CHƯƠNG 3: BỐC HƠI CÔ ĐẶC - NGƯNG TỤ

Quá trình ngưng tụ3.2

Quá trình bốc hơi cô đặc 3.1

3.1 Quá trình bốc hơi cô đặc

3.1.1 Các khái niệm

Cô đặc: là quá trình làm tăng nồng độ dung dịch

chất tan không bay hơi bằng cách bốc hơi dung

môi khi đun sôi dung dịch

Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh

- Hơi đốt: hơi đun sôi dung dịch (thường từ lò hơi)

- Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc (do có nhiệt độ

cao nên được tận dụng lại)

- Hơi phụ: hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị

ngoài hệ thống cô đặc

- Nhiệt độ sôi dung dịch: lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi nguyên chất ở cùng 1 áp suất.

3.1.2 Bản chất của quá trình

Quá trình bốc hơi: do các phân tử trên mặt

thoáng thu được năng lượng đủ lớn.

Các phân tử bốc hơi phải thắng lực liên kết phân

tử (nội ẩn nhiệt hóa hơi rt) và áp suất bên ngoài

(ngoại ẩn nhiệt hóa hơi rn). Ẩn nhiệt bay hơi là:

r = rt + rn

- Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt

thoáng, trong lòng chất lỏng.

- Quá trình bốc hơi xảy ra khi áp suất trong chất

lỏng lớn hơn áp suất mặt thoáng.

3.1.3 Tổn thất nhiệt trong cô đặc

Tổn thất nhiệt do nồng độ (ký hiệu ∆’): sự

chênh lệch giữa nhiệt độ sôi của dung dịch (tsdd)

và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (tsdm).

Tổn thất nhiệt do nồng độ phụ thuộc bản chất

chất tan và nồng độ dung dịch.

Xác định bằng thực nghiệm hoặc công thức

Lisenco

- Tổn thất nhiệt độ khi áp suất cô đặc bằng áp

suất khí quyển (áp suất thường):

∆0’: độ tăng phí điểm tại áp suất khí quyển, [độ], có

thể tra theo nồng độ ở áp suất khí quyển của một

số chất hòa tan. (sổ tay QTTB tập 1, trang 240)

Ks: hằng số nghiệm sôi của dung môi.

x: nồng độ chất tan, [mol/lít]

- Trường hợp áp suất cô đặc khác áp suất khí

quyển.

∆’: độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc, [độ C].

∆o’: độ tăng phí điểm tại áp suất thường, [độ C].

f: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi của

dung môi tại các áp suất khác.

Tm: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất

[K]= nhiệt độ hơi thứ

r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi, [J/kg]. Tra Phụ

lục 1, phụ lục 2 (SGK)

(chú ý: Tm tính bằng [K] nhưng ∆’ tính bằng [0C])

Tổn thất nhiệt lượng cô đặc:

- Trong quá trình cô đặc, do nồng độ tăng nên nhiệt

tiêu hao để bốc hơi cũng thay đổi một lượng ∆q gọi là

tổn thất nhiệt lượng khi cô đặc.

(Tổn thất nhiệt khi cô đặc bằng hiệu nhiệt hòa tan ở

nồng độ đặc và nồng độ loãng. Nhiệt hòa tan bằng

tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt solvat.

∆q = q2 – q1, [J/kg]

q1, q2: nhiệt hòa tan tích phân tại nồng độ đầu và

cuối, [J/kg])

- Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

- Tổn thất nhiệt do sức cản thủy lực

3.1.4 Các phương pháp cô đặc

- Cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi.

- Cô đặc liên tục hoặc gián đoạn.

- Cô đặc ở áp suất thường, chân không, áp suất

dư

3.1.4.1 Hệ thống cô đặc một nồi liên tục, TBNT baromet

- Cô đặc liên tục hoặc gián đoạn

Cân bằng vật chất

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]

i1: hàm nhiệt hơi kj/kg (tra i’’

trong phụ lục 1&2

i2: hàm nhiệt hơi thứ kj/kg (i’’)

Cđ, Cc: nhiệt dung riêng dung

dịch kj/kg.độ (tra phụ lục 7

theo nhiệt độ)

Bảo toàn khối lượng:

Bảo toàn chất khô:

Lượng hơi thứ:

Nồng độ cuối sản phẩm:

Cân bằng nhiệt

Lượng hơi đốt cần thiết (tiêu tốn):

Khi tính toán xem gần đúng: cc≈cđ lấy ở nhiệt độ trung

bình dung dịch.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt (buồng đốt):

tsdd: trong tính toán rất khó xác định, ta chỉ biết T và

tng. Gọi ∆tch = T – tng: hiệu số nhiệt độ chung

Gọi: ∆thi = T – tsdd

T: nhiệt độ hơi đốt, [0C]

tsdd : to sôi trung bình dung dịch, [0C]

tng: nhiệt độ hơi thứ, [0C]

∑∆: tổng tổn thất nhiệt độ trong cô đặc

Như vậy: ∆thi = ∆tch - ∑∆

∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’

∆’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

∆’’ : Tổn thất nhiệt độ do thuỷ tĩnh

∆’’’: Tổn thất nhiệt độ do trở lực ống dẫn

Xác định ∆’’Tính độ tăng áp suất do thuỷ tĩnh ∆p’’

Xác định ∆’’’Xác định tổn thất áp suất trên đường ống dẫn hơi thứ ∆p’’’

Tính chiều cao chất lỏng tối ưu:

3.1.4.2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi

Có 3 loại hệ thống 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.

Hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều.

Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều

Thiết bị cô đặc (SGK)

Một chất rắn khi hòa tan vào nước mà tỏa nhiệt hay thu nhiệt (biến thiên

enthanpy ΔH âm hay dương) phụ thuộc vào hai dạng năng lượng: thứ

nhất là nhiệt phân ly (năng lượng cần cung cấp để phá vỡ mạng lưới

tinh thể, luôn > 0), thứ hai là năng lượng solvat hóa ion (các phân tử

dung môi tương tác và bao xung quanh ion, ví dụ bao quanh ion Na+ là

đầu oxi của nước, bao quanh ion OH- là đầu hydro của nước), năng

lượng solvat hóa luôn < 0.

Như vậy, dựa vào mối tương quan giữa hai dạng năng lượng này mà

ta có giá trị nhiệt hòa tan ΔH. Ví dụ khi hòa tan NaOH vào nước thì nhiệt

solvat hóa chiếm ưu thế hơn năng lượng mạng tinh thể thì kết quả là giá

trị ΔH hòa tan mang dấu âm, quá trình tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên.

Hay ví dụ khác là khi hòa tan NH4Cl vào nước thì năng lượng mạng tinh

thể chiếm ưu thế hơn nhiệt solvat hóa thì kết quả là giá trị ΔH hòa tan

mang dấu dương, quá trình thu nhiệt làm dung dịch lạnh đi.

3.2 Quá trình ngưng tụ

3.2.1 Các khái niệm

Ngưng tụ là quá trình biến hơi thành trạng thái

lỏng bằng cách làm nguội hơi.

3.2.2 Mục đích:

- Thu nhận sản phẩm dưới dạng dung môi tinh khiết.

- Tạo chân không (kết hợp với bơm chân không).

- Làm sạch môi trường. Phương pháp:

- Ngưng tụ gián tiếp (TBNT ống chum, xoắn, ống

lồng ống…

- Trực tiếp: TBNT baromet

3.2.3 Ngưng tụ gián tiếp

1: làm nguội hơi

2. Ngưng tụ bão hòa

t2v

t2r

t1v

t1r 3: làm nguội lỏng

3.2.4 Ngưng tụ trực tiếp

Nguyên tắc:

Hơi ngưng tụ tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh để

truyền nhiệt làm nguội, ngưng tụ. Sau khi ngưng tụ,

nước làm nguội trộn lẫn với lỏng ngưng tụ.

Mục đích:

- Ngưng tụ hơi, khí thải.

- Tạo chân không.

Có hai kiểu ngưng tụ trực tiếp:

- Ngưng tụ trực tiếp loại khô.

- Ngưng tụ trực tiếp loại ướt.

3.2.5 Tính toán TBNT

Q: Nhiệt lượng ngưng tụ là nhiệt lượng cần thiết để

biến hơi từ trạng thái ban đầu (hơi quá nhiệt thành

trạng thái cuối - lỏng chưa sôi).

Q1: nhiệt làm nguội hơi

Q2: nhiệt ngưng tụ hơi

Q3: nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ

r: ẩn nhiệt ngưng tụ hơi, kj/kg (tra phụ lục 1,2)

Tính lượng nước làm nguội tiêu hao Gn:

Phương trình cân bằng nhiệt quanh

thiết bị ngưng tụ:

Tính bề mặt truyền nhiệt F:

F1: diện tích bề mặt truyền nhiệt làm nguội hơi, [m2]

F2: diện tích bề mặt truyền nhiệt ngưng tụ hơi, [m2]

F3: bề mặt truyền nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ, [m2]

3.2.6 Thiết bị ngưng tụ (SGK)

Bảng I.249 (trang 310): sổ tay QTTB T.1

Bài tập:

3.1 Tính lượng hơi đốt cần thiết để bốc hơi 1500kg

dung dịch đường mía trong TBCĐ chân không, nồng

độ nhập liệu 12%, sản phẩm có nồng độ 50% (chất

khô). Hơi đốt có nhiệt độ 1100C, hơi thứ có hàm nhiệt

i2 = 2643 kj/kg.

Dung dịch đầu ở nhiệt độ 300C, nhiệt dung riêng

5,43kj/kg.độ

Sản phẩm ra có nhiệt độ 800C, nhiệt dung riêng

6,68kj/kg.độ. Bỏ qua các tổn thất nhiệt

* Nếu ở áp suất thường dung dịch sôi ở 1050C thì ở

áp suất 0,2 bar thì nhiệt độ sôi dung dịch là bao

nhiêu? Biết ở áp suất này nhiệt độ sôi của nước là

60,080C, ẩn nhiệt bay hơi là 2358 kj/kg

Bài tập:

Hướng dẫn: PT cân bằng nhiệt

Qcđ = Qmt = 0 ; xđ= 0,12; cđ= 5,43 ; tđ= 30,

i2= 2643kj/kg; xc= 0,5 ; cc= 6,68; tc=80 Gđ = 1500kg;

= 1140kg

Gc = Gđ – W = 360 kg

T hơi đốt: 1100C, tra phụ lục 1 i’’1 (hơi)= 2691 kj/kg

Nhiệt độ nước ngưng tn=t hơi đốt = 1100C, tra phụ lục

7: Cn=4,233 kj/kg.độ

ĐS: 1330 kg

Bài tập:

Ở áp suất thường độ tăng phí điểm của dung

dịch(dung môi là nước):

∆’o = tsdd(p0)-tsdm(p0) = 105-100= 50C

Ở áp suất 0,2bar độ tăng phí điểm:

∆’ = f.∆’o= tsdd(p)-tsdm(p) (*)

Tm= 273+60,08 = 333,08K

R = 2358kj/kg = 2358.103j/kg

Tính f:

f=16,14T2m/r = 0,759

∆’ = 0,759.5 = 3,797

Từ (*) ta có: tsdd(p) = 60,08+3,797= 63,8780C

Bài tập:

3.2 TBNT ống chùm dùng để ngưng tụ hơi nước với

lượng hơi là 2000kg/h, nhiệt độ hơi 1150C. Nước

ngưng tụ ở trạng thái lỏng bão hòa.

a. Tìm nhiệt độ nước ngưng

b. Nhiệt lượng hơi tỏa ra trong TBNT, biết hơi là hơi

bão hòa khô.

c. Nước ngưng được làm nguội đến nhiệt độ 500C

trước khi đưa đến bể chứa. Tính nhiệt lượng

nước ngưng tỏa ra trong TB làm nguội.

Bài tập:

Hướng dẫn:

a. Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi 1150C

b. Q=r.D = 2216kj/kg.2000kg/h/(3600s)=1231kW

Với r tra bảng PL1 ở 1150C.

c. Nhiệt lượng nước tỏa ra:

Q=D.cn.(tbh-tc)

Nhiệt độ trung bình nước ngưng:

ttb= (115+50)/2 = 82,5oC

Tra và nội suy nhiệt dung riêng của nước ở ttb,

cn=4,198kj/kg.độ

Q=2000.4,198.(115-50)/3600=151kW