chương 9 THIẾT bị cô đặc

Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình đó ta có thể tách một phần dung môi cấu tử dễ bay hơi hơn bằng phương pháp nhiệt độ đun nóng hay bằng phương

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

CHƯƠNG

9

MỞ ĐẦU

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó

trong DD hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của DD lỏng - rắn hay DD lỏng -

lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách

tách một phần dung môi Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn)

bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh

 Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển

từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng DD (tức khi DD sôi) Để cô đặc các DD không chịu được nhiệt độ cao (như DD đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với

áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không (p < 1 ata) Đó là

phương pháp cô đặc chân không

 Trong phương pháp lạnh, khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết - thường là kết

tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan (trước khi xảy ra sự kết tinh ơtecti) Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện áp suất bên ngoài tác dụng lên DD mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh (như kết tinh nước để cô đặc nước quả ép giàu sinh

tố )

MỞ ĐẦU

• Cô đặc bằng phương pháp nhiệt là quá trình ngược của quá trình

hòa tan: nếu quá trình hòa tan là thu nhiệt thì trong quá trình cô đặc

nó sẽ tỏa nhiệt (phải tải nhiệt đi bằng một chất tải nhiệt thích hợp), và

quá trình thu nhiệt (tức phải cấp thêm nhiệt) Nhiệt do DD tỏa ra (hay

• Tùy theo loại DD, nhiệt cô đặc có thể là âm (tỏa nhiệt như DD .),

dương (thu nhiệt như DD NaOH, KOH, ) hay bằng không (như DD đường)

• Thường chất nào dễ tạo solvat thì hòa tan tỏa nhiệt, cô đặc thu nhiệt

NaNO3 thì hòa tan thu nhiệt, cô đặc tỏa nhiệt

• Nhiệt cô đặc tính theo một đơn vị khối lượng của chất tan và xem

như chất tan không tổn thất trong quá trình cô đặc

MỞ ĐẦU

Hình 5.1: Nhiệt hòa tan tích phân (toàn phần) của một số chất

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

SÔI CỦA CHẤT LỎNG

Đối với chất lỏng đơn chất hay hợp chất tinh khiết và các dung

môi thường áp dụng các phương pháp tính trực tiếp : phương pháp này dựa trên các công thức tính nhiệt độ sôi hay áp suất hơi bão hòa của đơn chất (như công thức Clapeyron, công

thức Antoine, công thức Frost - Kalkwarf)

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ

với A, B là các hằng số đặc trưng của từng hóa chất (tra sổ tay hóa lý)

B   H / R Z  ; H   - cal/mol - nhiệt hóa hơi

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

Với khoảng áp suất thấp 10 < p’’ < 1500 (mmHg) thì nên dùng

ln

2

Các hằng số A, B, C, D tính theo công thức của Harlacher E A

và Braun W G

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

SÔI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy: cơ sở của phương pháp này

là dựa vào kết quả đã có ở một áp suất - nhiệt độ

nhất định nào đó (từ số liệu tra cứu hay thực

nghiệm)

Phương pháp này áp dụng được cho cả dung môi

tinh khiết hay DD (hệ lỏng - lỏng, lỏng - rắn).

oCông thức Bratii Em A

oPhương pháp Duhring

oPhương pháp Babô

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ

SƠI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

+ Công thức Bratii Em A.: (sai số < 5%) dùng cho đơn chất với khoảng áp suất

p < 0,1 atm: log( 1)  0 301, 0 935, ; trong đó:

c o c

p p p p

log

log

  p ; c p áp suất tới hạn của chất lỏng và áp suất khí quyển tiêu chuẩn (1 atm) o

sdm c so c

T T T T

log

log

  ; T sdm,T T so, c tương ứng là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất làm

việc (p), ở áp suất khí quyển p ovà nhiệt độ tới hạn,oK Phương pháp này đòi hỏi phải biết nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyểnT so và các thông số trạng thái tới hạn

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ

SƠI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

+ Phương pháp Duhring: hay còn gọi là phương pháp hằng số tương ứng trạng thái Yêu cầu của phương pháp này là phải biết nhiệt độ sôi ở hai áp suất nào

đó (ở p1 có T s1; ở p2 có T s2) Nội dung của nó là tìm (tra) nhiệt độ sôi của một chất

gọi là chất “chìa khóa” (để làm mốc so sánh) ở cùng điều kiện áp suất p1và p2 ấy (ở

p1 nó sôi T s'1, ở p2 nó sôi T s'

2) Chất “chìa khóa” thường là nước hay hexan

Theo phương pháp này, hằng số tương ứng trạng thái K được tính là:

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

SÔI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

Phương pháp Tisencô: Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch

và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kỳ ∆’ được xác định theo công thức gần đúng:

∆’ = ∆ o ’.f ( o C)

Trong đó, ∆o’ làtổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển), được tính bằng công thức hay tra bảng

m: khối lượng chất tan trong dung dịch g/lít N: số mol của chất tan trong 1 lít

f: hệ số hiệu chỉnh

T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất

đã cho; K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ

SƠI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

+ Phương pháp Babô: phương pháp này dựa trên tỉ số áp suất hơi của hai chất ở cùng một nhiệt độ thì không đổi (trong đó có một chất được dùng làm chất

“chìa khóa” so sánh):

với: p A( )t và p A( )t1 - áp suất hơi của chất đang xét ở nhiệt độ t và t1

B

p t( ) và p A( )t1 - áp suất hơi của chất “chìa khóa” ở nhiệt độ t và t1

Muốn sử dụng phương pháp này chỉ cần biết một giá trị p tại một giá trị nhiệt độ

t nhất định của chất đang xét là đủ (thường là xét ở điều kiện khí quyển) Tuy nhiên

phương pháp này đạt độ chính xác thấp hơn các phương pháp đã nêu

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

SÔI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

Phương pháp Babô: quan hệ giữa áp suất hơi bão hoà của dung môi trên

dung dịch loãng p với áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất po ở cùng nhiệt độ là không đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định, quan hệ đó

không phụ thuộc nhiệt độ

(p/p o ) T = const

Ví dụ: Xác định nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất 0,75 at biết ở áp suất

thường (1at) , dung dịch sôi ở 110oC

Ta có: ở 110oC, áp suất hơi bão hòa của nước là 1,46 at :

(p/po)T=110oC=1/1,46 = 0,685 Theo quy tắc Babô:

(p’/p’o)T=(p/po)T=110oC=0,685 Với p’= 0,75 at → po’=0,75/0,685=1,095 at Vậy, nhiệt độ sôi của dung dịch ở 0,75 at sẽ bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 1,095 at là 102oC

Tổn thất nhiệt độ do tăng nồng độ ∆’=Tdd-Tdm=102-91,2 = 10,8oC

Với Tdm là nhiệt độ sôi của nước ở 0,75 at

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ

SƠI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

 Độ tăng điểm sôi hay độ giảm điểm kết tinh của DD hệ lỏng-rắn (’):

trong đó: E (hay K) - hệ số “hằng số nghiệm sôi” hay “hằng số nghiệm lạnh”

C m (hay m) - nồng độ chất tan, (mol/kg dung môi)

VÀI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ

SÔI CỦA CHẤT LỎNG

Phương pháp nội suy:

T.T Dung moâi E (khi soâi) s

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1- Phân loại

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là

dễ dàng và tiêu biểu nhất:

Các TBCĐ được chia làm 6 loại thuộc ba nhóm chủ yếu như sau:

Nhóm 1: DD được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên)

Loại I: có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc); có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài

Loại II: có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc)

Nhóm 2: DD đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức)

Loại III: có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài;

Loại IV: có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài;

Nhóm 3: DD chảy thành màng mỏng

Loại V: màng DD chảy ngược lên; có thể có buồng đốt trong hay ngoài;

Loại VI: màng DD chảy xuôi; có thể có buồng đốt trong hay ngoài

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

2- Phạm vi ứng dụng

Nhóm 1: chủ yếu dùng để cô đặc các DD khá loãng, độ nhớt

thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của DD dễ dàng qua bề

mặt truyền nhiệt Tỉ số chiều dài ống H/d dưới 50 Đặc biệt loại

ống ngắn H/d < 30

Nhóm 2: có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức DD đạt vận tốc

chuyển động từ 1,53,5 m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt

Ưu điểm chính của nhóm này là tăng cường hệ số truyền nhiệt

k; dùng được cho các DD khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao,

giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt

truyền nhiệt Có loại dùng cánh khuấy đặt ở trung tâm buồng

đốt để tuần hoàn DD

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

Nếu DD khi sôi tạo nhiều bọt khó vỡ thì dùng TBCĐ loại

V có màng chảy ngược, còn đối với các DD sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ thì dung loại thiết bị màng chảy xuôi

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

Đối với ống tuần hồn trong phải chọn đường kính ống tuần hồn khoảng lớn

10 đường kính ống truyền nhiệt của buồng đốt

Ngoài ra theo một số tài liệu kinh nghiệm cho phép tính diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn F th theo diện tích tiết diện ngang của tất cả các ống truyền nhiệt F  như sau: o 

Đối lưu tự nhiên, tuần hoàn trong Tỉ số th

8 đường kính vỏ buồng đốt

b) Ống hơi vào buồng đốt

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

3- Đặc điểm cấu tạo một số chi tiết chủ yếu

b) Ống hơi vào buồng đốt

Tốc độ hơi đốt đi trong ống dẫn cho phép tối đa 40

m/s và cần có biện pháp giảm tốc độ hơi vào

buồng đốt xuống còn 10 - 20 m/s (nhằm bảo vệ

các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào) bằng cách chia ra làm nhiều miệng vào (H.5.4)

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

3- Đặc điểm cấu tạo một số chi tiết chủ yếu

c) Tháo nước ngưng

Phải có ống và dụng cụ tháo nước ngưng đảm bảo tháo hết và

kịp thời toàn bộ nước ngưng (nhưng không cho hơi ra) Tốc độ

chảy của nước ngưng tháo ra 0,5 - 1 m/s (H.5.5)

d) Buồng đốt

Thường dùng loại ống d25 và d38 Ống cỡ d57 thường dùng cho TBCĐ loại V và VI Chiều dài ống truyền nhiệt được chọn là bội

số của 0,5m, tối thiểu 0,5m, tối đa 9m cho các loại V và VI Ống

thường bố trí ở đỉnh tam giác đều với bước ống s khoảng

theo các công thức (3.87) và (3.90)

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

với: d - đường kính ống tuần hoàn; n - tổng số ống truyền nhiệt s

F - tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt

 - hệ số lắp đầy của chùm ống trong buồng đốt,  = 0,8 - 0,9

Trong điều kiện chọn F t h.  0 25 , F (min) thì ta được tỉ số đường kính buồng đốt

D s và đường kính ngoài ống truyền nhiệt  d o sẽ là:

trong đó: H và d là chiều cao và đường kính ngoài ống truyền nhiệt Và từ điều kiện o

trên ta tính đường kính ống tuần hoàn trong  d s như sau:

s

d  0 2821, d H  10 (5.12)

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CƠ ĐẶC Đường kính chuẩn (D s) cho vỏ buồng đốt như sau: 325; 400; 600; 800; 1000;

1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2200; 2400; 2600; 2800; 3000 và 3200 mm

Diện tích bề mặt truyền nhiệt chuẩn F m( 2) là: 10; 16; 25; 40; 50; 65; 80; 100;

125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 600; 800; 1000; 1250; 1400; 1600; 1800; 2000; 2240;

2500; 2800 và 3100 m2

Áp suất làm việc p (atm): o

- Loại TBCĐ cao áp: p = 3; 6; 10 và 16 atm o

- Loại TBCĐ chân không và thấp áp: p = 0,01  1 atm o

Chiều cao của ống truyền nhiệt (H) được chọn theo các yêu cầu sau đây:

+ Đảm bảo tỉ số d d  s/ o 10

+ Càng ngắn (H nhỏ) thì hệ số truyền nhiệt sẽ cao vì thường có chế độ sôi bọt;

+ Đảm bảo độ đầy của chất lỏng trên 30% H (nhất là đối với TBCĐ gián đoạn,

cuối gian đoạn cô đặc DD đặc phải ngập trên 30% chiều cao ống truyền nhiệt)

Độ đầy h( ) cho phép thích hợp tính theo công thức kinh nghiệm sau:

h h

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

e) Buồng bốc hơi (buồng bốc)

Nhiệm vụ chủ yếu của buồng bốc là tách hỗn hợp hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ

lỏng-Dãy áp suất làm việc (atm):

0,01; 1; 3; 6; 10 và 16 atm (Loại I, II, III)

0,01; 1; 3; 4 và 10 atm (Loại IV, V, VI)

Đường kính buồng bốc tính từ điều kiện phân ly được

những giọt lỏng có đường kính từ 0,3 mm trở lên

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

e) Buồng bốc hơi (buồng bốc)

Vận tốc hơi(maxh )của hơi thứ trong buồng bốc không quá 70 - 80% vận tốc lắng

với: ’, ’’ - khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứ

d - đường kính giọt lỏng; chọn d = 0,0003 m;  - hệ số trở lực

5.1 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

D và thể tích buồng bốc V m b( 3) mà V xác định từ tiêu chuẩn phụ tải cho phép của b

buồng bốc (cường độ bốc hơi trung bình): V b W '' '/   , m( 3) (5.15)

- Cường độ bốc hơi trung bình [ '   f p D( , b, h)] được cho ở đồ thị hình 5.6

Hình 5.6: Phụ tải cho phép của không gian hơi của nồi cô đặc buồng đốt ngoài

Có thể kể đến tạo bọt nhiều hay ít của DD sôi và độ chân không dùng một hệ số nhân dự trữ

Các số liệu thực nghiệm đối với DD thật loãng như NaOH, Na CO 2 3, Na SO2 4,

NaCl và ở áp suất p = 1 atm thì cường độ bốc hơi thể tích cho phép khoảng ’ =

16001700 m m h3/ 3 (số liệu này cũng dùng được cho các DD có nồng độ đặc hơn)

5.2 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI

Hệ một nồi có thể hoạt động theo phương pháp liên tục hay gián đoạn

Hệ liên tục thường dùng cho vùng nồng độ

và độ nhớt DD thấp hay tương đối thấp Còn hệ một nồi gián đoạn dùng khi cần nâng cao nồng độ sản phẩm (sản phẩm keo, sệt, paste)

5.2 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI

1- Tổn thất nhiệt độ

5.2 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI

1- Tổn thất nhiệt độ

r=i”D-C.θ - khi có quá lạnh nước ngưng

Δth.i – Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

ΔT = T-tc ΔΣ= Σ Δi= Δi’+ Δi”+ Δi’”

Tc – nhiệt độ ngưng tụ cỉa hơi thứ tại thiết bị ngưng tụ

Δi’” = 1 – 1,5 oC: tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ

Δi’=tsdd(po)-tsdm(po) – tổn thất nhiệt độ do nồng

độ

Δi’” = tsdm(po+ ΔP) – tsdd(po) – tổn thất nhiệt độ

do cột thủy tĩnh của dung dịch sôi

Δp – áp suất thủy tĩnh gây ra do dung dịch ở

độ sâu trung bình của cột chất lỏng

.

h i sdd

       

h - chiều cao thực tế của mức chất lỏng theo ống chỉ mức

k - hệ số truyền nhiệt tổng quát của buồng đốt (xem mục sau)

Thực ra nên dùng công thức tính theo kiểu tlog :

t t

t t

t L

5.2 HỆ THỐNG CƠ ĐẶC MỘT NỒI

2- Tính cân bằng vật chất và năng lượng

+ Cân bằng vật chất nồi cô đặc (không có tổn thất chất tan):

DD hơi đốt hơi thứ nước DD nhiệt tổn

loãng ngưng đặc cô đặc thất

Để dễ tính toán về sau ta tiến hành biến đổi và dùng phép gần đúng c đ  c c như sau:

5.2 HỆ THỐNG CƠ ĐẶC MỘT NỒI

2- Tính cân bằng vật chất và năng lượng

Để dễ tính toán về sau ta tiến hành biến đổi và dùng phép gần đúng c đ  c c như sau: Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra:

5.2 HỆ THỐNG CƠ ĐẶC MỘT NỒI

2- Tính cân bằng vật chất và năng lượng

Lưu ý:

1- Nếu nước ngưng chảy ra có nhiệt độ là T như hơi đốt vào (không có quá lạnh

sau khi ngưng) thì chính i D''   c r là ẩn nhiệt ngưng tụ

2- Dấu cộng (Q cđ) ứng với trường hợp cô đặc thu nhiệt (hòa tan tỏa nhiệt);

Dấu trừ (Q cđ) ứng với khi cô đặc tỏa nhiệt (hòa tan thu nhiệt)

+ Lượng hơi đốt (D) được sử dụng tất cả là:

với: D1 - chi phí hơi đốt để bốc hơi thực sự

D2 - chi phí hơi đốt để thay đổi nhiệt hàm DD

D3 - chi phí hơi đốt để bù tổn thất nhiệt; D D  3/ - tỉ lệ tổn thất hơi đốt