CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH BỐC HƠI VÀ CÔ ĐẶC

CHƯƠNG : CÔ ĐẶC – BỐC HƠI
3.1. Mở đầu
3.2. Công nghệ cô đặc một nồi
3.3. Công nghệ cô đặc nhiều nồi.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 1
3.1. Mở đầu
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi (thường là nước) của dung
dịch chứa chất hòa tan không bay hơi tại nhiệt độ sôi nhằm mục đích:
•
Làm tăng nồng độ chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc);
•
Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh);
•
Thu hồi dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 2
•
Trong công nghiệp 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 (nước) được tách khỏi dung dịch dưới
dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch thì không bay hơi, nên nồng độ
của dung chất tăng dần lên.
•
Hơi của dung môi (nước) được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi
thứ.

Nếu hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một quá trình khác, nếu dùng
hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì hơi đó gọi là hơi phụ.

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc 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 đun nóng (hơi đốt).
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 3
Một số tính chất của dung dịch
1) Nhiệt hòa tan: Khi hòa tan các chất rắn trong dung môi thì với đa số trường hợp dung dịch nguội đi (nhiệt nóng chảy).
)
Mặt khác chất hòa tan lại có tác dụng hóa học với dung môi tạo thành solvat (khi hòa tan trong nước thì tạo thành hidrat)
và tỏa nhiệt gọi là nhiệt solvat hóa. Do đó nhiệt hòa tan chính là tổng đại số của nhiệt nóng chảy và nhiệt solvat hóa và qui ước
giá trị của nhiệt hòa tan mang dấu + khi tỏa nhiệt, dấu – khi thu nhiệt.
)
Nhiệt tích phân của quá trình hòa tan là lượng nhiệt tính bằng Joule được thu vào hay tỏa ra khi hòa tan 1kg chất rắn (hay
dung dịch có chứa 1kg chất rắn) vào một lượng dung môi vô cùng lớn, nghĩa là loãng đến mức dù có pha loãng hơn nữa cũng
không kèm theo một hiệu ứng nhiệt nào cả.
)
Thực tế hiệu ứng nhiệt không quan sát được khi hòa tan 1 mol chất rắn trong lượng dung môi bằng hay lớn hơn 300 mol.
Các chất dễ tạo thành hidrat thì có giá trị nhiệt hòa tan dương, còn các chất không tạo thành hidrat thì có giá trị nhiệt hòa
tan âm. Nhiệt hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất hòa tan, dung môi và nồng độ.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 4
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 5
Chất hòa tan Phân tử lượng Nhiệt hòa tan, kJ/kmol Số kmol nước
NaCl
Na
2
SO
4
Na
2
SO
4
.10H
2

O
NaNO
3
K
2
CO
3
. 1,5H
2
O
KCl
KNO
3
KOH.2H
2
O
(NH
4
)
2
SO
4
CaCl
2
.6H
2
O MgCl
2
.6H
2

O
58,5
142
322
85
165
74,5
101
92
132
219
203
+4.932,4
-1.922,8
+78.416,8
+21.025,4
+1.588,4
17.514,2
+35.613,6
+125,4
+9.906,6
+18.015,8
-12.331
100
400
400
200
400
100
200

170
400
400
400
Bảng 3.1. Nhiệt hòa tan của một số chất rắn trong nước.
•
Khi cô đặc cần biết lượng nhiệt ∆q thay đổi theo nồng độ, đại lượng này
được xác định như sau
∆q = q
2
– q
1
•
Với q
1
và q
2
là nhiệt tích phân của dung dịch ở nồng độ x
1
và x
2
, trị số ∆q
tỏa nhiệt khi pha loãng dung dịch từ x
1
đến x
2
thì sẽ thu nhiệt khi cô đặc từ x
2

đến x

1
.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 6
2. Nhiệt độ sôi của dung dịch
•


Hiệu số giữa nhiệt độ chất tải nhiệt (hơi đốt T và nhiệt độ
sôi của dung dịch T’ là một trong những yếu tố xác định
diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị.

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của
dung môi và chất hòa tan. Khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi
tăng.

Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở cùng áp suất. Theo định luật Raoult
(3.2)
Trong đó P
bh
: áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất
P : áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch
n : số mol của chất hòa tan
N : số mol của dung môi (trong chương này, dung môi là
nước)
•

5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 7

Từ (3.2) cho thấy P

bh
≥ P nghĩa là áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung môi nguyên chất
luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch tại nhiệt độ bằng nhau.

Cũng từ (3.2) khi tăng n (tăng nồng độ dung dịch) thì P sẽ giảm. Hiệu số ∆P = P
bh
– P gọi là độ giảm
áp suất của dung môi trên dung dịch.

Nếu tại cùng một nhiệt độ áp suất của dung môi trên dung dịch luôn nhỏ hơn áp suất của dung môi
trên dung môi nguyên chất thì ngược lại khi có cùng áp suất bên ngoài như nhau thì nhiệt độ sôi của
dung dịch sẽ luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 8
Hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
∆’ = T – T
S

∆’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất.

∆’ cũng phụ thuộc vào chất hòa tan và nồng độ

Đại lượng này được gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ và được xác định bằng thực nghiệm.

Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ tại một áp suất khác cho những chất không có giản đồ
Duhring có thể áp dụng theo qui tắc Babo:

Độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch ở nồng độ đã cho là
một đại lượng không đổi không phụ thuộc nhiệt độ sôi, nghĩa là:
= const (3.3)
do đó = const


Biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất nào đó thì có thể xác định
được nhiệt độ sôi tại áp suất khác.
•

5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 9
Ví dụ
Xác định nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất 0,75 at, biết rằng ở áp suất thường (1
at) dung dịch sôi ở 110
0
C.
Vì ở 110
0
C áp suất của hơi nước bão hòa là 1,46 at, do đó
=
Khi P = 0,75 at thì P
bh
tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch là
= 1,50

Suy ra P
bh
= 1,125 at, từ đó xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất
0,75 at bằng nhiệt độ sôi của nước ở 1,125 at là 102,5
0
C.

Qui tắc này áp dụng cho dung dịch loãng, đối với dung dịch đậm đặc phải thêm
hệ số hiệu chỉnh. Trị số của hệ số hiệu chỉnh khi sối ở áp suất thấp cho trong
bảng.

•

5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 10
Độ tăng nhiệt độ sôi do áp suất thủy tĩnh
Ví dụ nước đun sôi trong ống đứng ở áp suất thường, trên miệng ống sôi
ở 100
0
C, ở độ sâu 4m sôi ở 108,7
0
C, nguyên nhân sai biệt độ sôi trên là
do áp suất thủy tĩnh của chất lỏng. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi ở độ sâu
trong chất lỏng T
(p+∆p)
với nhiệt độ sôi trên bề mặt T
p
gọi là tổn thất
nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
∆’’ = T
(p+∆p)
– T
p
(3.4)
Áp suất thủy tĩnh trong tính toán lấy trị số trung bình
∆p = g.h, N/m
2
(3.5)
Với �/2: khối lượng riêng của dung dịch ở dạng bọt, kg/m
3
, lấy gần
đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch

g : gia tốc trọng trường, m/s
2
h : độ sâu của chất lỏng tính từ mặt thoáng đến giữa ống truyền
nhiệt, m
•

5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 11
3.2. Công nghệ cô đặc một nồi
3.2.1 Cô đặc một nồi gián đoạn
•
Thường sử dụng khi năng suất nhỏ và chi phí nhiệt năng nhỏ so với các chi phí khác.
•
Thường làm việc theo một trong ba phương pháp sau:
1. Cho dung dịch nhập liệu vào một lần ban đầu rồi đun sôi, bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi đạt
yêu cầu.
2. Cho dung dịch nhập liệu vào ban đầu đến một mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa cho tiếp dung dịch vào để giữ
cho mức dung dịch trong thiết bị không đổi.
3. Cho dung dịch nhập liệu vào ban đầu đến mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa cho tiếp dung dịch vào để giữ khối
lượng dung dịch trong thiết bị không đổi. Vì khối lượng riêng của dung dịch tăng khi nồng độ tăng do đó mức dung dịch trong
thiết bị sẽ giảm.
•
Trong quá trình cô đặc gián đoạn, nồng độ của dung dịch thay đổi (tăng) liên tục do đó các tính chất vật lý của
dung dịch cũng thay đổi.
•
Lượng nhiệt tiêu hao trong quá trình được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt cho hai giai đoạn: đun nóng
dung dịch đến nhiệt độ sôi và duy trì quá trình sôi (bốc hơi) của dung dịch.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 12
3.2.2. Cô đặc một nồi liên tục
Trong thực tế thường hay gặp quá trình cô đặc một nồi hoạt động liên tục. Ưu điểm của quá trình này là:


chế độ làm việc tương đối ổn định nhưng do nồng độ của dung dịch trong thiết bị gần bằng nồng độ lúc cuối vì vậy hệ số
truyền nhiệt thấp hơn hệ số truyền nhiệt trung bình của quá trình cô đặc gián đoạn.

Hình mô tả sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi liên tục. Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm vào thùng cao vị 3, sau đó
chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5, tại đây dung dịch được đun nóng trước đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết
bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng
tụ.

Trong thiết bị ngưng tụ nước lạnh phun từ trên xuống làm ngưng tụ hơi thứ thành lỏng chảy xuống qua ống baromet 11
ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 vào bơm hút chân không.
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 13
Cô đặc một nồi liên tục
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 14
3.3. Công nghệ cô đặc nhiều nồi.

Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều nồi sẽ giảm khi số nồi tăng lên.
Sau đây là một số số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt (kg) để bốc hơi 1kg hơi thứ.
Trong hệ thống một nồi: 1,1 kg hơi đốt/kg hơi thứ
hai nồi: 0,57 kg hơi đốt/kg hơi thứ ba nồi: 0,40 -
bốn nồi: 0,30 -
năm nồi: 0,27 –
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 15
Cô đặc nhiều nồi liên tục xuôi chiều
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 16
Cô đặc nhiều nồi liên tục nghịch chiều
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 17
Thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 18
Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm có ưu điểm:


cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch

nhưng có nhược điểm là tốc độ tuần hoàn bị giảm vì
ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thẳng đứng
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 19

Các ống truyền nhiệt có thể làm dài (đến 7m) để tốc
độ tuần hoàn lớn nên tốc độ bốc hơi lớn.

Có thể ghép một vài phòng đốt với một phòng bốc hơi
để hoạt động luân phiên khi cần làm sạch và sửa chữa
đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục.
Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài năm ngang
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 20
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 21
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 22
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 23
Bảng hơi nước tại áp suất nhỏ hơn 1at
5/29/14 Chương 3 - Cô đặc - Bốc hơi 24
P, kg/cm
2
T,
0
C r, kJ/kg P, kg/cm
2
T,
0
C r, kJ/kg
0,02 17,5 2.460 0,20 60 2.358

0,03 24,1 2.445 0,30 69 2.336
0,04 29,0 2.433 0,40 75,9 2.319
0,05 32,9 2.424 0,50 81,4 2.305
0,06 36,2 2.416 0,60 86 2.394
0,07 39,0 2.409 0,70 90 2.283
0,08 41,5 2.403 0,80 93,5 2.274
0,09 43,8 2.398 0,90 96,7 2.266
0,10 45,8 2.393 1,00 100 2.258