Mục lục:
I.Giới thiệu
II. Sự truyền nhiệt trong thiết bò bốc hơi :
1. Tính chất vật lý 2
2. Hệ số truyền nhiệt: 3
3. Sự tích bẩn trong dàn bay hơi 4
4. Sự truyền nhiệt trong thiết bò bốc hơi kiểu chảy màng 4
4.1.Thiết bò bốc hơi màng rơi 4
4.2 Thiết bò bốc hơi màng treo 7
5.Thiết bò cô đặc nước ép trái cây màng rơi 8
III. Các hệ thống thiết bò bốc hơi:
1. Hệ thống một thiết bò cô chân không có tháp ngưng hơi thứ: 9
2. Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bò 11
2.1 Hệ thống ba thiết bò bốc hơi dòng cùng chiều 12
2.2 Hệ thống ba thiết bò bốc hơi dòng ngược chiều 13
2.3 hệ thống nhiều thiết bò bốc hơi làm việc song song 14
2.4 Hệ thống thiết bò bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết 15
bò bốc hơi bổ sung
IV. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 16
1. Hệ thống một thiết bò bốc hơi
2. Hệ thống bốc hơi liên tục 19
V.Các thiết bò bốc hơi; 24
1. Thiết bò bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hoàn tựï nhiên 26
2. Thiết bò bốc hơi có buồng đốt ngoài 30
VI. Chất lượng thực phẩm: 30
VII. Thiết bò bốc hơi trong thực phẩm 32
1. Cân bằng vật chất và cân bằng 32
2. Thiết bò tính toán thời gian lưu dài 33
3. Thiết bò bốc hơi có thời gian lưu ngắn 34
VIII. Thiết bò bốc hơi tiết kiệm năng lượng 38
1. Thiết bò bay hơi liên tục 40
vài phương 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% ).
Kó thuật thiết kế dàn bay hơi là dựa trên hiệu quả của sự truyền nhiệt từ môi trường
sang sản phẩm lỏng, hiệu quả của sự tách hơi nước và sử dụng nguồn năng lượng. Các dữ
liệu kó thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất các thiết bò bay hơi.
Trong ứng dụng thực phẩm, sự bốc hơi can duy trì chất lượng của sản phẩm, và thiết bò
bay hơi phải phù hợp với điều kiện vệ sinh và quy trình sản xuất. Dàn bay hơi cũng được
sử dụng cho 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
lớp kim loại của thiết bò tới dung dich lỏng. Nhu cầu nhệt được quyết đònh bởi vật liệu và
cân bằng năng lượng quanh mỗi thiết bò bay hơi và trên toàn bộ hệ thống. Sự truyền nhiệt
giữa bề mặt kim loai và dung dòch là công đoạn quan trọng nhất trong sự bay hơi. Do đó
điện trở nhiệt của lớp ngăn và môi trường làm nóng được cân nhắc là nhỏ hơn. Sự truyền
nhiệt trên bề mặt liên quan trưc tiếp tới tính chất vật lý và mô hình dòng chảy của dung
dòch.
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
dẫn nhiệt, độ đặc, nhiệt dung riêng, sức căng bề mặt và sự tăng điểm sôi. Dữ liệu về độ
nhớt và độ dẫn điện trong các tài liệu thực phẩm được viết bởi Saravacos và Maroulis
( 2001 ). Tầm quan trọng của tính chất vật lý tới sự bay hơi được viết bởi Chen (1993 ).
- -
3
Thiết bò bốc hơi
Sức căng bề mặt của nước là 73 dyn/cm hay 73mJ/m
2
(25
o
nghiệm hoặc lấy từ hệ thống cơng nghiêp hay nhà máy thử nghiệm tương tự. Dự đốn giá trị của
U rất khó khăn bởi vì sự tích lũy lực cản trên bề mặt gia nhiệt nên khơng thể lượng tử hóa một
cách chính xác. Tuy nhiên phân tích sự truyền nhiệt là rất hữu ích để đánh giá nhiệt trở của hệ
thống cơ đặc.
Tổng nhiệt trở của hệ thống cấp nhiệt được tính:
1/U=1/h
s
+x/∆ +1/h
i
+FR (7.3)
Với h
s
và h
i
tương ứng là hệ số truyền nhiệt ở phần cấp nhiệt và phần bay hơi.x/∆ là nhiệt trở
của thành dàn bốc hơi, và FR là lực cản tích lũy. Phương trình 7.3 liên quan tới bề mặt truyền
nhiệt và được ứng dụng để làm ống đèn với đường kính tương đối lớn 50mm. Với ống đường
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 khơng đáng kể do đó dàn bay hơi dùng hơi
nước bão hòa và bề mặt kim loại sạch, do đó điện trở của phần cấp nhiệt tương đối thấp vì thế
giá trị lớn h
s
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.
- -
4
Thiết bò bốc hơi
Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (h
i
) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độ nhớt)
Trong thiết bò màng rơi, lưu lượng chất lỏng nhỏ nhất trên từng đơn vò chiều dài của bề
mặt dẫn hay là “tốc độ dẫn”(
Γ
; kg/ms) được thu nhận từ thực nghiệm (Minton,1986) ta có
phương trình.
Γ
min
= 0.008 (
η
s
σ
3
)
1/5
Trong đó :
Γ
: là độ nhớt ( mPa.s)
- -
5
Thiết bò bốc hơi
s : khối lượng riêng của nước
σ
: sức căng bề mặt của chất lỏng ( dyn/cm)
Bảng 1: Một số giá trò đặc trưng của hệ số truyền nhiệt
Dạng thiết bò bốc hơi Thực phẩm dạng lỏng U, W/m
2
K
Màng rơi, dạng ống Nước ép trái cây 12-65
o
Brix 2000-600
Hệ số Reynolds của màng rơi được tính bởi phương trình rút gọn ( Perry và Green,1997)
Re = 4
Γ
/
η
Đối với nước nóng 80
o
C 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
nước trong chế độ chảy rối.
h = 9150
Γ
1/3
Hệ số truyền nhiệt của chất lỏng khi chảy rối đối với loại màng rơi đươc tính bởi
phương trình thực nghiệm chung :
h = 0.01 (
ϕ
.Re.Pr)
1/3
Trong đó :
ϕ
= (
λ
3
ρ
2
g/
η
= 4 x 0.5/0.000356 = 5618.
Với
λ
= 0.67 W/m K,
ρ
= 972 kg/m
3
và g = 9.81 m/s
2
Suy ra
ϕ
= [(0.67)
3
x (972)
2
x 9.81 ]/(0.000356)
2
= 21.8 x 10
12
Và
ϕ
1/3
= 28000
Pr = (4100 x 0.000356)/ 0.67 = 2.2 và Pr
1/3
=1.3
h = 0.01 x (21.8 x 10
12
2
K. Tính ra 1/h
i
= 1/2000 -3/15 000 – 1/10 000 và suy ra h
i
= 5 000 W/m
2
K (bề mặt
sạch).
Phương trình đơn giản đối với màng nước (7.6) lợi tức hệ số truyền nhiệt dưới đây, cho
Γ
= 0.5 kg/m.s : h
i
= 9 150 x 0.5
1/3
= 7264 W/m
2
K. Phương trình (7.6) đã tính quá cao hệ số
truyền nhiệt của nước sôi.Phương trình thực nghiệm tổng quát cũng tính giá trò hệ số truyền
nhiệt cao hơn so với giá trò thực nghiệm, nhưng nó có ích để đánh giá gần đúng các dung
dòch khác. Dự đoán hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghòch với độ nhớt mũ 2/3 (
2/3
) .h
i
∞ 1/η
2/3
Hệ số truyền nhiệt tính toán được của bề mặt bốc hơi (h
i
) từ U phụ thuộc nhiều vào hệ
số truyền nhiệt của hơi (h
2/3
- -
8
Thiết bò bốc hơi
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 đònh tại vò trí giữa, sử dụng vận tốc trung bình
và giá trò đặc trưng.
Những giá trò thực nghiệm với sự cô đặc nước ép trái cây trong các sản phẩm thử và
thiết bò bốc hơi màng treo công nghiệp có hiệu suất truyền nhiệt tổng quát (U) giảm từ
1500 W/m
2
K ( ở dưới 15
o
Brix ) đến gần 1000 W/m
2
K ( trên 60
o
Brix) trong ống cô đặc.
Vận tốc màng chất lỏng tại đáy và đỉnh ống cô đặc tương ướng là 1.27 và 1.97 m/s. Vận
tốc tương ướng 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
hiệu quả hơn nhiều so với nước tinh khiết, với hệ số truyền nhiệt cao hơn.
5. Thiết bò 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 thực
nghiệm của hệ số truyền nhiệt được sử dụng để thiết kế và ước lượng của những bộ phận
công nghiệp. Thành phần cấu tạo khác nhau của táo và nho được sử dụng trong đại lượng
đo thí nghiệm, sử dụng thiết bò bốc hơi thử nghiệm tại xưởng thí nghiệm nông nghiệp ở
New York, Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al .,1970). Thiết bò bốc
hơi đó có có một lớp áo hơi dọc ống, đường kính 50 mm và dài 3.3 m, với bề mặt truyền
Nên chú ý đến sự cô đặc dòch ép chưa lọc nên dùng ở 60
o
Brix, bởi vì những điều đó ảnh
hưởng đến hiệu quả của quá trình.
Hệ số truyền nhiệt đạt được với dòch nước táo có lọc và không qua lọc là tương tự nhau.
(Hình 4). Dòch táo cho hệ số U có giá trò giữa 2000 và 1150 W/m
2
K trong giới hạn 10 đến
65
o
Brix, trong khi đó dòch nước không lọc có giá trò giữa 1480 và 740 W/m
2
K trong khoảng
từ 10 đến 60
o
Brix ( Saravacos et al.,1970). Depectinization ( bỏ qua xử lý những pectin
keo tụ bằng thủy 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 bò cô chân không có tháp ngưng hơi thứ
Hệ thống cô loại này được thể hiện ở hình 3 , nó gồm có thiết bò cô chân không, thiết bò
ngưng tụ hơi thứ dạng tháp có ống thủy lực bơm chân không. Thiết bò cô chân không gồm
có hai phần: phần đáy gọi là buồng đốt, nó là thiết bò trao đổi nhiệt giữa hơi hơi đốt là hơi
nước nóng từ nồi hơi hoặc từ thiết bò cô áp suất dư với dung dòch dang cô. Thiết bò trao đổi
nhiệt trong 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 dòch 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 điện năng cho bơm chân không. Bơm chân không chỉ phải hút không khí không ngưng,
chủ yếu là không khí lẫn trong dung dòch hoặc chui vào hệ thống qua các mối ghép hở.
phẩm; n-nước mát; k- khí không ngưng.
2.Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bò
Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bò làm việc theo nguyên tắc cơ bản là: hơi đốt sạch ( hơi
nước nóng lấy từ nồi hơi) được cấp cho thiết bò bốc hơi thứ nhất, sau khi cấp nhiệt, nó
ngưng lại thành nước ngưng xả ra ngoài. Hơi thứ của thiết bò thứ nhất sẽ được sử dụng làm
hơi đốt cho thiết bò bốc hơi thứ hai, hơi thứ của thiết bò bốc hơi thứ hai lại là hơi đốt của
thiết bò thứ ba v.v. Đương nhiên do tổn thất nhiệt độ nên nhiệt độ bốc hơi của các thiết bò
phía sau thấp hơn thiết bò phía trước. Đồng thời áp suất của hơi thứ trong thiết bò phía sau
thấp hơn áp suất hơi thứ trong thiết bò phía trước. p suất hơi thứ của thiết bò cuối cùng có
thể thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất chân không).
Số thiết bò bốc hơi trong một hệ thống có thể là hai, ba, bốn, năm,… hoặc tối đa là mười.
Nhờ cách đấu nhiều thiết bò bốc hơi liên tiếp như vậy mà ta đã tiết kiệm được năng lượng
một cách đáng kể. Để làm bay hơi 1 kg hơi nước từ dung dòch với hệ thống hai thiết bò thì
chỉ cần 0,57 kg hơi đốt sạch; với ba thiết bò là 0,4 kg; bốn thiết bò là 0,3 kg; năm thiết bò là
0,27 kg.
Sau đây là một số hệ thống bốc hơi nhiều thiết bò
- -
12
Thiết bò bốc hơi
2.1 Hệ thống ba thiết bò bốc hơi dòng cùng chiều
Đây là hệ thống bốc hơi được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và
hoá chất, xem hình 5. Nguyên tắc làm việc của hệ thống này là chuyển động của dòng hơi
đốt và dung dòch cần cô (dung dòch bốc hơi nhằm nâng cao nồng độ) là dòng cùng chiều.
Hình 5. Sơ đồ hệ thống ba thiết ba thiết bò bốc hơi dòng cùng chiều:
1- bồn chứa dung dòch ban đầu; 2- thùng chứa cao; 3- thiết bò đo lưu lượng; 2’- bơm; 4-
bơm; 5- thiết bò gia nhiệt; 6,7,8- thiết bò bốc hơi thứ nhất, thứ hai, thứ ba; 9- thiết bò ngưng
tự có ống thuỷ lực; 10- thiết bò phân ly lỏng khỏi khí không ngưng; 11- thùng chứa sản
phẩm; 12- các ống xả nước ngưng; 13- ống thủy lực; 14- ống xả khí không ngưng cho
buồng đốt có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển; 15- bơm tháo sản phẩm; h.d- hơi đốt
sạch; n.n- nước ngưng; k- khí không ngưng.
tăng.
- -
14
Thiết bò bốc hơi
Hình 6. Sơ đồ hệ thống ba thiết bò bốc hơi dòng ngược chiều:
1,2,3- các thiết bò bốc hơi; 4- thiết bò ngưng tụ có ống thủy lực; h.d- hơi đốt sạch; n.n-
nước ngưng; B- bơm; K- không khí ngưng; ht
1
, ht
2
, ht
3
- hơi thứ của từng thiết bò; n.l- dung
dòch nguyên liệu; sp- thùng chứa sản phẩm (dung dòch cuối).
2.3 Hệ thống nhiều thiết bò bốc hơi làm việc song song
Đặc điểm chính của hệ thống này là dung dòch ban đầu được cấp cho tất cả các thiết bò,
hơi đốt sạch được cấp cho thiết bò thứ nhất, hơi thứ của thiết bò đầu là hơi đốt cảu thiết bò
tiếp theo. Hơi thứ của thiết bò cuối cùng được ngưng tự hoàn toàn trong thiết bò ngưng tụ có
ống thủy lực. Khi nào nồng độ dung dòch trong từng thiết bò đạt giá trò theo yêu cầu thì
được tháo vào thùng sản phẩm (xem hình 7). Hệ thống này được dùng để cô đặc các dung
dòch 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 bò trước sang thiết bò sau.
- -
15
Thiết bò bốc hơi
Hình 7. Sơ đồ hệ thống ba thiết bò bốc hơi làm việc song song:
1,2,3- các thiết bò bốc hơi; d- dung dòch ban đầu; h.d- hơi đốt; ht
1
- hơi thứ của thiết bò
thứ nhất cũng đồng thời là hơi thứ của thiết bò thứ hai; ht
Ngun 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 cơ ta dựa vào phương trình cân bằng khối lượng của dung dịch (gồm dung
mơi và chất hòa tan) hoặc của riêng chất hòa tan. Nếu coi tổn thất vật chất bằng khơng thì các phương
trình cân bằng vật chất sẽ là :
Với dung dịch ta có :
G
đ
= G
c
+ W (III-1)
Với riêng chất hòa tan sẽ là :
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
(III-2)
trong đó : G
đ
, G
v
- khối lượng dung dịch đầu , cuối q trình bốc hơi ;
W- khối lượng hơi thứ ;
x
đ
,x
c
(III-5)
Từ đó ta dễ dàng tìm được lượng hơi đốt cần cấp cho q trình cơ là D:
. . . . .
( )
c c c d d d wt t
ht ht
G C t G C t wi Q
D
i i
−
+ +
=
−
(III-6)
- -
17
Thieát bò boác hôi
Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi là Q :
Q = D (i
ht
- i
nn
) = G
c
.C
c
.t
c
- G
c
= C
n
– m.x
c
(III-8)
trong đó : C
c
, C
n
– nhiệt dung riêng của nước, dung dịch cuối quá trình cô ;
m – hằng số ;
x
c
- nồng độ cuối của dung dịch.
khi đó ta có :
G
c
.C
c
= G
c
.( C
n
- m.x
c
) = ( G
đ
– W ).( C
n
) + W.( i
ht
– C
n
.t
c
) + Q
T
(III-10)
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 ngoài 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 = τ
1
+ τ
2
(III-11)
trong đó : τ
1
– là thời gian cần để làm nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ bắt đầu sôi ;
τ
2
- 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 τ
1
và τ
2
được tính như sau :
– nhiệt độ của hơi đốt (hơi nước bão hòa ) ;
t
đ
– nhiệt độ đầu của dung dịch ;
t
sl
– nhiệt độ lúc bắt đầu sôi (nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với nồng độ đầu) ;
∆t
1
– hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch.
Để xác định τ
2
ta dựa vào phương trình vi phân của dòng nhiệt truyền qua bề mặt truyền nhiệt.
dQ = K
2
.F.( t
hd
– t ).dτ
hay
.
( . ( ) ( . . ) )
ht d d
ht
d
i C t
dQ V d x d c t i d
x
ρ ρ ρ
−
= + −
2
1
( )
hd
K t t−
trên trục hoành là giá trị Q ứng với các nồng độ dung dịch thay đồi từ
x
đ
đến x
c
. 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 = G
đ
.C
đ
.( t
c
– t
sl
) + W.( i
ht
- C
n
.t
c
.dV (III-16)
hay
( . )
.
d d
V
dV d x
x
ρ
ρ
=
. (III-17)
Sự thay đổi thành phần khối lượng của dung dịch trong thiết bị được thể hiện như sau :
V.dρ = ρ
đ
.dV – dW (III-18)
hay dW = ρ
đ
.dV - V.dρ (III-19)
Thay các giá trị dV, dW vào phương trình tính dQ ra thu được :
.
( ( ) ( ) )
ht t d
ht
d
i C t
dQ d x d ct i d
x
ρ ρ ρ
G
V
ρ
=
(III-22)
Trong đó : G
c
– khối lượng sản phẩm ;
- -
19
Thiết bò bốc hơi
Ρ
c
ρ
c
– khối lượng riêng của sản phẩm (khối lượng riêng của dung dịch khi nồng độ đạt đến
giá trị cuối là x
c
).
Khối lượng dung dịch ban đầu nạp vào thiết bị là G
đ
được tính như sau :
Q
đ
= ρ
đ
.V (III-23)
Từ lúc bắt đầu đốt nóng đến lúc dung dịch bắt đầu sơi thì khối lượng dung dịch khơng thay đổi :
Q
đ
thể làm việc theo ngun 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 dung dịch,
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 dung dịch,
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 hệ thống
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 cơ đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùng phương
trình cân bằng vật chất đối với từng thiết bị một.
Ta gọi W
1
, W
2
, W
3
…..W
n
là lượng nước bốc hơi và G
1
, G
2
, G
3
….G
n
là khối lượng dung
dịch đi ra từ thiết bị số 1, 2, 3…..n. Đối với hệ thống bốc hơi liên tục, dòng cùng chiều có
phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị thứ nhất như sau: (bỏ qua tổn thất vật chất).
G
1
1 d 1
G x G x
x = =
G G -W
(26)
Tương tự với thiết bị thứ 2 ta dễ dàng tìm được x
2
:
x
2
= (G
đ
x
đ
)/(G
đ
– W
1
– W
2
) (27)
Với thiết bị bốc hơi thứ n ( cuối cùng ) sẽ là:
x
n
= (G
đ
x
đ
)/(G
i
W
G
ω
=
(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:
G
n
= G
đ
- W
n
; G
n-1
= G
đ
– W
n
– W
n-1
; ……G
1
= G
c
G
c
là khối lượng sản phẩm với nồng độ x
1
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 được
tiến hành đồng thời với việc tính lượng hơi đốt cần cấp cho toàn bộ hệ thống và hơi đốt cho mỗi
thiết 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 là gần
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 là quá
trình không ổn định. Ngoài 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 tính
công nghệ thiết bị, tính bền. Để thuận tiện cho quá trình tính toán ta có thể lấy tổn thất nhiệt ra
môi trường chung quanh qua vỏ thiết bị đã được bọc cách nhiệt vào khoảng từ 1% - 3% công
suất nhiệt của thiết bị.
Có 3 phương phán tính được áp dụng phổ biến nhất là: phương pháp đơn giản, phương pháp
chung, phương pháp chung có tính đến nhiệt tiêu tốn do tăng nồng độ dung dịch.
- -
21
Thiết bò bốc hơi
Phương pháp đơn giản
Hình 10. Hệ thống bốc hơi liên tục:
i-1; i- là thiết bò thứ i-1; và thứ i
Phương pháp này khơng phụ thuộc vào chiều chuyển động của dung dịch và hơi đốt. Nó
được dùng để tính gần đúng lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị và phân tích các yếu tố ảnh
hưởng đến q trình làm việc của tồn hệ thống bốc hơi. Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi như
hình 9 thì q 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:
W
i
= D
i
W
3
= W
2
– E
2
= D
1
– E
1
– E
2
(33)
………………….…………………………….
W
n
=W
n-1
– E
n-1
= D
1
– E
1
– E
2
- …..- E
n-2
– E
n-1
22
Thieát bò boác hôi
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
cho mỗi thiết bị.
Tổng tổn thất nhiệt độ của một hệ thống bốc hơi liên tục được tính như sau:
1 2 3
1 1 1 1
n n n n
i i i i
i i i i= = = =
∆ = ∆ + ∆ + ∆
∑ ∑ ∑ ∑
(38)
Trong đó: n- số thiết bị trong hệ thống
i: thiết bị thứ i.
Trong quá trình bốc hơi của hệ thống một thiết bị thì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt đang
ngưng tụ và hơi thứ là lớn hơn giá trị của ∆; và đối với hệ thống nhiều thiết bị thì chênh lệch
nhiệt độ giữa hơi đốt trong thiết bị và hơi thứ của thiết bị cuối cùng đang ngưng tụ trong tháp
ngưng, bao giờ cũng lớn hơn ∆i. Đó là chênh lệch nhiệt độ cần có để thực hiện quá trình truyền
nhiệt từ hơi đốt của dung dịch đang bốc hơi, kí hiệu ∆t
c
.
Đối với hệ thống một thiết bị bốc hơi thì ∆t
c
được tính như sau:
∆t
c
= t
h.d
– t
ht
(39)
+∆t
2
+……+∆t
n
(42)
Trong đó: ∆t
1
,∆t
2
….∆t
n
– là hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và hơi thứ trong thiết bị
thứ nhất … thứ n.
- -
23
Thieát bò boác hôi
Các giá trị của ∆t
1
, ∆t
2
…∆t
n
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 ∆t
1
2
= t
hd2
– t
2
Mà t
hd2
= t
ht1
- ∆
3.1
T
2
= t
ht2
+ ∆
1.2
+ ∆
2.2
∆
t 2
= t
ht1
- t
ht2
- ∆
1.2
- ∆
2.2
- ∆
N
+ ∆
1.n
+ ∆
2.n
+ ∆
3.n
nên: ∆t
n
=t
ht(n-1)
– t
N
- ∆
1n
- ∆
2n
- ∆
3n
- ∆
3(n-1)
(43)
trong đó:
∆
11
,∆
12
,…∆
1i
….- là tổn thất nhiệt do bản chất của dung dịch trong thiết bị thứ nhất,…, thứ I,
Q
K
=
∆
∆ =
∑
(44)
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:
1 2
....
n
t
t t 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:
- -
24
Thiết bò bốc hơi
2
1 2
1
...
n
n
Thiết bò bốc hơi bao gồm rất nhiều loại như: thiết bò bốc hơi để tăng nồng độ của một
dung dòch nào đó (còn gọi là thiết bò cô đặc), thiết bò bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở
dạng rắn (còn gọi là thiết bò kết tinh) thiết bò thu hồi dung dòch tinh khiết, thiết bò bay hơi
thu nhiệt (thiết bò bốc hơi trong máy lạnh); thiết bò sấy. Trong chương này chúng ta không
đề cập đến thiết bò bay hơi thu nhiệt và thiết bò sấy.
Thiết bò bốc hơi trước hết nó là một thiết bò trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và dung
dòch, vì vậy nó phải thỏa mãn mọi vấn đề của thiết trao đổi nhiệt; đồng thời nó còn đáp
- -
25
Copyright: Tài liệu đại học ©