TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ sản XUẤT CHÂN KHÔNG cô đặc chân không

Đối với quá trình cô đặc lý tưởng, toàn bộ lượng nhiệt do hơi nước ngưng tụ tỏa ra chỉ dùng để làm bay hơi dung môi trong dung dịch, áp suất và nhiệt độ của hơi bay lên thấp hơn của hơi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHÂN KHÔNG

Cô đặc chân không

LỜI GIỚI THIỆU

Trong công nghiệp nói chung và trong ngành sản xuất các sản phẩm liên quan tới hóa học (thực phẩm, hóa chất,…) nói riêng, để nâng cao giá trị và tạo điều kiện thuận lợi cho bảo quản, vận chuyển, nhiều sản phẩm được tiến hành cô đặc chân không

Trong bài tiểu luận này, sẽ lần lượt trình bày những khái niệm, mục đích của cô đặc chân không, mô tả hệ thống cô đặc chân không cùng với đánh giá ưu điểm, nhược điểm,

và đưa ra cách khắc phục những lỗi thường gặp khi hệ thống hoạt động

MỤC LỤC

1 KHÁI NIỆM CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 1

1.1 Định nghĩa cô đặc 1

1.2 Nhiệt động học quá trình cô đặc 1

1.3 Định nghĩa cô đặc chân không 1

2 ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 2

2.1 Ưu điểm 2

2.2 Nhược điểm 3

3 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 5

3.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc chân không 5

3.2 Nồi cô đặc 6

3.3 Thiết bị ngưng tụ 14

3.4 Bơm chân không 16

3.5 Thiết bị khác 15

4 ỨNG DỤNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG TRONG CÔNG NGHIỆP 17

5 KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

1 KHÁI NIỆM CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG:

1.1 Định nghĩa cô đặc:

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử 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.[1]

1.2 Nhiệt động học quá trình cô đặc:

Quá trình gồm hai giai đoạn, được thực hiện trong hai thiết bị khác nhau:

Đầu tiên, nhiệt được cấp vào buồng đốt để đun dòng nhập liệu lên đến điểm sôi của dung dịch

Tiếp đến, nhiệt tiếp tục được cấp để bay hơi dung môi trong dung dịch, giai đoạn này được thực hiện trong buồng bốc

Ở hầu hết các trường hợp, hơi nước được sử dụng để gia nhiệt Để truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước phải cao hơn nhiệt độ sôi của sản phẩm Đối với quá trình cô đặc lý tưởng, toàn bộ lượng nhiệt do hơi nước ngưng tụ tỏa ra chỉ dùng để làm bay hơi dung môi trong dung dịch, áp suất và nhiệt độ của hơi bay lên thấp hơn của hơi nước nóng, entropy của quá trình tăng lên.[2]

1.3 Định nghĩa cô đặc chân không:

Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ (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 dung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch 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 atm) Đó là phương pháp cô đặc chân không.[1]

2 ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG:

Nếu chỉ xét dựa trên tính kinh tế, thì quá trình cô đặc ở áp suất cao sẽ hiệu quả hơn ở

áp suất chân không, vì chi phí của một hệ cô đặc chân không phụ thuộc phần lớn vào chi phí hơi ngưng tụ cung cấp cho quá trình bay hơi dung môi[2], mà hơi thứ sinh ra trong cô đặc áp suất cao lại mang nhiệt lượng lớn hơn ở áp suất chân không, nên có thể được tận dụng để cấp nhiệt cho dung dịch, giảm chi phí năng lượng Tuy nhiên, xét về yếu tố kĩ thuật, không phải lúc nào quá trình cô đặc cũng thực hiện được ở áp suất cao, vì vậy, cần phải cân nhắc việc áp dụng cô đặc chân không với những ưu – nhược điểm sau:

2.1 Ưu điểm:

2.1.1 Quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp:

Dưới áp suất chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch thấp hơn so với khi thực hiện ở

áp suất cao Điều này đặc biệt rất quan trọng đối với các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm

Vì những sản phẩm này, ngoài nước chiếm 70 - 95% thành phần, còn chứa các axit hữu cơ, muối của chúng, các chất pectin, đường, đạm, tinh bột, chất thơm, vitamin và nhiều chất khác rất dễ bay hơi hoặc bị phân giải ở nhiệt độ cao Vì vậy, quá trình cô đặc phải thực hiện

ở áp suất chân không để giữ được chất lượng sản phẩm.[3]

2.1.2 Tạo động lực quá trình lớn hơn:

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất chân không giảm đi, nhờ đó tạo chênh lệch nhiệt

độ lớn giữa tác nhân tải nhiệt (hơi nước ngưng tụ) và dung dịch cô đặc, động lực quá trình trao đổi nhiệt lớn hơn, tạo điều kiện cho việc giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị, hoặc rút ngắn thời gian cô đặc.[3]

2.1.3 Không yêu cầu bọc cách nhiệt:

Để tránh thất thoát nhiệt, thiết bị cô đặc phải hoạt động ở điều kiện bình thường cần được bọc cách nhiệt Tuy nhiên, nếu dụng cô đặc chân không, nhiệt độ làm việc của quá trình cô đặc tương đối thấp, thiết bị cô đặc dưới áp suất thấp không cần bọc cách nhiệt.[2]

2.1.5 Giảm ăn mòn:

Tốc độ ăn mòn hóa học tỉ lệ với hàm mũ của nhiệt độ làm việc Vì vậy, việc áp dụng

cô đặc chân không để giảm nhiệt độ làm việc là cần thiết để chống ăn mòn hiệu quả hơn.[2]

2.2 Nhược điểm:

2.2.1 Hơi thứ sinh ra mang nhiệt lượng thấp:

Tuy nhiên, muốn có áp suất hơi thứ cao để tái sử dụng cho quá trình cô đặc, đòi hỏi

áp suất hơi nước gia nhiệt cũng phải ở áp suất cao tương ứng, điều này rất tốn kém Do vậy, trong sản xuất vẫn có nhiều trường hợp xử lý hơi thứ từ quá trình cô đặc chân không để tái

sử dụng với giá thành thấp hơn.[2]

2.2.2 Hệ thống phức tạp:

Hình 2.1 Cô đặc ở áp suất thường trong

trường hợp lý tưởng.[2]

Hình 2.2 Cô đặc ở áp suất chân không

trong trường hợp lý tưởng.[2]

A – nhập liệu; B – Hơi thứ; C – Sản phẩm cô đặc; D – Hơi nước; E – Nước ngưng; F – Xả khí

So sánh giữa Hình 2.1 và Hình 2.2, có thể thấy rằng cô đặc chân không đòi hỏi một

hệ thống máy móc thiết bị phức tạp hơn cô đặc ở áp suất cao Hệ cô đặc chân không ngoài phát sinh thêm bơm chân không còn thêm bơm chất lỏng để xả hơi nước ngưng tụ và dòng sản phẩm cô đặc ra khỏi thiết bị

Còn với cô đặc áp suất cao, ta chỉ cần một bơm nhập liệu Dòng sản phẩm và hơi nước ngưng tụ lấy ra nhờ chênh lệch áp suất của hệ thống Một bẫy ngưng hơi đơn giản được dùng để duy trì áp suất hơi ngưng tụ, còn với dòng sản phẩm thì thông thường cần thêm một vòng điều khiển mức.[2]

3 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG:

3.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc chân không:

Hệ thống cô đặc chân không gồm các thiết bị chính: nồi cô đặc, thiết bị ngưng tụ và bơm chân không Ngoài ra, để nâng cao hiệu quả kinh tế, trong hệ thống có thể lắp bổ sung các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm nhiệt để tận dụng nhiệt của hơi thứ và dung dịch cô đặc

Hệ thống cô đặc chân không được chia thành hai dạng chính: hệ thống cô đặc chân không một nồi và hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi

Hình 3.1 Hệ thống cô đặc chân không một nồi

1 Nồi cô đặc - 2 Thiết bị ngưng tụ - 3 Bơm chân không - 4 Thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 3.1 mô tả hệ thống cô đặc chân không một nồi có lắp thêm thiết bị truyền nhiệt

(4) để tận dụng nhiệt của hơi thứ bốc từ nồi cô qua, nhằm hâm nóng sơ bộ dung dịch đưa vào cô đặc Thiết bị cô đặc (1) lả một nồi chứa dịch kín được nối với thiết bị trao đổi nhiệt (4) Lượng hơi thoát ra từ thiết bị trao đổi nhiệt (4) sẽ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (2) để ngưng tụ, với những khí không ngưng sẽ được hút vào bơm chân không (3) để duy trì độ chân không cho hệ thống.[3]

Hình 3.2 Hệ thống cô đặc chân không 2 nồi

1 Nồi cô đặc - 2 Thiết bị ngưng tụ - 3 Bơm chân không - 4 Thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 3.2 minh họa hệ thống cô đặc chân không hai nồi với thiết bị trao đổi nhiệt giữa

hơi thứ và dung dịch loãng Tác nhân cấp nhiệt (hơi nước) được đưa vào bộ phận trao đổi nhiệt của nồi thứ nhất để làm bay hơi dung môi tạo thành hơi thứ Hơi thứ này được dẫn sang bộ phận cấp nhiệt của nồi đun thứ hai Dung dịch trong nồi thứ hai có áp suất thấp hơn

được đốt nóng và sôi ở nhiệt độ thấp hơn, được nối trực tiếp với thiết bị trao đổi nhiệt, thiết

bị ngưng tụ và bơm chân không.[3]

Như vậy, trong hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi, nhờ tận dụng hơi thứ từ nồi trước để gia nhiệt cho dung dịch ở nồi sau, nhiệt lượng được sử dụng triệt để hơn, và lượng hơi phải bổ sung từ bên ngoài ít hơn nhiều so với tiêu hao trong hệ thống cô đặc một nồi Dung dịch cô đặc và tác nhân cấp nhiệt có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau giữa các nồi cô Khi chuyển động ngược chiều cần có thêm bơm để dung dịch từ nồi này sang nồi khác Mặc dù điều kiện trao đổi nhiệt tốt hơn, hệ thống ngược chiều vẫn

ít được sử dụng hơn (chủ yếu để cho các dung dịch có độ nhớt tăng vọt khi nồng độ tăng).[3]

3.2 Nồi cô đặc:

3.2.1 Thiết bị cô đặc chân không hai vỏ:

Hình 3.3 Thiết bị cô đặc chân không hai vỏ.[3]

1 Vỏ ngoài – 2 Vỏ truyền nhiệt – 3 Thân thiết bị - 4 Bộ phận tách lỏng – 5 Đĩa chắn – 6 Hệ thống khuấy – 7 Ống dẫn hơi – 8 Ống tháo nước ngưng – 9 Ống tháo sản phẩm – 10 Nhiệt kế - 11 Đồng hồ chân không – 12 Cửa chiếu sáng – 13 Cửa quan sát – 14 Ống cấp liệu – 15 Van phía chân không – 16 Van lấy mẫu

Nguyên lí hoạt động:

Dung dịch cần cô đặc được đưa vào ống cấp liệu (14) và được đun nóng nhờ tác nhân gia nhiệt (hơi nước) từ vỏ ngoài của thiết bị Khi nhiệt lượng được cung cấp đủ, hơi thứ bay lên, có thể kéo theo các hạt sản phẩm bị cuốn lên va đập vào đĩa chắn, khi ấy các hạt sản phẩm bị mất động lượng và rơi xuống Hơi và các hạt sản phẩm nhỏ trong dịch lỏng vòng qua đĩa chắn lên bộ phận tách lỏng, vì ở đây vận tốc bị giảm đột ngột nên các hạt lỏng rơi xuống và chảy trở lại nồi cô.[3]

Nếu bề mặt truyền nhiệt của loại thiết bị này được chế tạo bằng đồng thì hệ số truyền nhiệt có thể đạt tới 2900 – 3000 W/m2độ với khả năng bốc hơi 0,13 – 0,15 kg nước/m2s khi

áp suất hơi cấp nhiệt là 3 – 4 bar và độ chân không là 0,85 – 0,9 bar.[3]

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vệ sinh

Nhược điểm: Năng suất thấp vì bề mặt truyền nhiệt bị hạn chế

3.2.2 Thiết bị cô đặc chân không đối lưu tự nhiên:

Hình 3.4 Thiết bị cô đặc chân không đối lưu tự nhiên buồng đốt ngoài.[2]

A Dòng nhập liệu – B Hơi thứ - C Dung dịch cô đặc – D Ống dẫn hơi – E Nước ngưng

và cuốn về thiết bị ngưng tụ , ngưng tụ lại tạo chân không, còn hơi không ngưng được bơm chân không đẩy ra ngoài Dung dịch lỏng nặng hơn được chuyển dịch xuống phần dưới của

bộ cấp nhiệt, theo ống đối lưu phân bố vào các ống cấp nhiệt, sôi và chuyển động lên vùng bốc hơi và lặp lại dòng đối lưu đó.[3]

Ưu điểm: Hiệu quả truyền nhiệt cao hơn so với hệ cô đặc chân không hai vỏ

Đối lưu tự nhiên, không tốn chi phí lắp đặt bơm

Nhược điểm: Vận tốc đối lưu thấp (0,4 – 0,5 m/s), dễ gây ra hiện tượng đóng cặn và kết tinh trong ống.[3] Vì vậy công nghệ này chỉ nên áp dụng cho dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp.[1]

3.2.3 Thiết bị cô đặc chân không màng mỏng chuyển động lên:

Hình 3.5 Thiết bị cô đặc chân không màng mỏng chuyển động lên.[3]

1 Ống tiếp liệu – 2 Bộ cấp nhiệt sơ bộ - 3 Bộ bốc hơi – 4 Bộ tách lỏng – 5 Ống tháo dịch cô đặc – 6 Ống hút hơi thứ - 7 Van xả ngưng – 8 Thùng lắng tinh thể - 9 Van xả khí không ngưng

Ưu điểm: Hiệu quả truyền nhiệt cao hơn so với hệ cô đặc chân không đối lưu tự nhiên Không cần tuần hoàn (đối lưu)

Nhược điểm: Hơi thứ phải đủ lực để lôi kéo dung dịch tạo thành lớp màng mỏng, muốn như vậy thì áp suất và nhiệt độ hơi thứ phải lớn, nên không phù hợp khi áp dụng quá trình cô đặc các sản phẩm kém bền nhiệt

3.2.4 Thiết bị cô đặc chân không màng mỏng chuyển động xuống:

Hình 3.6a Thiết bị cô đặc chân không

màng mỏng chuyển động xuống

1 Dòng nhập liệu – 2 Buồng bốc – 3 Bộ

tách lỏng – 4 Ống dẫn hơi

Hình 3.6b Bộ phân chia lỏng của thiết bị

cô đặc chân không màng mỏng chuyển

Nếu như với thiết bị cô đặc chân không màng mỏng chuyển động lên, dung dịch cần

cô đặc được nhập liệu từ đáy, thì ở thiết bị cô đặc chân không màng mỏng chuyển động xuống, dung dịch cần được cô đặc được nhập liệu từ đỉnh nồi cô đặc Để đảm bảo chất lỏng phân bố đều vào các ống trong nồi cô đặc, người ta lắp thêm vào ở đỉnh bộ phân chia lỏng,

cấu tạo như trình bày trong Hình 3.6b Trong quá trình chảy từ trên xuống dưới tác dụng

của trọng lực, phần dung dịch trong ống được tác nhân gia nhiệt (hơi nước) đun nóng đến trạng thái sôi, hơi thứ tạo thành đóng vai trò lôi kéo sản phẩm tạo thành lớp màng mỏng

trên thành ống Sau khi ra khỏi các ống, một lượng dung dịch cô đặc sẽ nằm trong nồi cô đặc, lượng còn lại bị lôi cuốn bởi hơi thứ sẽ đi qua ống dẫn hơi tới bộ tách lỏng, tách hơi thứ lên trên và dung dịch cô đặc xuống phía dưới Như vậy, trong hệ thống này có hai vị trí tháo liệu, trong nồi cô đặc và tại bộ tách lỏng

Ưu điểm: Hiệu quả truyền nhiệt cao hơn so với hệ cô đặc chân không đối lưu tự nhiên

Do dòng chảy từ trên xuống nên tổn thất áp suất dòng chảy ít hơn so với dòng chảy

từ dưới lên Nhờ đó, việc tái sử dụng hơi thứ cho hệ cô đặc nhiều nồi khi sử dụng nồi cô đặc chân không màng mỏng di chuyển xuống hiệu quả hơn nồi cô đặc chân không màng mỏng di chuyển lên

Ngoài ra, việc dòng chảy từ trên xuống giúp cho việc cô đặc các dung dịch mang tính nhớt cao được dễ dàng hơn dòng chảy từ dưới lên

Thêm nữa, vì dòng chảy cùng chiều trọng lực, nên hơi thứ không cần lực mạnh để lôi kéo dòng lỏng, vì vậy áp suất và nhiệt độ của hơi thứ không cần phải quá cao, vì thế có thể chọn công nghệ này khi cô đặc dung dịch có tính kém bền nhiệt Ví dụ, công nghệ này thường được áp dụng trong cô đặc nước cam vì vitamin C kém bền nhiệt

Nhược điểm: tổn thất áp suất trong ống tỉ lệ thuận với tốc độ hút khí để duy trì chân không nhẹ và vừa, vì vậy cần sử dụng ống ngắn với đường kính lớn hơn Đặc biệt, trong trường hợp tạo áp suất chân không sâu thì không nên dùng loại nồi này, hoặc nếu cần dùng thì phải đảm bảo đường hơi từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ là ngắn nhất

3.2.5 Thiết bị cô đặc chân không khung bản:

Hình 3.7a CĐCK dạng khung bản.[2] Hình 3.7b Cấu tạo khung bản.[2]

Nguyên lý hoạt động:

Khoang đốt của những thiết bị khung bản này có thể cấu tạo từ các khung bản có chiều dày khoảng 1mm, chế tạo từ thép không gỉ Khi các tấm này được ép chặt sẽ tạo thành các kênh dẫn hơi một phía và một phía dẫn dịch Dịch chảy theo kênh màng mỏng được đốt nóng từ hai phía đến điểm sôi và được dẫn sang khoang bốc hơi Ở đây, dịch bốc hơi một phần, tạo thành sản phẩm có nồng độ chất tan cao hơn và được tháo ra.[3]

Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt cao nhờ sản phẩm được tạo thành màng mỏng ( 2- 4mm), chuyển động với vận tốc nhanh ( 1 – 3m/s) và được đốt nóng từ hai phía Thời gian tiếp xúc của sản phẩm với bề mặt cấp nhiệt ngắn nên sản phẩm được đảm bảo chất lượng Thiết bị kết cấu gọn nhẹ, có thể thay đổi bề mặt truyền nhiệt nhanh chóng, dễ dàng tháo lắp.[3] Tuy nhiên, việc làm sạch khung bản là tương đối khó khăn, vì thế chỉ nên áp dụng công nghệ này với dung dịch có độ tinh khiết cao, ví dụ như quá trình cô đặc đường.[2]

3.2.6 Thiết bị cô đặc chân không đối lưu cưỡng bức:

Hình 3.8 Thiết bị cô đặc chân không đối lưu cưỡng bức.[2]

A Dòng nhập liệu – B Dòng hơi thứ - C Dung dịch cô đặc – D Dòng hơi nước vào

1 Buồng đốt – 2 Buồng bốc – 3 Bơm đối lưu – 4 Bơm tháo liệu

Ưu điểm: Vận tốc đối lưu cao hơn (2 – 6 m/s) so với đối lưu tự nhiên, hệ số ruyền nhiệt k được tăng cường, nên quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả hơn

Công nghệ này có thể được ứng dụng trong cô đặc các dung dịch khá sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt

Nhược điểm: Tốn kém chi phí lắp đặt bơm đối lưu