Tiểu luận kỹ thuật chân không

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

TIỂU LUẬN CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CHÂN KHƠNG

Cơ đặc chân khơng
Giảng viên hướng dẫn: Ths Hồng Minh Nam
Sinh viên thực hiện:
1. Đinh Thi Thiên

1713270

2. Võ Chí Thanh

1713115

3. Trần Trọng Thiện

1713313

4. Phan Quốc Thịnh

1713329

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4, 2020.



Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
LỜI GIỚI THIỆU

Trong cơng 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 cơ đặc
chân khơng, mơ tả hệ thống cơ 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.

i


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
MỤC LỤC
1. KHÁI NIỆM CƠ ĐẶC CHÂN KHƠNG .......................................................... 1
1.1. Định nghĩa cơ đặc ........................................................................................... 1
1.2. Nhiệt động học q trình cơ 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. Bơm chân không ........................................................................................... 14
3.4. Thiết bị khác ................................................................................................. 15
4. ỨNG DỤNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG TRONG CÔNG NGHIỆP ............. 17
5. KẾT LUẬN ...................................................................................................... 19
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 20

ii

Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
1. KHÁI NIỆM CƠ ĐẶC CHÂN KHƠNG:
1.1. Định nghĩa cơ đặc:
Cơ 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 khơng
bay hơi trong q trình đó), ta có thể tách một phần dung mơi (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 q trình cơ đặc:
Q 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 sơi của sản phẩm.
Đối với q trình cơ 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 q 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 ngồi
tác dụng lên mặt thống 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 khơng (p < 1 atm). Đó là
phương pháp cô đặc chân không.[1]

1

Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
2. ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG:
Nếu chỉ xét dựa trên tính kinh tế, thì q trình cơ đặc ở áp suất cao sẽ hiệu quả hơn ở
áp suất chân khơng, vì chi phí của một hệ cơ đặc chân khơng phụ thuộc phần lớn vào chi
phí hơi ngưng tụ cung cấp cho q trình bay hơi dung mơi[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,
khơng phải lúc nào q trình cơ 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, ngồi 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, q trình cơ đặc phải thực hiện
ở áp suất chân không để giữ được chất lượng sản phẩm.[3]
2.1.2. Tạo động lực q trình lớn hơn:
Nhiệt độ sơi của dung dịch ở áp suất chân khơng 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 thốt nhiệt, thiết bị cơ 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 q
trình cơ đặc tương đối thấp, thiết bị cô đặc dưới áp suất thấp không cần bọc cách nhiệt.[2]

2

Tiểu luận cơng nghệ sản xuất chân khơng
2.1.4. An tồn:
Q trình cơ đặc sẽ lập tức dừng lại khi mơi trường chân khơng bị phá hủy. Trong khi
với q trình cô đặc dưới áp suất cao, trong trường hợp quá áp, cần một khoảng thời gian
để xả hơi thứ trong thiết bị và tháo liệu ra ngồi. Vì vậy, có thể nói việc điều khiển an tồn
cho cơ đặc chân không dễ làm và đáng tin cậy hơn việc điều khiển an tồn cho cơ đặc ở áp
cao.[2]
2.1.5. Giảm ăn mịn:
Tốc độ ăn mịn 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 q trình cơ đặc, địi 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 q trình cơ đặc chân khơng để tái
sử dụng với giá thành thấp hơn.[2]
2.2.2. Hệ thống phức tạp:

Hình 2.1. Cơ đặc ở áp suất thường trong

Hình 2.2. Cơ đặc ở áp suất chân không

trường hợp lý tưởng.[2]

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.

Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
So sánh giữa Hình 2.1 và Hình 2.2, có thể thấy rằng cơ đặc chân khơng địi hỏi một
hệ thống máy móc thiết bị phức tạp hơn cô đặc ở áp suất cao. Hệ cơ đặc chân khơng ngồi
phát sinh thêm bơm chân khơng cịn thêm bơm chất lỏng để xả hơi nước ngưng tụ và dịng
sản phẩm cơ đặc ra khỏi thiết bị.
Cịn với cơ 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, cịn với dịng sản phẩm thì thơng thường cần thêm
một vịng điều khiển mức.[2]

4


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
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 cơ đặc, thiết bị ngưng tụ và
bơm chân khơng. Ngồi 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 cơ đặc chân
khơng một nồi và hệ thống cơ đặc chân khơng 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. mơ tả hệ thống cơ đặc chân khơng một nồi có lắp thêm thiết bị truyền nhiệt
(4) để tận dụng nhiệt của hơi thứ bốc từ nồi cơ 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 khơng ngưng sẽ được hút vào bơm chân khơng (3) để duy trì độ
chân khơng 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 khơng. - 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


Tiểu luận cơng nghệ sản xuất chân khơng
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 ngồi ít hơn nhiều so với tiêu hao trong hệ thống cô đặc một nồi.
Dung dịch cơ đặc và tác nhân cấp nhiệt có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều
với nhau giữa các nồi cơ. 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 khơng hai vỏ:

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

6


Tiểu luận cơng nghệ sản xuất chân khơng
1. Vỏ ngồi – 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 khơng – 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.


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.2.2. Thiết bị cơ đặc chân khơng đối lưu tự nhiên:

Hình 3.4. Thiết bị cô đặc chân không đối lưu tự nhiên buồng đốt ngồi.[2]
A. Dịng nhập liệu – B. Hơi thứ - C. Dung dịch cô đặc – D. Ống dẫn hơi – E. Nước ngưng
tụ.
1. Buồng đốt – 2. Buồng bốc – 3. Ống tuần hoàn.
Nguyên lý hoạt động:
Dịch ngập trong lịng các ống nhỏ được đốt nóng bằng hơi nước chứa trong vùng
không gian giữa các ống chùm sẽ bốc hơi một phần, tạo thành một hỗn hợp hơi và lỏng nhẹ
hơn dịch, nên chuyển động theo ống đi lên vùng bốc hơi. Ở đây, hơi được tách khỏi dịch
và cuốn về thiết bị ngưng tụ , ngưng tụ lại tạo chân khơng, cịn hơi khơng ngưng được bơm
chân khơng 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, khơng 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]

8


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.2.3. Thiết bị cơ đặc chân khơng 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 khơng ngưng.
Ngun lí hoạt động:
Trong thiết bị màng mỏng chuyển động lên, dịch được đưa vào phía dưới chùm ống
1

1

4

5

nhiệt và giữ mức sơi ở - chiều cao của ống. Những bóng hơi nước tạo thành phình to,
chuyển lên, hóa thành một dòng hơi phụt lên và kéo theo màng dịch. Màng dịch mỏng được
hơi kéo theo bốc hơi cô đặc và cuốn vào bộ phận tách lỏng. Ở đây dịch cô đặc được tách

khỏi hơi thứ. Công nghệ này thường áp dụng cho q trình cơ đặc sữa.[3]
Ưu điểm: Hiệu quả truyền nhiệt cao hơn so với hệ cô đặc chân khơng đối lưu tự nhiên.
Khơng cần tuần hồn (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 q
trình cơ đặc các sản phẩm kém bền nhiệt


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.2.4. Thiết bị cơ đặc chân khơng màng mỏng chuyển động xuống:

Hình 3.6a. Thiết bị cơ đặc chân khơng

Hình 3.6b. Bộ phân chia lỏng của thiết bị

màng mỏng chuyển động xuống.

cô đặc chân khơng màng mỏng chuyển

1. Dịng nhập liệu – 2. Buồng bốc – 3. Bộ

động xuống.[5]

tách lỏng – 4. Ống dẫn hơi.

1. Vòi nhập liệu – 2. Đĩa phân phối lỏng
(spreader plate) – 3. Tác nhân gia nhiệt –
4. ống đồng trục – 5. Cửa ra (openings) –
6. Hơi thứ - 7. Ống dung dịch cô đặc.

Nguyên lý hoạt động:
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 cơ đặc chân khơng 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 sơi, hơi thứ tạo thành đóng vai trị lơi kéo sản phẩm tạo thành lớp màng mỏng

10


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
trên thành ống. Sau khi ra khỏi các ống, một lượng dung dịch cơ đặc sẽ nằm trong nồi cơ
đặc, lượng cịn 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 cơ 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 khơng đối lưu tự nhiên.
Do dịng chảy từ trên xuống nên tổn thất áp suất dịng chảy ít hơn so với dịng 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.
Ngồi ra, việc dịng chảy từ trên xuống giúp cho việc cô đặc các dung dịch mang tính
nhớt cao được dễ dàng hơn dịng chảy từ dưới lên.
Thêm nữa, vì dịng chảy cùng chiều trọng lực, nên hơi thứ khơng cần lực mạnh để lơi
kéo dịng lỏng, vì vậy áp suất và nhiệt độ của hơi thứ khơng cần phải q cao, vì thế có thể
chọn cơng nghệ này khi cơ đặc dung dịch có tính kém bền nhiệt. Ví dụ, cơng nghệ này
thường được áp dụng trong cơ 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
khơng nhẹ và vừa, vì vậy cần sử dụng ống ngắn với đường kính lớn hơn. Đặc biệt, trong

trường hợp tạo áp suất chân khơng sâu thì khơng 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]


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
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, chết 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
cơng nghệ này với dung dịch có độ tinh khiết cao, ví dụ như q trình cơ đặc đường.[2]
3.2.6. Thiết bị cơ đặc chân khơng đối lưu cưỡng bức:

Hình 3.8. Thiết bị cơ đặc chân khơng đối lưu cưỡng bức.[2]
A. Dịng nhập liệu – B. Dịng hơi thứ - C. Dung dịch cơ đặc – D. Dòng hơi nước vào
1. Buồng đốt – 2. Buồng bốc – 3. Bơm đối lưu – 4. Bơm tháo liệu.

12

Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
Nguyên lý hoạt động:
Dòng nhập liệu bị hút bởi bơm đối lưu và đẩy lên buồng đốt là thiết bị ống chùm thẳng
đứng hay đặt nằm ngang (với thiết bị ống chùm đặt nằm ngang, sử dụng thiết bị ống chùm
2 khoang) để đun nóng, nhưng do áp suất thủy tĩnh nên trong giai đoạn đun nóng này, dung
dịch cần cơ đặc chưa đạt đến trạng thái sôi. Khi được đẩy lên đến buồng bốc với áp suất
nhỏ hơn áp suất của dung dịch cần cô đặc, dung môi trong dung dịch sẽ lập tức bay hơi
(flash), 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 ống đối lưu, và được bơm đối lưu đẩy trở lại buồng đốt. Trong hệ
thống có bơm tháo liệu để đưa một phần dung dịch cơ đặc ra ngồi.
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.
Cơng nghệ này có thể được ứng dụng trong cơ 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.


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.3. Bơm chân không trong hệ thống cô đặc chân không:
Để tạo và duy trì độ chân khơng trong hệ thống cơ đặc chân khơng, người ta thường
dùng bơm vịng nước.[6]

Hình 3.9. Bơm chân khơng vịng nước.[3]
Có hai ngun nhân chính dẫn đến việc lựa chọn bơm vịng nước cho hệ thống cơ đặc
chân không. Một là loại bơm này với áp suất giới hạn từ 300 – 350 mbar đã có thể đáp ứng
yêu cầu về độ chân không trong các hệ thống cô đặc. Yếu tố quyết định hơn là do bản chất
của q trình cơ đặc là bay hơi dung môi, mà trong công nghiệp sản xuất thực phẩm, dược

phẩm thì dung mơi cần bay hơi chủ yếu là nước, vì vậy bơm chân khơng vịng nước với lợi
thế hút các loại khí có bụi hoặc hơi nước được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống cô đặc
chân không thực tế.
Thông thường, trong một hệ thống cô đặc chân khơng sẽ lắp đặt 2 bơm vịng nước.
Trong giai đoạn khởi động (quick start-up), cả hai bơm sẽ cùng hoạt động, nhưng khi đã đi
vào ổn định, để duy trì độ chân khơng thì chỉ cần một bơm hoạt động.
Cần lưu ý đến vật liệu để chế tạo bơm vòng nước phải là vật liệu khơng rỉ, có tính
chống ăn mịn cao vì hoạt động trong mơi trường có tính ăn mòn rất lớn.

14


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.4. Thiết bị khác:
Nhằm tái sử dụng triệt để dòng nhiệt từ hơi thứ và các dịng vào, ra, trong hệ thống cơ
đặc chân khơng có thể có thêm bơm nhiệt hoặc máy nén khí để tái sử dụng hơi thứ.
3.4.1. Bơm nhiệt:

Hình 3.10a. Bơm nhiệt trong cơng nghiệp.

Hình 3.10b. Ngun lý hoạt động bơm nhiệt.


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
3.4.2. Máy nén hơi thứ:

Hình 3.11. Máy nén cơ học hơi thứ trong cơng nghiệp.[2]

Hình 3.11b. Năng lượng nén tương ứng với áp suất hơi thứ.[2]

16


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
4. ỨNG DỤNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG TRONG CÔNG NGHIỆP:
Dựa vào những ưu điểm, nhược điểm của hệ thống cô đặc chân không như đã trình
bày ở Mục 2., cơng nghệ này đang được áp dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất thực
phẩm, dược phẩm, hốt chất, v.v.
Dưới đây là hình ảnh của một số hệ thống cô đặc chân không trong thực tế.

Hình 3.1. Hệ thống cơ đặc chân khơng và kết tinh muối ăn.[4]
Hình 3.1. minh họa hệ thống kết tinh muối ăn trong công nghiệp do công ty GEA
Messo thiết kế. Giai đoạn cô đặc được thực hiện trong áp suất chân không bằng hệ 3 nồi cô
đặc tuần hồn cưỡng bức, có máy nén hơi để xử lí hơi thứ từ hệ cô đặc chân không trước
khi tái sử dụng làm tác nhân gia nhiệt cho dung dịch. Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà
muối ăn sản phẩm có thể đạt độ tinh khiết lên tới 99,9%.[4]


Tiểu luận cơng nghệ sản xuất chân khơng

Hình 3.2. Hệ thống cơ đặc sữa.[5]
1. Bể điều hịa.
2. Bơm nhập liệu.

5. Hệ thống làm mát (phần trên là bộ
phận ngưng tụ).
6. Buồng bốc chân không.

3. Buồng đốt (phần trên là bộ phận
ngưng tụ).

7. Bơm tuần hoàn.

4. Buồng đốt (điều chỉnh nhiệt độ vào

8. Bơm chân khơng.

buồng bốc).
Hình 3.2. mơ tả hệ thống cơ đặc chân khơng một nồi tuần hồn cưỡng bức, dùng trong
những quy trình yêu cầu nổng độ sản phẩm khơng q cao, ví dụ như cơ đặc sữa từ 13%
lên 14,5% hoặc 16,25%. Đầu tiên, sữa được bơm từ bể điều hòa tới buồng đốt 3 và buồng
đốt 4 để gia nhiệt lên đến 900C, sau đó nhập liệu vào buồng bốc theo phương tiếp tuyến,
hình thành lớp màng mỏng trên thành buồng bốc. Nước sẽ bay hơi ra khỏi lớp màng mỏng
này, về bộ phận ngưng tụ 3 và 5, cịn khí khơng ngưng sẽ được hút bởi bơm chân không
nhằm đảm bảo độ chân không cho hệ thống. Phần lớn dịng sản phẩm sau cơ đặc sẽ được
tuần hoàn vào buồng bốc sau khi nhờ bơm ly tâm quay lại buồng đốt.[5]

18


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
5. KẾT LUẬN:
Hệ thống cơ đặc chân khơng gồm các bộ phận chính là nồi cô đặc, bơm chân không,
thiết bị ngưng tụ. Trong phạm vi tiểu luận này đã tập trung trình bày hai trong ba thành
phần chính, đó là nồi cơ đặc và bơm chân khơng. Trong đó, nồi cơ đặc được chia thành 3
nhóm: nồi cơ đặc dung dịch đối lưu tự nhiên, nồi cô đặc dung dịch đối lưu cưỡng bức và
nồi cô đặc dung dịch chảy thành màng. Tùy theo q trình cơ đặc sản phẩm gì mà mỗi loại
nồi cô đặc được cân nhắc lựa chọn. Về bơm chân khơng, trong cơ đặc thường dùng bơm
vịng nước.
Ngồi các bộ phận chính, để tận dụng triệt để nguồn nhiệt từ hơi thứ, các bộ phận

khác được lắp đặt như bơm nhiệt, máy nén hơi thứ,…
Cô đặc chân không là công nghệ đã, đang và cần được áp dụng rộng rãi trong sản xuất
thực phẩm, dược phẩm, hóa chất,… nhờ những đặc điểm như đã phân tích trong bài tiểu
luận.


Tiểu luận công nghệ sản xuất chân không
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Văn Bơn (chủ biên). (2004). Q trình và Thiết bị trong cơng nghệ hóa học
và thực phẩm. Quyển 5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt ổn định. Tập 1: Truyền nhiệt ổn
định. NXB Đại học Quốc gia TPHCM.
[2] Wolfgang Jorisch. (2015). Vacuum Technology in the Chemical Industry. WileyVCH.
[3] Lê Nguyên Đương. (1987). Ứng dụng chân không trong công nghiệp. NXB khoa
học và kỹ thuật.
[4] Gea Messo PT. Salt Processes. Gea Messo PT.
[5] Gösta Bylund. Dairy processing handbook. Tetra Pak Processing Systems AB
[6] ING. JAN PISECKY. Handbook of milk powder manufacture. Gea Messo PT.

20