Quá Trình Cô đặc | JIMEI VIỆT NAM

TỔNG QUAN VỀ  QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

I – Những khái niệm cơ bản

        Quá trình bay hơi thường dùng để:

        – làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc);

        – tách các chất hòa tan ở dạng rắn (kết tinh);

        – tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất);

        – lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân làm lạnh…

        Từ thể lỏng chuyển thành hơi có thể có hai trạng thái: bay hơi hoặc sôi. Khi bay hơi nhiệt độ của dung dịch thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoáng của dung dịch, nhưng nhỏ hơn áp suất chung. Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng khi tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi ở trạng thái sôi xảy ra ở cả trong dung dịch (tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng, trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho.

         Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.

        Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô dặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng.

1.Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi.

        Qúa trình bốc hơi theo thuyết động học phân tử giải thích như sau: Các phân tử của chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi các phân tử cần khắc phục lực liên kết ở trạng thía lỏng và trở lực của áp suất bên ngoài khi đó phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt bên ngoài, lượng nhiệt lấy đi trong quá trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Khi nhiệt độ tăng ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không.

2.Một số tính chất của dung dịnh.

a) Nhiệt hòa tan: khi hòa tan chất rắn vào một dung môi nào đó thì một mặt dung môi sẽ lạnh đi vì khi hòa tan chất rắn cần thu nhiệt để phá vỡ mạng lưới tinh thể (nhiệt nóng chảy), mặt khác chất hòa tan sẽ có tác dụng hóa học với dung môi tạo thành solvat (khi hòa tan trong nước gọi là hyđrát) khi đó sẽ tỏa nhiệt.

b) Nhiệt độ sôi của dung dịch: nhiệt độ sôi của dung dịch có tính chất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn chất tải nhiệt để đốt nóng cũng như các chế độ làm việc của thiết bị. Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dung dịch là một trong những yếu tố xác định bề mặt truyền nhiệt của thiết bị.

c) Sự thay đổi tính chất của dung dịch khi cô đặc : Khi dung dịch bay hơi nồng độ chất hòa tan sẽ tăng, do đó tính chất của dung dịch sẽ thay đổi, nó có thể ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấu tạo và vận hành của thiết bị cô đặc. Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi biểu thị bằng đồ thị hình 9-4. Trên hình (9-4a) biểu thị nồng độ thay đổi theo thời gian từ xđ đến xc , lúc đầu tăng nhanh sau chậm dần.

Hình 9-4. Sự thay đổi tính chất của dung dịch theo thời gian:

       I – miền chưa bão hòa; II – miền bão hòa.

3. Các phương pháp cô đặc.

        Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đọan hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần  rồi cô đặc đến nồng yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ láy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để cô.

Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.

        Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác.

        Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …).         Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường chung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường.

Thiết bị cô đặc chân không đa tác nhân JIMEI sản xuất

4 – Cô đặc nhiều nồi

        Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế caovề sử dụng nhiệt.

        Ngưyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

        Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ (xem hình 9-8). Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên.

        Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không).

        Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ la  kg.

Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi.

        Hệ thống cô đặc nhiều nồi làm việc xuôi chiều, ngược chiều và song song..

 Trên hình 9-8 là sơ đồ cô đặc nhiều nồi xuôi chiều

        Dung dịch đi vào nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất trong các nồi. Còn hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi 1 để đốt nóng dung dịch ở nồi 1, hơi thứ của nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2, hơi thứ nồi 2 đi vào phòng đốt  nồi 3 và hơi thứ nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ 4.

        Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.

        Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.

..