vấn đề của thiết trao đổi nhiệt; đồng thời nó còn đáp ứng được yêu cầu công nghệ của quá trình sôi có tạo bọt hay không tạo bọt, tránh được các hạt chất lỏng

đi theo hơi thứ, tránh được bám bẩn bề mặt truyền nhiệt

3

2 1

T

Khi đun sôi các dung dịch có độ nhớt cao và sức căng bề mặt nhỏ (chẳng hạn các dung dịch của các chất có nguồn gốc thực vật hoặc động vật) đều xảy ra hiện tượng tạo bọt Vì vậy, các thiết bị dùng để cô các dung dịch loại này phải có kết cấu phù hợp (không gian bay hơi lớn) nhằm tránh hiện tượng bọt đi theo hơi thứ ra khỏi thiết bị Bọt đi theo hơi thứ không những làm tổn hại chất ta cần thu được ở dung dịch, mà còn làm bẩn hơi thứ trong trường hợp dùng hơi thứ như một chất tải nhiệt cho quá trình bay hơi nào đó Hiển nhiên ta có thể hạn chế quá trình tạo bọt của một số dung dịch nào đó bằng cách thêm vào dung dịch chất chống tạo bọt (chẳng hạn như dầu thực vật,v.v…).

Bọt và chất lỏng đi theo hơi thứ sẽ làm bẩn bề mặt truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ, làm bẩn nước ngưng trong thiết bị ngưng tụ trực tiếp

Nếu dung dịch bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt trong thiết bị bốc hơi sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm, hiệu suất truyền nhiệt giảm, sinh ra đốt nóng cục bộ làm hỏng thiết bị Biện pháp tránh bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt là tăng cường đối lưu dung dịch Muốn có đối lưu ta phải kết cấu thiết bị bốc hơi cho phù hợp

Thiết bị bay hơi nói chung đều có các bộ phận chính như: khoang đốt, khoang chứa dung dịch, khoang hơi à bộ phận trích các hạt lỏng khỏi hơi thứ

Khoang đốt chính là thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt Nhiệt được truyền từ chất tải nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt sang cho dung dịch đang sôi Tùy loại thiết bị mà khoang đốt có thể là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, ống xoắn ruột gà,v.v…

Khoang chứa dung dịch đang sôi gồm không gian chứa dịch ở khoang đốt và không gian chứa dịch phía trên khoang đốt Khoang chứa dịch có liên quan đến hiệu suất quá trình sôi, sự đối lưu dung dịch và sự tạo bọt Nếu dung dịch tạo bọt nhiều thì khoang chứa dung dịch nên nhỏ lại Khoang hơi là không gian phía trên bề mặt của dung dịch Mục đích của không gian này là nhằm tách hơi thứ ra khỏi dung dịch đang sôi một cách liên tục và ổn định Khoang hơi càng phải lớn nếu dung dịch tạo bọt nhiều, đồng thời phải đảm bảo cho vận tốc hơi thứ nhỏ để

nó không cuốn theo các hạt dung dịch có kích thước lớn

Bộ phận tách các hạt lỏng thường lắp ở đỉnh thiết bị bốc hơi ở vị trí trước của ra của hơi thứ Nhiệm vụ của nó là tách kiệt các hạt lỏng rồi trả về khoang dung dịch Nguyên lý tách cáchạt lỏng là dựa vào trọng lực, lực quán tính hoặc lực ly tâm của chính các hạt lỏng Từ nguyên

lý tách hạt lỏng ta kết cấu bộ phận này cho phù hợp, càn gọn và có hiệu suất cao càng tốt Ngồi các bộ phận chính như trên, thiết bị bốc hơi còn có các cửa cho dung dịch vào, tháo sản phẩm ra; cửa cho hơi đốt vào và của nước ngưng ra; cửa cho hơi thứ đi thiết bị ngưng tụ; cửa quan sát, cửa lấy mẫu; cửa lắp đồng hồ áp lực; cửa lắp nhiệt kế; cửa vệ sinh và sửa chữa v.v…

Các thiết bị bay hơi dùng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa chất có cấu tạo rất đa dạng; vì vậy việc phân loại chúng gặp khó khăn Tuy nhiên ta có thể phân loại chúng dựa trên những đặc điểm chính như sau:

- Căn cứ vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt ta chia ra : loại 2 vỏ, loại ống xoắn ruột gà,loại ống trơn, ống có cánh v.v…

- Dựa trên vị trí của bề mặt truyền nhiệt trong không gian ta có: loại nằm ngang, loại thẳng đứng, loại nghiêng

- Dựa vào vị trí của buồng đốt: buồng đốt trong, và loại có buồng đốt ngồi

- Dựa vào kiểu cấp nhiệt: bằng hơi nước nóng, bằng khói lò, bằng chất tải nhiệt, đặc biệt bằng điện.

- Dựa vào chiều chuyển động của các lưu thể: loại cùng dòng (dòng cùng chiều), dòng ngược chiều

- Đặc điểm tuần hồn: tuần hồn tự nhiên, tuần hồn cưỡng bức

- Số lần tuần hồn; 1 lần hay nhiều lần

- Thường trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất các thiết bị bốc hơi có bề mặt truyền nhiệt là chùm ống được ứng dụng rộng rãi nhất

Sau đây là một số thiết bị bốc hơi có cấu tạo điển hình

1 Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tự nhiên:

Cấu tạo của loại thiết bị này được thể hiện ở hình 12 Buồng đốt là loại thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng Oáng tuần hồn nằm ở trung tâm chùm ống truyền nhiệt Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hồn bằng ¼ đến 1/3 tổng diện tích tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt Nhờ vậy lớp dung dịch trong ống trung tâm bị đốt nóng ít hơn lớp dung dịch trong các ống truyền nhiệt; nên khối lượng riêng của lớp dung dịch trong ống trung tâm lớn hơn Do chênh lệch về khối lượng riêng như vậy nên dung dịch tuần hồn tự nhiên Ở ống trungtâm dung dịch chuyển động từ trên xuống còn trong các ống truyền nhiệt thì ngược lại

s.p

4

3 h.t

h.ñ h.ñ

n.l

1

2

Hình 12 thiết bị bốc hơi buồng đốt trong, có ống tuần hồn trung tâm:

1- buồng đốt; 2- ống tuần hồn; 3- buồng hơi; 4- vách hình vành khăn; hd- hơi đốt; nn- nước

ngưng; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ

6 3

chửa (thiết bị có đường kính lớn)

Hơi nước nóng đi vào không gian giữa các ống, sau khi cấp nhiệt cho dung dịch chuyển động trong các ống, hơi nước ngưng đọng và được lấy ra ở cửa gần vỉ ống dưới

Hơi thứ bốc ra từ dung dịch được dồn lên buồng hơi phía trên khoang đốt Buồng hơi là hình trụ thẳng đứng có đường kính lớn hơn đường kính buồng đốt một chút, dung tích của nó phụ thuộc vào đặc tính tạo bọt của dung dịch và cường độ sôi trong thiết bị Vận tốc của hơi thứ đi trong buồng hơi phải nhỏ hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng Có như vậy hơi thứ mới không cuốn theo nhiều hạt lỏng Mặc dù vậy vẫn còn nhiều các hạt lỏng đi theo hơi thứ lên đến đỉnh buồng hơi Để tách hết các hạt lỏng ra khỏi hơi thứ, ta cho hơi thứ đi qua bộ phận tách lỏng (phân ly hơi và lỏng) đặt ở đỉnh buồng hơi

Buồng hơi là hình trụ thẳng đứng, nó được lắp với thân buồng đốt bằng hàn (cũng có thể dùng phương pháp ghép bằng bích) Các chi tiết của bộ phẩn tách lỏng được hàn vào các vị trí tương ứng ở đỉnh buồng hơi Đáy thiết bị được ghép với buồng đốt bằng bích có bu lông Độ