Tài liệu Thiết kế hệ thống sấy thực phẩm đưa vào phương pháp bóc hơi ppt

THIẾT BỊ BÓC HƠI









Thiết bị bốc hơi
- -
1
Mục lục:
I.Giới thiệu
II. Sự truyền nhiệt trong thiết bị 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 bị bốc hơi kiểu chảy màng 4

4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi 4
4.2 Thiết bị bốc hơi màng treo 7
5.Thiết bị cô đặc nước ép trái cây màng rơi 8
III. Các hệ thống thiết bị bốc hơi:
1. Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ: 9
2. Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị 11
2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều 12
2.2 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều 13
2.3 hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song 14
2.4 Hệ thống thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết 15
bị bốc hơi bổ sung
IV. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 16
1. Hệ thống một thiết bị bốc hơi
2. Hệ thống bốc hơi liên tục 19
V.Các thiết bị bốc hơi; 24
1. Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tựï nhiên 26
2. Thiết bị bốc hơi có buồng đốt ngồi 30
VI. Chất lượng thực phẩm: 30
VII. Thiết bị bốc hơi trong thực phẩm 32
1. Cân bằng vật chất và cân bằng 32
2. Thiết bị tính tốn thời gian lưu dài 33
3. Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn 34
VIII. Thiết bị bốc hơi tiết kiệm năng lượng 38
1. Thiết bị bay hơi liên tục 40
2. Thiết bị cô đặc nén hơi 42
3. Thiết bị cô đđặc có bơm nhiệt 46
4. Phối hợp thẩm thấu ngược\ cô đặc 46
5. Sự khử muối từ nước 46
6. Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải 46
IX. Nguyên lý thiết kế: 47

1.Lựa chọn thiết bị bốc hơi 47
2.Lựa chọn vật liệu 48



IX. Các thành phần của thiết bị bốc hơi 50
Thân của thiết bị bốc hơi 51
1. Thiết bị thiết bị tách lỏng hơi 53
2. Thiết bị ngưng tu 54ï
Thiết bị bốc hơi
- -
2
3. Hệ thống chân không 55
4. Điều chỉnh thiết bị bốc hơi 56
5. Nguyên cứu thiết bị bốc hơi 56
6. Vấn đề vệ sinh 57

Thiết bị bốc hơi
- -
3
I.GIỚI THIỆU
Sự bay hơi là một quá trình tách rời vật lý, nó lấy đi phần hơi từ dung dịch lỏng hoặc hỗn
hợp nhờ sự bốc hơi và nhận được sản phẩm cô đặc của thành phần không bay hơi. Đối với
thức ăn lỏng, sự bay hơi lấy đi hầu hết nước kết quả là sản phẩm cô đặc có thể được dùng cho
những quy trình xa hơn nh
ư qua ùtrình sấy.
Quá trình bay hơi được sử dụng rộng rãi trong việc cô đặc nước trái cây rau quả, sữa, cà
phê trích ly, tinh luyên đường và muối. Sự mất đi dung lượng nước làm giảm trọng lượng và
dung tích sản phẩm, giảm chi phí nhà kho và vận chuyển, và cải thiện sự ổn định của sản
phẩm.
Sự bay hơi được taọ ra như là 1 quy trình cơ bản của việc cô đặc thức ăn lỏng, m
ặc dù 1 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% ).
Kĩ thuật thiết kế dàn bay hơi là dựa trên hiệu quả của sự truyền nhiệt từ môi trườ
ng sang
sản phẩm lỏng, hiệu quả của sự tách hơi nước và sử dụng nguồn năng lượng. Các dữ liệu kĩ
thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất các thiết bị bay hơi.
Trong ứng dụng thực phẩm, sự bốc hơi can duy trì chất lượng của sản phẩm, và thiết bị bay
hơi phải phù hợp với điều kiện vệ sinh và quy trình s
ản 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 bị tới dung dich lỏng. Nhu cầu nhệt được quyết định bởi vật liệu và cân bằng
năng lượng quanh mỗi thiết bị bay hơi và trên tồn bộ hệ thống. Sự truyền nhiệt giữa bề mặt
kim loai và dung dịch là công đoạn quan trọng nhất trong s
ự 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 dịch.
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 chấ
t vật lý tới sự bay hơi được viết bởi Chen (1993 ).
Sức căng bề mặt của nước là 73 dyn/cm hay 73mJ/m
2
(25
o

C) và nó giảm đáng kể khi thành
phần hữu cơ có mặt trong dung dịch. Sức căng bề mặt của dung dịch lỏng thực phẩm thường
thấp hơn (cỡ 30 dyn/c), tùy thuộc vào thành phần chất hoạt động bề mặt hiện hữu.
Sự tăng điểm sôi (BPE) gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau và đó là điều không mong muốn
trong quá trình bốc hơi. Vì vậy nó đòi hỏi nhiệt
độ cao hơn của môi trường nhiệt để tác động
tới cùng một điều kiện phát động. Nó đặc biệt cao trong dung dịch cô đặc muối ăn và kiềm.
Thiết bị bốc hơi
- -
4
Sự tăng điểm sôi của thực phẩm lỏng là tương đối thấp, và trong hầu hết các trường hợp nó
được bỏ qua trong tính tốn truyền nhiệt. Nó trở nên quan trọng trong dung dich đường cô đặc
và những thành phần có phân tử lượng thấp khác. Các thành phần có phân tử lượng cao thì bị
hòa tan hoặc phân tán trong nước như tinh bột, pectin, protein ảnh hưởng không đáng kể tới sự
tăng điểm sôi.
Đối với dung dị
ch đường, như là nước ép trái cây, phương trình thực nghiệm sau có thể
được dùng để ước lượng BPE (Chen và Hernandez, 1997 ):
BPE = 0.33 xp(4X)
Với X là tỉ lệ khối lượng của đường. Do đó BPE của nước ép trái cây sẽ tăng trong quá
trình bay hơi từ 0.7
o
C tới 4.4
o
C.
2.Hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt gia nhiệt được tính bằng phương trình tổng quát:
Q=U.A.∆T
Với U là hệ số truyền nhiệt chung (W/m

2
K). A là diện tích truyền nhiệt(m
2
) và ∆T là sự sai
khác nhiệt độ giữa môi trường nhiệt với môi trường sôi. U thường được xác định bằng thực
nghiệm hoặc lấy từ hệ thống công 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 không 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 cô 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 b
ởi tỉ số giữa đường kính ngồi và trong.
Phần cấp nhiệt được tính tốn để lực cản tích lũy không 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.
Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (h
i
) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độ
nhớt) và lưu lượng của chất lỏng. Nó làm tăng chế độ chảy và nhiệt độ và có thể được ước
lượng từ thực nghiệm. Hệ số truyền nhiệt trong màng lỏng là đặc biệt quan trọng tới sự tích
lũy hơi,như đã được trình bày trong mục này.
3.Sự tích bẩn trong dàn bay hơi:

Tích bẩn là sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt, nó làm giảm sự truyền nhiệt,
mức độ bay hơi và có thể phá hủy đặc trưng của sản phẩm. Sự tích bẩn là tai hại cho quy trình
công nghiệp bởi vì giá thành đầu tư cao, năng lượng thất thốt, chi phí bảo dưỡng và sụt giảm
sản phẩm trong khi ngừng cọ rữa.
Thiết bị bốc hơi
- -
5
Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vô cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủa
protein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đông đặc.
Sự tích bẩn kéo theo sự kích nổ, trao đổi chất và gắn kết với bề mặt cấp nhiệt và tach rời
tích lũy chất lỏng.Trong thiết bị cô đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây
ra b
ởi sự hấp phụ và biến tính của các phân tử sinh học như protein , pectin, tinh bột trên bề
mặt truyền nhiệt.
Kinh nghiệm tương quan của lực cản tích bẩn tới thời gian vận hành cho những ứng dụng
cụ thể rất hữu ích để xác định chu kì làm sạch tối ưu, bao lâu thì có thể bảo trì hệ thống.
Việc sử dụng lực cản hoặc độ nhiễm bẩn chỉ
đưa ra giá trị gần đúng cho một thiết bi và sản
phẩm cụ thể. Thực tế sẽ chính xác hơn là dùng giá trị tin cậy của hệ số truyền nhiệt chung.Giá
trị điển hình của U cho thiết bị bay hơi được thể hiện trong bảng 7-1.
4- Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng.

Sự thốt hơi nước bằng phương pháp màng rơi, màng treo hay kết hợp cả hai phương pháp
được sử dụng rộng rãi trong các dàn bốc hơi thực phẩm. Bởi vì lợi thế của chúng là quá trình
đơn giản, chi phí về thiết bị và vận hành thấp. Hình 1 phác họa nguyên lý hoạt động của thiết
bị bốc hơi kiểu màng hơi và màng treo.
4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi.

Trong thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi, chất lỏng chảy thành màng xuống dọc theo bề mặt
bốc hơi ( bên trong vỏ ống hay bản mỏng) bởi trọng lực. Trong khi đó nhiệt được truyền xuyên
qua tường nhờ hơi nước. Hỗn hợp chất lỏng và hơi nước được thốt ra bên dưới của ống ( hay
bản mỏng) và đi vào trong thiết bị phân riêng lỏng hơi. Sau
đó tập trung chất chất lỏng bơm ra
ngồi, còn hơi nước chuyển trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ.
Trong thiết bị màng rơi, lưu lượng chất lỏng nhỏ nhất trên từng đơn vị 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)
s : khối lượng riêng của nước

σ : sức căng bề mặt của chất lỏng ( dyn/cm)

Bảng 1
: Một số giá trị đặc trưng của hệ số truyền nhiệt
Dạng thiết bị 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
Màng rơi, dạng bản mỏng Sữa 10-30% TS 2500-1500
Thiết bị bốc hơi
- -
6
Màng treo dạng ống Sữa 10-35% TS 2000-1200
Đối lưu cưỡng bức Xi-rô đường 15-65
o
Brix 2500-1500
Màng khuấy Bột rau trái 1500-700
(Số liệu được lấy từ Saravacos và Maroulis (2001))


Hình 1
. Biểu đồ về nguyên lý của thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi (a) và màng treo (b)
L: chất lỏng ; V: hơi nước ; S: hơi.
Theo cách đó thì lưu lượng nước nhỏ nhất ở 80
o
C dạng màng dọc bề mặt sẽ là
Γ

min
= 0.008(0.356 x 68
3
)
1/5
= 0.008 x 10.23 = 0.08 kg/m.s
Màng thực phẩm lỏng có thể chảy dạng mỏng hơn so nước tinh khiết (có thể xem là sức
căng bề mặt nhỏ hơn ), tăng hệ số truyền nhiệt.
Lưu lượng nhỏ nhất đối với thực phẩm lỏng có sức căng bề mặt là 34 dyn/cm
Γ
min
=0.008(34/68)
3/5
= 0.052 kg/m.s
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
Thiết bị bốc hơi
- -
7
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
2
)
Re = 4
Γ /η
Pr = C
p
η/λ
Khi sử dụng hệ đơn vị SI thì
ϕ
1/3
có đơn vị là hệ số truyền nhiệt ( W/m

2
K)
Sự minh họa sau đây, sự chảy của màng nước tại 80
o
C trên dọc bề mặt của thiết bị có
Γ
=
0.5 kg/m.s là hỗn loạn : độ nhớt của nước ở 80
o
C là
η
= 0.356 mPas = 0.000356 Pas
Ta tính được: Re = 4
Γ /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
x 2.2 x 5618 )
1/3
= 6440 W/m
2
K.
Qua thực nghiệm nhận ra rằng hệ số truyền nhiệt chung ( U) đối với sự bay hơi của nước ở
nhiệt độ 80
o
C là U = 2000 W/m
2
K. Phương trình (7.3) có thể được dùng để xác định hệ số
truyền nhiệt thực nghiệm của bề mặt bốc hơi (h
i
), giả thiết không tích tụ bẩn : 1/h
i
= 1/U – x/
λ

- 1/h
s
. Bề dày của thành ống là x= 3 mm ( 2inch ống, 10 gause), độ dẫn nhiệt của thép không rỉ

là
λ = 15 W/mK. Hơi thứ có hệ số truyền nhiệt có thể giả định là h
s
= 10 000 W/m
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 trị hệ số truyền
nhiệt cao hơn so với giá trị thực nghiệm, nhưng nó có ích để đánh giá gần đúng các dung dịch
khác. Dự đốn hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với độ nhớt mũ 2/3 (
2/3
) .h
i
∞ 1/η

2/3

Hệ số truyền nhiệt tính tốn được của bề mặt bốc hơi (h
i
) từ U phụ thuộc nhiều vào hệ số
truyền nhiệt của hơi (h
s
) và lực cản tích lũy điều mà khó dự đốn chính xác. Vì lý do này, hệ số
truyền nhiệt thí nghiệm tổng cộng dễ nhận ra trong thực hành.
4.2.Thiết bị bốc hơi treo.

Thiết bị bốc hơi
- -
8
Thiết bị bốc hơi treo được tìm thấy trong các ứng dụng ít hơn so với thiết bị dạng màng.
Bởi vì thời gian lưu trú của nó dài hơn, nhiệt độ của quá trình và độ chênh lệch áp suất cũng
cao hơn. Điều đó đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và có thể làm nguy hại đến chất lượng
của những thực phẩm lỏng nhạy cảm vớ
i nhiệt như nước ép trái cây. Tuy nhiên, hệ thống
màng treo lại không đòi hỏi những bộ phân phối đặc biệt, chúng có hiệu suất truyền nhiệt cao
và chúng không bị ngẹt nhiều như những bộ phận trong thiết bị màng rơi.
Trong hệ thống màng treo, chất lỏng bắt đầu được đun sôi trong ống, những bong bóng hơi
nước được sản xuất ra, to dần lên và bốc lên bởi đối lưu tự nhiên. Cu
ối cùng tạo thành dạng
màng trên thành kéo dài đến tận đỉnh của ống, dẫn đến hơi nước tăng nhanh hơn. Một lần nữa,
hổn hợp chất lỏng và hơi nước được tách chất lỏng. Chất lỏng có thể tái sử dụng hay tách khỏi
chu trình sản xuất, và hơi nước thì được ngưng tụ.
Trong dàn bốc hơi kiểu màng treo, chất lỏng được cung cấp vào bên dưới của ố
ng dọc, và
nước bốc hơi dần dần cũng như hỗn hợp lỏng hơi được chuyển lên trên. Trong điều kiện lý

tưởng, bề mặt của thiết bị bốc hơi được bao phủ hồn tồn bởi màng chất lỏng và dòng hơi nước
như bong bóng, thể nút hay tầng hơi lỏng. Tại đỉnh chia của ống hơi nước với vận tốc nhanh
có th
ể lôi cuốn theo một ít chất lỏng ở dạng nhỏ giọt làm giảm hệ số truyền nhiệt. Bởi vậy, tỉ lệ
của hơi nước trong ống bốc hơi có vai trò quan trọng trong truyền nhiệt.
Đại lượng thực nghiệm của sự truyền nhiệt trong nhà máy sản xuất thử thiết bị bốc hơi
dạng màng treo đưa ra phương trình thực nghiệm có thể áp dụng đượ
c (Bourgois and
Lemaguer,1984,1987):
Nu = 8.5 Re
0.2
Pr
1/3
S
2/3

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 định tại vị trí giữa, sử dụng vận tốc trung bình và giá trị
đặc trưng.
Những giá trị thực nghiệm với sự cô đặc nước ép trái cây trong các sản phẩm thử và
thiết bị bốc hơi màng treo công nghi
ệp 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 mặ
t truyền nhiệt làm hiệu
quả hơn nhiều so với nước tinh khiết, với hệ số truyền nhiệt cao hơn.
5. Thiết bị 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 bị bốc h
ơi thử nghiệm tại xưởng thí nghiệm nông nghiệp ở New York,
Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al .,1970). Thiết bị bốc hơi đó có có một
lớp áo hơi dọc ống, đường kính 50 mm và dài 3.3 m, với bề mặt truyền nhiệt 0.46 m
2
. Số liệu
quá trình bốc hơi đạt được có nhiệt độ sôi và chế độ chảy khác nhau.
Thiết bị bốc hơi
- -
9
Hình 2 cho thấy hệ số truyền nhiệt tổng quát (U) của nước ép trái cây đã được làm trong
tăng từ 1300 đến 2000 W/m
2
K, và nhiệt độ sôi cũng tăng 20 đến 100
o
C. Giá trị tăng của U đạt
được bởi sự giảm vận tốc của dịch nước ép ở nhiệt độ cao. Những dịch ép trong là chất lưu
Newton và năng lượng hoạt hóa của dòng chảy tăng đột ngột ở độ cô đặc cao hơn( 50kJ/mol

tại 60
o
Brix (Saravacos, 1970, Saravacos and Maroulis,2001)


Hình 2
: Sự tăng hệ số truyền nhiệt tổng (U) của nước nho đã lọc với nhiệt độ sôi.
Số liệu từ Saravacos et al (1970)
Hệ số truyền nhiệt tổng giảm đáng kể khi nước ép bị cô đặc ( hình 7-3). Bởi vậy, giá trị U
của nước nho đã được lọc giảm từ 1900 đến gần 1200 W/m
2
K khi mà độ Brix có giá trị tăng từ
20 đến 65
o
Brix. Giá trị U thấp đạt được khi cô đặc nước nho chưa được lọc, 1350 đến 650
W/m
2
K. Sự giảm đáng kể trong chế độ truyền nhiệt là hiển nhiên bởi vì tích tụ bẩn trên bề mặt
bốc hơi với các phần tử và bộ phận hữu cơ, những chất kết tủa tích tụ lại. Nên chú ý đến sự cô
đặc dịch 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 dịch nước táo có lọc và không qua lọc là tương tự
nhau.(Hình 4). Dịch táo cho hệ số U có giá trị giữa 2000 và 1150 W/m
2
K trong giới hạn 10
đến 65
o
Brix, trong khi đó dịch nước không lọc có giá trị 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 bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ

Hệ thống cô loại này được thể hiện ở hình 3 , nó gồm có thiết bị cô chân không, thiết bị
ngưng tụ hơi thứ dạng tháp có ống thủy lực bơm chân không. Thiết bị cô chân không gồm có
hai phần: phần đáy gọi là buồng đốt, nó là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi hơi đốt là hơi nước
nóng từ nồi hơi hoặc từ thiết bị cô áp suất d
ư với dung dịch dang cô. Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị bốc hơi
- -
10
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 dịch 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. B
ơm chân không chỉ phải hút không khí không ngưng, chủ yếu là
không khí lẫn trong dung dịch hoặc chui vào hệ thống qua các mối ghép hở.

Hình 3
. Sơ đồ hệ thống cô chân không :
1- thiết bị cô chân không ;2- tháp ngưng tụ hơi thứ; 3- bơm chân không ;nl-nguyên liệu là

dung dịch có nông độ thấp ;sp- sản phẩm là dung dịch có nồng độ cao; hd- hơi đốt ; nn- nước
ngưng; ht- hơi thứ;n- nước mát; K- khí không ngưng.
Chiều cao ống thủy lực dưới tháp ngưng tùy thuộc áp suất chân không trong hệ thống.
Cô chân không được áp rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong công
nghiệp chê bi
ến các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm và y học. Do nhiệt bốc hơi thấp nên
không làm cháy, gây sẫm màu, mất màu đặc trưng, tổn thất vitatmin, cho sản phẩm chất lượng
cao. Nhiệt bốc hơi thấp làm cho hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch tăng dẫn
đến cường độ truyền nhiệt lớn. nhiệt độ bốc hơi thấp cho phép ta sử dụng hơi thứ
của quá trình
cô áp suất dư hay nguồn nhiệt thải của quá trình sản xuất nào đó gần kề: tổn thất nhiệt ra môi
trường xung quanh ít.
Hình 4 biểu diễn hệ thống thiết bị cô chân không với thiết bị ngưng tụ hơi thứ là loại ống
chùm có vỏ bọc. nguyên lý hoạt động của thiết bị này cũng giống như ở hình 3. Điểm khác là
hơi thứ ngưng tụ
và nước làm mát không trộn lẫn vào nhau. Hơi thứ ngưng tụ thành thể lỏng
và khí không ngừng chảy vào bình chứa, sau đó khí không ngừng được bơm chân không hút
và đẩy ra ngồi. Trường hợp này hơi thứ là sản phẩm không ngừng chảy vào hai bình số 3. Bình
số 4 dùng duy trì áp suất chân không nhằm tránh va đập thủy tĩnh cho bơm chân không.
Nói chung hệ thống một thiết bị bốc hơi năng suất thấp, hiệu quả nhiệt không cao, chỉ phù
hợp với sản xuất nhỏ. Để làm bay hơi 1Kg hơi thứ cần từ 1.05 đến 1Kg hơi đốt.
Thiết bị bốc hơi
- -
11

h.t
nl
h.d
sp
n

t.p + k
K
5
1
2
34

Hình 4.
sơ đồ hệ thống một thiết bị bốc hơi chân không với thiết bị ngưng tụ ống chùm
1-thiết bị bốc hơi; 2- thiết bị ngưng tụ; 3-bình chứa; 4- bình chứa khí không ngưng ở áp
suất chân không; 5- bơm chân không; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ; tp- thành
phẩm; n-nước mát; k- khí không ngưng.
2.Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị làm việc theo nguyên tắc cơ bản là: hơi đốt sạch ( hơi nước
nóng lấy từ nồi hơi) được cấp cho thiết bị bốc hơi thứ nhất, sau khi cấp nhiệt, nó ngưng lại
thành nước ngưng xả ra ngồi. Hơi thứ của thiết bị thứ nhất sẽ được sử dụng làm hơi đố
t cho
thiết bị bốc hơi thứ hai, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ hai lại là hơi đốt của thiết bị thứ ba v.v.
Đương nhiên do tổn thất nhiệt độ nên nhiệt độ bốc hơi của các thiết bị phía sau thấp hơn thiết
bị phía trước. Đồng thời áp suất của hơi thứ trong thiết bị phía sau thấp hơn áp suất hơi th
ứ
trong thiết bị phía trước. Aùp suất hơi thứ của thiết bị cuối cùng có thể thấp hơn áp suất khí
quyển (áp suất chân không).
Số thiết bị bốc hơi trong một hệ thống có thể là hai, ba, bốn, năm,… hoặc tối đa là mười.
Nhờ cách đấu nhiều thiết bị bốc hơi liên tiếp như vậy mà ta đã tiết kiệm được năng lượng mộ
t
cách đáng kể. Để làm bay hơi 1 kg hơi nước từ dung dịch với hệ thống hai thiết bị thì chỉ cần
0,57 kg hơi đốt sạch; với ba thiết bị là 0,4 kg; bốn thiết bị là 0,3 kg; năm thiết bị là 0,27 kg.
Sau đây là một số hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

Thiết bị bốc hơi
- -
12
2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều

Đây là hệ thống bốc hơi được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hố
chất, xem hình 5. Nguyên tắc làm việc của hệ thống này là chuyển động của dòng hơi đốt và
dung dịch cần cô (dung dịch bốc hơi nhằm nâng cao nồng độ) là dòng cùng chiều.



Hình 5.
Sơ đồ hệ thống ba thiết ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều:
1- bồn chứa dung dịch ban đầu; 2- thùng chứa cao; 3- thiết bị đo lưu lượng; 2’- bơm; 4-
bơm; 5- thiết bị gia nhiệt; 6,7,8- thiết bị bốc hơi thứ nhất, thứ hai, thứ ba; 9- thiết bị ngưng tự
có ống thuỷ lực; 10- thiết bị 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.
Dung dịch ban đầu chứa ở bồn số 1 rồi được bơm 2’ bơm lên thùng cao vị 2, có ống chảy
trào về bồn 1. Thùng cao vị có tác dụng ổn định áp lực dòng chảy. Nếu trở
lực của thiết bị gia
nhiệt 5 không lớn thì không cần bơm 4. Trước khi chảy vào thiết bị bốc hơi 6 thì dung dịch đã
được làm nóng bằng hơi thứ của chính thiết bị số 6; mức độ nâng nhiệt tuỳ thuộc vào lương
hơi thứ và thiết bị gia nhiệt. Hơi đốt sạch được cấp vào buồng đốt thiết bị số 6. Hơi thứ của
thiế
t bị số 6 được chia được chia thành 2 phần, một phần làm hơi đốt cho thiết bị gia nhiệt,
Thiết bị bốc hơi
- -

13
phần còn lại làm hơi đốt cho thiết bị bốc hơi thứ hai là số 7. Dung dịch đã được cô ở thiết bị số
6 sẽ tự chảy sang thiết bị số 7 rồi số 8 nhờ chênh lệch áp suất. Hơi thứ của thiết bị số 7 là hơi
đốt của thiết bị số 8. Hơi thứ của thiết bị số 8 được đưa sang ngưng tụ
tại thiết bị số 9. Aùp
suất của hơi thứ trong thiết bị số 8 là áp suất chân không, nên nhiệt độ bốc hơi là thấp nhất.
Dung dịch đạt nồng độ yêu cầu sẽ được bơm 15 đưa sang thùng chứa sản phẩm 11. Khí không
ngưng được bơm chân không (trong hình không thể hiện) hút và xả ra ngồi.
Ưu điểm chính của hệ thống dòng cùng chiều là không cần dùng bơm vận chuyển dung
dịch từ thiết bị bốc hơi này sang thiết bị bốc hơi phía sau. Nhược điểm của nó là làm tăng
mạnh độ nhớt do nồng độ tăng dần mà nhiệt độ lại giảm dần, nên cường độ truyền nhiệt trong
các buồng đốt giảm đi.
2.2 Hệ thống bốc hơi dòng ngược chiều

Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều được thể hiện ở hình 6. Hơi đốt đi
theo chiều từ thiết bị đầu đến thiết bị cuối còn dung dịch lại vào thiết bị cuối và ra ở thiết bị
đầu nhớ bơm. Nhiệt độ và nồng độ của dung dịch tăng dần nên hiệu quả truyền nhiệt
ở các
buồng đốt tốt hơn. Nước ngưng cũng được xả ra ngồi nhờ thiết bị xả nước ngưng (trên hình
không thể hiện).
Hệ thống bốc hơi dòng ngược chiều có ưu điểm là cường độ truyền nhiệt của các buồng đốt
gần như nhau và ở mức cao mặc dù nồng độ dung dịch tăng dần. Nhược điểm là phả
i chi phí
năng lượng cho bơm vận chuyển dung dịch, hệ thống phức tạp hơn.
Hệ thống kiểu này thường được dùng để cô dung dịch tăng nhanh độ nhớt khi nồng độ
tăng.


Hình 6.
Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều:

Thiết bị bốc hơi
- -
14
1,2,3- các thiết bị bốc hơi; 4- thiết bị 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 bị; n.l- dung dịch
nguyên liệu; sp- thùng chứa sản phẩm (dung dịch cuối).
2.3 Hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song

Đặc điểm chính của hệ thống này là dung dịch ban đầu được cấp cho tất cả các thiết bị, hơi
đốt sạch được cấp cho thiết bị thứ nhất, hơi thứ của thiết bị đầu là hơi đốt cảu thiết bị tiếp theo.
Hơi thứ của thiết bị cuối cùng được ngưng tự hồn tồn trong thiết bị ngưng tụ
có ống thủy lực.
Khi nào nồng độ dung dịch trong từng thiết bị đạt giá trị theo yêu cầu thì được tháo vào thùng
sản phẩm (xem hình 7). Hệ thống này được dùng để cô đặc các dung dịch 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 bị
trước sang thiết bị sau.

sp
h.d
h.t
1
h.t
2
h.t

3
1
2
3
n.n
n.n
n.n
K
4
sp sp
d
n


Hình 7.
Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi làm việc song song:
1,2,3- các thiết bị bốc hơi; d- dung dịch ban đầu; h.d- hơi đốt; ht
1
- hơi thứ của thiết bị thứ
nhất cũng đồng thời là hơi thứ của thiết bị thứ hai; ht
2
- hơi thứ của thiết bị thư hai đồng thời là
hơi đốt của thiết bị thứ ba; ht
3
hơi thứ của thiết bị cuối cùng; sp- thùng chứa sản phẩm; n-
nước; n.n- nước ngưng; k- không khí ngưng
2.4 Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết bị bốc hơi bổ sung

Hệ thống này được áp dụng khi nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị cuối đã quá thấp mà
dung dịch vẫn chưa đạt nồng độ mong muốn. Khi ấy, ta lắp thêm thiết bị bốc hơi sử dụng hơi

đốt có nhiệt độ cao (hơi đốt sạch) để cô tiếp dung dịch đến nồng độ mong muốn. Thiết bị lắp
thêm gọi là thiết bị
bổ sung. Hơi thứ của thiết bị cuối và của thiết bị bổ sung đều đượv ngưng
tụ trong tháp ngưng, sản phẩm lấy ra ở thiết bị bổ sung, xem hình 8
Thiết bị bốc hơi
- -
15


Hình 8.
Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thiết bị bổ sung:
1,2,3, bs- các thiết bị bốc hơi; h.d- hơi đốt sạch; d- dung dịch ban đầu; n- nước; n.n- nước
ngưng; NT- tháp ngưng tụ hơi thứ; K- không khí ngưng; sp- thùng chứa sản phẩm
IV-TÍNH THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG BỐC HƠI

4. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi
Mục đích chính của việc thiết kế một hệ thống bốc hơi là xác định khối lượng nước bốc hơi (hơi thứ),
số lượng và bề mặt truyền nhiệt, nhiệt lượng (thường là hơi nước nóng) cần cung cấp cho quá trình
bốc hơi. Hơi nước cần dùng để cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi được gọi là hơi đốt.
Các số liệu ban đầu được dùng để tính tốn là : loại dung dịch cần cô đặc ; khối lượng, nhiệt độ, áp
suất, nồng độ đầu và cuối của quá trình cô ; lượng hơi thứ dùng làm hơi đốt ; áp suất trong thiết bị
ngưng v.v. Cơ sở tính tốn là các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt của các thiết bị bốc
hơi. Số lượng thiết bị bốc hơi trong hệ thống được xác địng trên cơ sở tính tốn các kinh tế kỹ thuật. Bề
mặt truyền nhiệt của từng thiết bị bốc hơi được tính tốn thiết kế giống như các thiết bị trao đổi nhiệt đã
đề cập ở phần đầu.
4-1 Hệ thống một thiết bị bốc hơi

Nguyên 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 cô ta dựa vào phương trình cân bằng khối lượng của dung dịch (gồm
dung môi và chất hòa tan) hoặc của riêng chất hòa tan. Nếu coi tổn thất vật chất bằng không 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 quá trình bốc hơi ;
W- khối lượng hơi thứ ;
x
đ
,x
c

- nồng độ đầu, cuối của dung dịch.
Từ hai phương trình (III-1) và (III-2) ta dễ dàng thu được phương trình sau đây :
W = G
đ
.( 1 – ) (III-3)
Thiết bị bốc hơi
- -
16
Chia 2 vế của phương trình trên cho G
đ
ta có lượng nước bay hơi riêng là ω :
ω = = 1 - (III-4)
phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị bốc hơi ở hình (III-8) là : (bỏ qua nhiệt độ khử nước)
D.i
hđ
+ G
đ
.C
đ
.t
đ
= G
c
.C
c
.t
c
+ W.i
ht
+ D.i

nn
+ Q
T
(III-5)
Từ đó ta dễ dàng tìm được lượng hơi đốt cần cấp cho quá trình cô là D:

.
()
ccc d dd wt t
ht ht
GCt GC t wi Q
D
ii
−
++
=
−
(III-6)

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
đ
.C
đ
.t
đ
+ W.i
ht
+ Q
T
(III-7)
Trong đó : C
đ
, C
c
– nhiệt dung riêng của dung dịch vào, ra khỏi thiết bị ;
t
đ
, t
c
- nhiệt độ đầu, cuối của dung dịch ;
i
ht
, i
nn
- entapi của hơi đốt, nước ngưng ;
Q
T -
tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị bốc hơi ra môi trường xung quanh.
Nếu chấp nhận sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nông độ là tuyến tính thì :

C
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
– m. )
hay :
G
c
.C
c
= G
c
.( C
n
- m.x
c
) – W.C
n
= G
đ
.C
đ
– W.C
n
(III-9)
Từ phương trình (III-7) và (III-9) ta tính được nhiệt lượng Q cần cung cho quá trình bốc hơi như sau :
Q = G
đ
.C
đ
.( t
c
– t

đ
) + 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 ngồi buồng bốc hơi. Nguồn cung cấp nhiệt là hơi nước bão hòa.
Khi quá trình bốc hơi được tiến hành theo m
ẻ 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 :

1
1
1111
.
ln

d d hd hd
hd s
GC t t
Q
KF t t KF t
τ
−
==
−

(III-12)

trong đó : Q
1
– nhiệt lượng nung nóng dung dịch từ t
đ
đến t
sl
;
F – bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt ;
K

1
– hệ số truyền nhiệt trong quá trình làm nóng dung dịch ;
t
hđ
– 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.
Thiết bị bốc hơi
- -
17
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
iCt
dQ V d x d c t i d
x
ρ
ρρ
−
=+−
2
2
0
1
()
Q
hd
dQ
FKt t
τ
=
−
∫


trong đó : K
2
– là hệ số truyền nhiệt trong thời gian τ
2
, giá trị của K
2

thay đổi theo nồng độ của dung
dịch;
t – nhiệt độ sôi của dung dịch, nó thay đổi theo nồng độ dung dịch.
Giải tích phân trên bằng giải tích khó bởi vì cần phải biết sự phụ thuộc của Q, K
2
, t vào nồng độ dung
dịch. Thay vào đó, ta giải tích phân trên bằng phương pháp đồ thị. Trên trục tung của hệ trục tọa độ
vuông góc ta đặt giá trị
2
1
()
hd
Kt t−
trên trục hồnh 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 l
ượng 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
) + Q
T
(III-14)
Khi bốc hơi không thay đổi mức dung dịch :
Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi không thay đổi mức dung dịch là dQ ứng với lượng
dung dịch bổ sung là dV, bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường, được tính như sau :
dQ = i
ht
.dW + W.d(c.t.ρ ) - C
đ
.t
đ
. ρ
đ
.dV (III-15)
trong đó : ρ
đ
– khối lượng riêng của dung dịch mới nạp (nồng độ đầu của dung dịch ) ;
ρ – khối lượng riêng tức thời của dung dịch ;
C – nhiệt lượng riêng tức thời của dung dịch ;
t – nhiệt độ tức thời của dung dịch ;

dW – khối lượng hơi nước bốc hơi ( hơi thứ ) ứng với lượng dung dịch nạp thêm dV ;
V – thể tích dung dịch trong thiết bị bố
c hơi ;
V = const.
Mặc dù thể tích của dung dịch là hằng số nhưng khối lượng của nó thay đổi, bởi vì nồng độ tăng lên.
Thành phần khối lượng chất kho trong dung dịch được tính như sau :
V.d( ρ.x ) = ρ
đ
.x
đ
.dV (III-16)

hay
(.)
.
dd
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
iCt
dQ d x d ct i d
x
ρ
ρρ
−
=+− (III-20)
Ứng với thời điểm dung dịch ban đầu bắt đầu sôi ta dễ dàng tính được Q từ phương trình trên.
Thiết bị bốc hơi
- -
18
1111
.
((.)( )())
ht d d
sd ss ht s
d
iCt
QV x x ct Ct i
x
ρρ ρ ρ ρρ
−
=−−−−− (III-21)
Trong đó : c
sl

, t
sl
, ρ
sl
– nhiệt dung riêng, nhiệt độ, khối lượng riêng của dung dịch ban đầu lúc bắt đầu
sôi ;
ρ, t, c – khối lượng riêng, nhiệt độ, nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồng độ x.
Thể tích của dung dịch được xác định theo khối lượng sản phẩm :

c
c
G
V
ρ
= (III-22)
Trong đó : G
c
– khối lượng sản phẩm ;
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 sôi thì khối lượng dung dịch không thay đổi :
Q
đ
= Q
sl
= ρ
sl
.V (III-24)
Trong đó : G
sl
– khối lượng dung dịch lúc bắt đầu sôi ;
ρ
sl
– khối lượng riêng dung dịch lúc bắt đầu sôi.
Đối với dung dịch nước gần giống nhau, ta có thể lấy C
sl
= C
đ
. Ngồi ra nếu nhiệt độ đầu và nhiệt độ
lúc bắt đầu sôi gần nhau thì ρ
sl
~ ρ
đ.
Với các thiết bị bốc hơi có thiết bị truyền nhiệt như nhau, dùng cô một loại dung dịch, sau mỗi chu kì
(mỗi mẻ ) có năng suất sản phẩm như nhau thì phương pháp bốc hơi với thể tích dung dich thay đổi
(giảm dần ) thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn so với phương pháp bốc hơi

có thể tích dung dịch không đổi. Hơn nữa thờ
i gian τ để cô một mẻ của phương pháp bốc hơi với thể
tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch
không đổi. Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp thể tích thay đổi sẽ dài hơn.






4.2. Hệ thống bốc hơi liên tục

Hệ thống bốc hơi liên tục được áp dụng để cô đặc liên tục một dung dịch nào đó, vì vậy nó
còn có tên gọi là hệ thống cô liên tục. Trong hệ thống này có nhiều thiết bị bốc hơi, nó có thể
làm việc theo nguyên 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
dị
ch, 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 cô đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùng
phương trình cân bằng vật chất đối với t
ừng thiết bị một.
Thiết bị bốc hơi
- -
19

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
đ
= G
1
+ W
1
(25)
G
đ
.x
đ

= G
1
.x
1


Trong đó : G
đ
, x
đ
– là khối lượng, nồng độ của dung dịch cấp vào thiết bị thứ nhất
x
1
- nồng độ dung dịch từ thiết bị bốc hơi thứ nhất đi ra
Từ hai phương trình trên ta dễ dàng tìm được x
1
:

dd dd
1
1d1
Gx Gx
x= =
GG-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
đ
– W
1
– W
2
… W
n
) (28)
Chia cả tử số và mẫu số cho G
đ

ta có phương trình sau:

1
1
d
n
n
i
i
x
x
ω
=
=
−
∑
(29)
Trong đó : lượng nước bốc hơi riêng của thiết bị thứ i

i
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

1
1
1

; ;
ddddd
nn i
n
dn dnn

di
i
GGxGx
xx x
GW GWW
GW
−
−
=
== =
−−−
∑

Nhìn phương trình trên ta thấy: với dung dịch ban đầu có khối lượng G
đ
, nồng độ x
đ
muốn
xác định nồng độ dung dịch sau từng thiết bị cần phải biết lượng nước đã bốc hơi trong thiết bị
đó và ở các thiết bị trước nó.
Với phương pháp tính nồng độ dung dịch như trên là đã coi như là dung dịch không kết
tinh.
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 tồn 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 n
ước 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. Ngồi ra còn phải tính nhiệt lượng tổn thất ra môi tr
ường xung quanh,

Thiết bị bốc hơi
- -
20
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 tốn 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, ph
ương
pháp chung, phương pháp chung có tính đến nhiệt tiêu tốn do tăng nồng độ dung dịch.
Thiết bị bốc hơi
- -
21
Phương pháp đơn giản
i
G
i
W
i-1
E
i-1
D
i
W
i
E

i
D
i+1
i-1
G
i-1
G
i-2
D
i-1

Hình 10. Hệ thống bốc hơi liên tục:
i-1; i- là thiết bị thứ i-1; và thứ i
Phương pháp này không 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 quá trình làm việc của tồn hệ thống bốc hơi. Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi như
hình 9 thì quá trình tính tốn như sau:
Theo phương pháp đơ
n 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
i-1
– E
i-1
(32)
Trong đó :

D
i
, W
i
– là hơi đốt, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ i
E
i
– Phần hơi thứ của thiết bị thứ I không dùng làm hơi đốt cho thiết bị thứ i+1
Tương tự với hệ thống bốc hơi có n thiết bị, thì lượng nước bốc hơi (hơi thứ) trong từng
thiết bị từ thứ 1,2,3….n sẽ là:


W
1
= D
1

W
2
= W
1
– E
1
= D
1
– E
1

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

Cộng tất cả lượng hơi thứ của các thiết bị ta có lượng hơi nước đã bốc hơi khỏi dung dịch
đi qua hệ thống bốc hơi liên tục là W:

11221
1
( 1) ( 1) ( 2) 2
n
inn
i
WWnDn nEnE EE
−
−
=
= = −−−− −− −− −
∑
(34)
Từ phương trình trên ta dễ dàng tính được lượng hơi đốt được lấy từ nồi hơi cấp cho tồn hệ
thống bốc hơi là D1:

11221
12 21

nn
Wn n
DEEEE
nn n n n
−
−
−−
=+ + ++ +

(35)

4-2-3.Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống bốc hơi liên tục:

Thiết bị bốc hơi
- -
22
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
.0,01621T
2
/r (37)
Trong đó:
∆
1a
là tổn thất nhiệt độ ở diều kiện áp suất bằng áp suất khí quyển, tra bảng;
T,r – nhiệt độ sôi tuyệt đối, nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất;
∆
21
- là tổn thất nhiệt độ do trở lực của lớp dung dịch.
Giá trị của ∆21 phụ thuộc vào chiều cao của lớp dung dịch từ bề mặt truyền nhiệt của
buồng đốt đến mặt thống. Nhiệt độ bốc hơi ở bề mặt thấp hơn nhiệt độ của lớp dưới khoảng 3-
5
o
C.
∆
31
– là tổn thất nhiệt độ do đường ống dẫn hơi từ thiết bị thứ nhất đến buồng đốt của thiết
bị thứ hai.
Giá trị cu∆
31
phụ thuộc vào đặc tính của tuyến ống,∆
31
=0,5-1,5
o

C, lấy trung bình ∆
31
=1
o
C
cho mỗi thiết bị.
Tổng tổn thất nhiệt độ của một hệ thống bốc hơi liên tục được tính như sau:

123
11 1 1
nn n n
iiii
ii i i
== = =
Δ= Δ + Δ + Δ
∑∑∑ ∑
(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 b
ị 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)
Trong đó:th.d,tht- nhiệt độ của hơi đốt đang tụ trong buồng đốt, nhiệt độ của hơi thứ.
Đối với hệ thống có nhiều thiết bị bốc hơi liên tục thì:
∆t
c
= t
h.d1
–t
N
(40)
Trong đó t
h.d1
– nhiệt độ hơi đốt của thiết bị thứ nhất;
t
N
- nhiệt độ hơi đang nhưng tụ trong tháp ngưng tụ lắp sau thiết bị bốc hơi cuối cùng.
Hiệu nhiệt độ hữu ích chung của hệ thống bốc hơi liên tục được kí hiệu là ∆t:
∆t=∆t
c
-∆
i
=( t
h.d1
-t

N
) -∆
i
(41)
Để tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt trong từng thiết bị thì phải phân bố ∆t như sau:
∆t=∆t
1
+∆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.
Thiết bị bốc hơi
- -
23
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
, ∆t
2
…∆t
n
được tính như sau:
∆t
1
= t
h.d1
– t
1

Mà t
1
= t
ht1
+∆
1.1
và ∆
2.1

Nên ∆t

1
=t
hd1
– t
ht1
- ∆
1,1
-∆
2,1

∆t
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
- ∆
3.1

Tương tự đối với thiết bị thứ i ta có:
∆t
i
= t
ht(i-1)
– t
hti
- ∆
1.i
-∆
2.i
-∆
3(i-1).

Với thiết bị thứ n( sau cùng) ta có:
∆t
n
= t
hdm
–t
n

Nhưng : t
ndn
= t
ht(n-1)
- ∆
3(n-1)

t
n
= t
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,…, thứ n;
∆
21
,∆
22
…∆
2n
- tổn thất nhiệt độ do trở lực của dung dịch trong thiết bị bốc hơi thứ nhất,…
thứ n;
∆
31

,∆
32
…∆
3n
- tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ của thiết bị thứ 1,…, thứ n.
Đối với trường hợp thứ 2 thì khi tính ∆t1,∆t2…∆tn dựa trên điều kiện bề mặt truyền nhiệt
của các buồng đốt là bằng nhau(F1=F2=…=Fn), nghĩa là:

1
1
i
i
n
i
i
i
Q
t
K
Q
K
=
Δ
Δ=
∑
(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:

12

n
t
tt t
n
Δ
Δ=Δ= =Δ=


Với đẳng thức 45 ta dễ dàng tính được các giá trị ∆t1,∆t2…∆tn. Chẳng hạn với thiết bị thứ
I ta có:

Thiết bị bốc hơi
- -
24
2
12
1

n
n
Q
QQ
KK K
===


Cách tính thứ hai này được ứng dụng nhiều nhất.Phương pháp tính ∆t1,∆t2,…∆tn theo điều
kiện tổng bề mặt truyền nhiệt của các buồng đốt(F1+F2+…+Fn) là nhỏ nhất ít được dùng vì

các buồng đốt sẽ có F1#F2# #Fn. Như vậy sẽ không kinh tế khi chế tạo, lắp đặt sửa chữa thay
thế các thiết bị trong hệ thống bốc hơi.
Trường hợp thứ t
ư là tính ∆t1,∆t2…∆tn theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các buồng
đốt là bằng nhau và tổng của chúng là nhỏ nhất phải thõa mãn cùng 1 lúc đẳng thức sau:
∆t1=∆t2=…=∆tn=∆t/n (47)
Q1/K1=Q2/K2=…=Qn/Kn (48)
Để thõa mãn điều kiện 48 thì nhiệt tải của các thiết bị của các thiết bị phải tỉ lệ thuận với
hệ số truyền nhiệt củ
a chúng. Muốn vậy thì lượng hơi thứ trích ly( không dùng làm hơi đốt cho
thiết bị sau) phải được xác định chính xác. Điều đó cũng không thuận tiện vì đôi khi không
biết dùng hơi thứ trích ly vào việc gì.
SỐ LƯỢNG THIẾT BỊ TỐI ƯU

Trong hệ thống bốc hơi liên tục nhiều thiết bị thì việc xác định số lượng thiết bị dựa trên các
tính tốn kinh tế kỹ thuật. Đó là các chi phí đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất. Số lượng thiết
bị được lựa chon sao cho tổng chi phí đầu tư và chi phí sản xuất là nhỏ nhất, xem hình ( 10).


Hình 11
.Đồ thị lựa chọn số thiết bị tối ưu:1- chi phí khai
thác sản xuất; 2- chi phí đầu tư; 3- tổng chi phí; T- chi phí;
n- số thiết bị; n
t
- số thiết bị tối ưu



Nếu số lượng thiết bị nhiều lên sẽ làm giảm chi phí hơi
đốt sạch, chi phí vận hành (10) (chi phí sản xuất) giảm,

nhưng lại làm tăng vốn đầu tư xây dựng. Số thiết bị trong hệ
thống bốc hơi liên tục vào khoảng từ 3 đến 5.
V-CÁC THIẾT BỊ BỐC HƠI
Thiết bị bốc hơi bao gồm rất nhiều loại như: thiết bị bốc hơi để tăng nồng độ của một dung
dịch nào đó (còn gọi là thiết bị cô đặc), thiết bị bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở dạng rắn
(còn gọi là thiết bị kết tinh) thiết bị thu hồi dung dịch tinh khiết, thiết bị bay hơi thu nhiệt (thiết
bị
bốc hơi trong máy lạnh); thiết bị sấy. Trong chương này chúng ta không đề cập đến thiết bị
bay hơi thu nhiệt và thiết bị sấy.
Thiết bị bốc hơi trước hết nó là một thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và dung dịch,
vì vậy nó phải thỏa mãn mọi vấn đề của thiết trao đổi nhiệt; đồng thời nó còn đáp ứng được
yêu c
ầu công nghệ của quá trình sôi có tạo bọt hay không tạo bọt, tránh được các hạt chất lỏng
đi theo hơi thứ, tránh được bám bẩn bề mặt truyền nhiệt.
Khi đun sôi các dung dịch có độ nhớt cao và sức căng bề mặt nhỏ (chẳng hạn các dung
dịch của các chất có nguồn gốc thực vật hoặc động vật) đều xảy ra hiện tượng tạo bọt. Vì vậy,
các thiết b
ị dùng để cô các dung dịch loại này phải có kết cấu phù hợp (không gian bay hơi