thiết kế bốc hơi

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

2. Thiết bò cô đặc nén hơi 42
3. Thiết bò cô đđặc có bơm nhiệt 46
4. Phối hợp thẩm thấu ngược\ cô đặc 46
5. Sự khử muối từ nước 46
6. Thiết bò bốc hơi tận dụng nhiệt thải 46
IX. Nguyên lý thiết kế: 47
1.Lựa chọn thiết bò bốc hơi 47
2.Lựa chọn vật liệu 48
Thiết bò bốc hơi
IX. Các thành phần của thiết bò bốc hơi 50
Thân của thiết bò bốc hơi 51
1. Thiết bò thiết bò tách lỏng hơi 53
2. Thiết bò ngưng tu 54ï
3. Hệ thống chân không 55
4. Điều chỉnh thiết bò bốc hơi 56
5. Nguyên cứu thiết bò bốc hơi 56
6. Vấn đề vệ sinh 57
- -
2
Thiết bò bốc hơi
I.GIỚI THIỆU
Sự bay hơi là một quá trình tách rời vật lý, nó lấy đi phần hơi từ dung dòch 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 như 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 đònh của
sản phẩm.
Sự bay hơi được taọ ra như là 1 quy trình cơ bản của việc cô đặc thức ăn lỏng, mặc 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% ).
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

C) và nó giảm đáng kể khi
thành phần hữu cơ có mặt trong dung dòch. Sức căng bề mặt của dung dòch 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 dòch cô đặc muối
ăn và kiềm.
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 toán 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 bò 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 dòch 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 q 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 qt:
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 mơi trường nhiệt với mơi trường sơi. U thường được xác định bằng thực

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)

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 cơng
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.
Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vơ cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủa
protein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đơng 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 cơ đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây ra bởi
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 bò bốc hơi kiểu chảy màng.
Sự thoát 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 bò và vận hành thấp. Hình 1 phác họa nguyên lý hoạt động
của thiết bò bốc hơi kiểu màng hơi và màng treo.
4.1.Thiết bò bốc hơi màng rơi.
Trong thiết bò 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 thoát ra bên
dưới của ống ( hay bản mỏng) và đi vào trong thiết bò phân riêng lỏng hơi. Sau đó tập trung
chất chất lỏng bơm ra ngoài, còn hơi nước chuyển trực tiếp vào thiết bò ngưng tụ.

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

Màng rơi, dạng bản mỏng Sữa 10-30% TS 2500-1500
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 bò 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
- -
6
Thiết bò bốc hơi
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
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 vò SI thì
ϕ
1/3
có đơn vò 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 bò 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 đònh
hệ số truyền nhiệt thực nghiệm của bề mặt bốc hơi (h
i
), giả thiết không tích tụ bẩn : 1/h
i
=
- -
7
Thiết bò bốc hơi
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 đònh 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 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

s
) và lực cản tích lũy điều mà khó dự đoán chính xác. Vì lý do
này, hệ số truyền nhiệt thí nghiệm tổng cộng dễ nhận ra trong thực hành.
4.2.Thiết bò bốc hơi treo.
Thiết bò bốc hơi treo được tìm thấy trong các ứng dụng ít hơn so với thiết bò 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 với 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 bò ngẹt nhiều như những bộ phận trong thiết bò 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. Cuối 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 ống 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 bò bốc hơi được bao phủ hoàn toàn 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 thể 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 bò bốc hơi
dạng màng treo đưa ra phương trình thực nghiệm có thể áp dụng được (Bourgois and
Lemaguer,1984,1987):
Nu = 8.5 Re
0.2
Pr
1/3
S

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

nhiệt 0.46 m
2
. Số liệu quá trình bốc hơi đạt được có nhiệt độ sôi và chế độ chảy khác nhau.
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 trò tăng
của U đạt được bởi sự giảm vận tốc của dòch nước ép ở nhiệt độ cao. Những dòch 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)
- -
9
Thiết bò bốc hơi
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 bò cô đặc ( hình 7-3). Bởi vậy, giá trò
U của nước nho đã được lọc giảm từ 1900 đến gần 1200 W/m
2
K khi mà độ Brix có giá trò
tăng từ 20 đến 65
o
Brix. Giá trò 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 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.

- -
10
Thiết bò bốc hơi
Hình 3. Sơ đồ hệ thống cô chân không :
1- thiết bò cô chân không ;2- tháp ngưng tụ hơi thứ; 3- bơm chân không ;nl-nguyên liệu
là dung dòch có nông độ thấp ;sp- sản phẩm là dung dòch 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 biến 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 dòch
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 bò cô chân không với thiết bò ngưng tụ hơi thứ là loại
ống chùm có vỏ bọc. nguyên lý hoạt động của thiết bò 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 ngoài. 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 tónh cho bơm
chân không.
Nói chung hệ thống một thiết bò 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.
- -
11
Thiết bò bốc hơi
Hình 4. sơ đồ hệ thống một thiết bò bốc hơi chân không với thiết bò ngưng tụ ống chùm
1-thiết bò bốc hơi; 2- thiết bò 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 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.

Dung dòch ban đầu chứa ở bồn số 1 rồi được bơm 2’ bơm lên thùng cao vò 2, có ống
chảy trào về bồn 1. Thùng cao vò có tác dụng ổn đònh áp lực dòng chảy. Nếu trở lực của
thiết bò gia nhiệt 5 không lớn thì không cần bơm 4. Trước khi chảy vào thiết bò bốc hơi 6 thì
dung dòch đã được làm nóng bằng hơi thứ của chính thiết bò số 6; mức độ nâng nhiệt tuỳ
- -
13
Thiết bò bốc hơi
thuộc vào lương hơi thứ và thiết bò gia nhiệt. Hơi đốt sạch được cấp vào buồng đốt thiết bò
số 6. Hơi thứ của thiết bò số 6 được chia được chia thành 2 phần, một phần làm hơi đốt cho
thiết bò gia nhiệt, phần còn lại làm hơi đốt cho thiết bò bốc hơi thứ hai là số 7. Dung dòch đã
được cô ở thiết bò số 6 sẽ tự chảy sang thiết bò số 7 rồi số 8 nhờ chênh lệch áp suất. Hơi thứ
của thiết bò số 7 là hơi đốt của thiết bò số 8. Hơi thứ của thiết bò số 8 được đưa sang ngưng
tụ tại thiết bò số 9. p suất của hơi thứ trong thiết bò số 8 là áp suất chân không, nên nhiệt
độ bốc hơi là thấp nhất. Dung dòch 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 ngoài.
Ưu điểm chính của hệ thống dòng cùng chiều là không cần dùng bơm vận chuyển dung
dòch từ thiết bò bốc hơi này sang thiết bò 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 bò bốc hơi dòng ngược chiều được thể hiện ở hình 6. Hơi đốt đi
theo chiều từ thiết bò đầu đến thiết bò cuối còn dung dòch lại vào thiết bò cuối và ra ở thiết
bò đầu nhớ bơm. Nhiệt độ và nồng độ của dung dòch tăng dần nên hiệu quả truyền nhiệt ở
các buồng đốt tốt hơn. Nước ngưng cũng được xả ra ngoài nhờ thiết bò 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 dòch tăng dần. Nhược điểm là phải
chi phí năng lượng cho bơm vận chuyển dung dòch, hệ thống phức tạp hơn.
Hệ thống kiểu này thường được dùng để cô dung dòch tăng nhanh độ nhớt khi nồng độ

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

2
- hơi thứ của thiết bò thư hai đồng
thời là hơi đốt của thiết bò thứ ba; ht
3
hơi thứ của thiết bò 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 bò bốc hơi bổ sung
Hệ thống này được áp dụng khi nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bò cuối đã quá thấp mà
dung dòch vẫn chưa đạt nồng độ mong muốn. Khi ấy, ta lắp thêm thiết bò bốc hơi sử dụng
hơi đốt có nhiệt độ cao (hơi đốt sạch) để cô tiếp dung dòch đến nồng độ mong muốn. Thiết
bò lắp thêm gọi là thiết bò bổ sung. Hơi thứ của thiết bò cuối và của thiết bò bổ sung đều
đượv ngưng tụ trong tháp ngưng, sản phẩm lấy ra ở thiết bò bổ sung, xem hình 8
- -
16
Thiết bò bốc hơi
Hình 8. Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thiết bò bổ sung:
1,2,3, bs- các thiết bò bốc hơi; h.d- hơi đốt sạch; d- dung dòch 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 q trình bốc
hơi. Hơi nước cần dùng để cấp nhiệt cho q trình bốc hơi được gọi là hơi đốt.
Các số liệu ban đầu được dùng để tính tốn là : loại dung dịch cần cơ đặc ; khối lượng, nhiệt độ, áp suất,
nồng độ đầu và cuối của q trình cơ ; 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 bò bốc hơi

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

- 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)
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 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

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 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 :

1
1
1 1 1 1
.
ln
. . .
d d hd hd
hd s
G C t t
Q
K F t t K F t
τ
−
= =
− V
(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.
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
2
0
1
( )
Q
hd
dQ
F K t 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.
- -
18
Thieát bò boác hôi
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
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

) + 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 bốc 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
( . )
.
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

−
= + −
(III-20)
Ứng với thời điểm dung dịch ban đầu bắt đầu sôi ta dễ dàng tính được Q từ phương trình trên.
1 1 1 1
.
( ( . ) ( . . . ) ( ))
ht d d
s d s s ht s
d
i C t
Q V x x c t C t i
x
ρ ρ ρ ρ ρ ρ
−
= − − − − −
(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 ;
- -
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

= Q
sl
= ρ
sl
.V (III-24)
Trong đó : G
sl
– khối lượng dung dịch lúc bắt đầu sơi ;
ρ
sl
– khối lượng riêng dung dịch lúc bắt đầu sơi.
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 sơi gần nhau thì ρ
sl
~ ρ
đ.
Với các thiết bị bốc hơi có thiết bị truyền nhiệt như nhau, dùng cơ 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 khơng đổi. Hơn nữa thời gian τ để cơ 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 khơng
đổi. Hơn nữa thời gian τ để cơ 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 dòch nào đó, vì vậy
nó còn có tên gọi là hệ thống cơ liên tục. Trong hệ thống này có nhiều thiết bị bốc hơi, nó có

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

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
:
- -
20
Thieát bò boác hôi

d d d d

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

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
. .
; ;....
d d d d d
n n i
n
d n d n n
d i
i
G G x G x
x x x
G W G W W
G W
−
−
=
= = =
− − −
∑
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 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
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 khơng 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:

1 1 2 2 1
1
( 1) ( 1) ( 2) ... 2
n
i n n
i
W W nD n n E n E E E
− −
=
= = − − − − − − − − −
∑
(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:

1 1 2 2 1
1 2 2 1
...
n n
W n n
D E E E E
n n n n n
− −
− −
= + + + + +
(35)
- -

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

.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 thoáng. 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:

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)

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.
- -
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

, ∆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
=
∆
∆ =
∑
(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

Q
Q Q
K K 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 khơng kinh tế khi chế tạo, lắp đặt sửa chữa thay thế
các thiết bị trong hệ thống bốc hơi.
Trường hợp thứ tư 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 của chúng. Muốn vậy thì lượng hơi thứ trích ly( khơng dùng làm hơi đốt cho
thiết bị sau) phải được xác định chính xác. Điều đó cũng khơng thuận tiện vì đơi khi khơng biết
dùng hơi thứ trích ly vào việc gì.
SỐ LƯNG THIẾT BỊ TỐI ƯU
Trong hệ thống bốc hơi liên tục nhiều thiết bò thì việc xác đònh số lượng thiết bò dựa trên
các tính toán kinh tế kỹ thuật. Đó là các chi phí đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất. Số
lượng thiết bò được lựa chon sao cho tổng chi phí đầu tư và chi phí sản xuất là nhỏ nhất,
xem hình ( 10).
Hình 11.Đồ thò lựa chọn số thiết bò tối ưu:1- chi phí khai
thác sản xuất; 2- chi phí đầu tư; 3- tổng chi phí; T- chi phí; n-
số thiết bò; n
t
- số thiết bò tối ưu
Nếu số lượng thiết bò 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 bò trong hệ thống bốc hơi liên tục vào khoảng từ 3 đến 5.
V-CÁC THIẾT BỊ BỐC HƠI

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