Chương 3: Cô đặc | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Chương 3 Cô đặc
3.4. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, gồm hai phần chính:
a) bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền
nhiệt để đun sôi dung dịch ;
b) bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi ) là một phòng trống, ở đây hơi thứ
được tách khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có
phòng đốt). Có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi - lỏng ở trong phòng bốc
hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang
theo với yêu cầu Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, các chi
tiết phải quy chuẩn hoá, giá thành rẻ;
Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị:
chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra.
Cường độ truyền nhiệt lớn( hệ số truyền nhiệt K lớn).
Phân loại thiết bị:
-theo sự bố trí bề mặt truyền nhiệt: nằm ngang, thẳng đứng,loại nghiêng;
-theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm;
-theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi
nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt;
-theo tính chất tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 cưỡng bức .. .
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan ở tâm Cấu tạo:
- Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống
truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn
- Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Nguyên tắc làm việc:
Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn
hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị
đẩy từ dưới lên trên miệng ống
Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một
đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống
truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít
hơn,vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi - lỏng
ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan ở tâm
Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn
tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ
trên xuống trong ống tuần hoàn
Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía
dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề
mặt truyền nhiệt cũng giảm.
- Tốc độ tuần hoàn thường không quá 1,5 m/s.
Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần hoàn
bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn
Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi trong đó có bộ
phận tách bọt dùng để tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch,
nhược điểm tốc độ tuần hoàn bị giảm vì
ống tuần hoàn cũng bị đun nóng. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc phòng đốt treo Cấu tạo:
- Phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành
khăn ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò ống
tuần hoàn, hơi đốt đi vào phòng theo ống
- Phòng đốt có thể được lấy ra ngoài khi cần sửa chữa hoặc làm sạch
- Tốc độ tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng Nhược điểm:
- Cấu tạo phức tạp
- Kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
- Dung dịch đi vào phòng đốt được đun sôi tạo thành
hỗn hợp lỏng đi qua ống vào phòng bốc hơi
- Hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch
còn lại đi về phòng đốt theo ống tuần hoàn
- Các ống truyền nhiệt có thể làm dài (đến 7m) nên
cường độ tuần hoàn lớn, do đó cường độ bốc hơi lớn
- Đôi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc
hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa
chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
- Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U
- Dung dịch ở nhánh dưới của ống
truyền nhiệt chuyển động từ trái qua
phải,còn ở nhánh trên từ phải qua trái
- Phòng đốt được đặt trên một chiếc
xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi phòng
bốc hơi để làm sạch và sửa chữa Ưu điểm
- Cường độ tuần hoàn của dung dịch
lớn hơn loại ống tuần hoàn ở giữa và phòng đốt treo
- Dễ dàng tháo phòng đốt để sửa chữa và làm sạch. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
- Dung dịch dưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn
- Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc
hơi, còn phần chính chảy về ống do bơm tuần hoàn
hút và trộn lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng đốt
- Tốc độ của dung dịch ttrong ống truyền nhiệt bằng
1,5 đến 3,5 m/s, do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong
tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần
- Có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ
có ích nhỏ (3 - 50C) vì cường độ tuần hoàn không
phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào năng suất của bơm. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức Ưu điểm
- Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt
-Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn
mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện. Nhược điểm
- Tốn năng lượng để bơm
- Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn.
- Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở
những thiết bị khác nhau(phòng đốt ngoài, phòng đốt treo). QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc loại màng
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
- Dung dịch chuyển động dọc theo bề
mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên
- Phòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt
ống chùm dài 6 ÷ 9 m, hơi đốt đi vào
phía ngoài ống, dung dịch vào ở đáy thiết bị
- Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện
của ống đi từ dưới lên với tốc dộ rất lớn
(~20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở bề
mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng
đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi
- Nồng độ dung dịch tăng lên dần đến
miệng ống là đạt nồng độ cần thiết QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc loại màng Ưu điểm
- Thiết bị cô đặc loại màng có hệ số
truyền nhiệt lớn khi có mức chất lỏng
thích hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá,
hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì tốc độ
chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức
chất lỏng quá thấp bề mặt truyền nhiệt
của ống ở phía trên sẽ bị khô (vì dung
dịch bốc hơi hết), mức chất lỏng thích
hợp xác định bằng thực nghiệm.
- Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thuỷ tĩnh ít Nhược điểm
- Khó làm sạch vì ống dài
- Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi
- Không thích hợp đối với dung dịch
nhớt và dung dịch kết tinh QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng - Phòng đốt
- Phía trên phòng đốt là phòng sôi cao gần 3 mét
- Phần trên phòng sôi đặt những tấm
ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những
khe hình vành khăn, từ phòng sôi hỗn
hợp hơi - lỏng đi lên phòng bốc hơi
- Hơi thứ đi lên phía trên ra ngoài
- Dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt
qua ống tuần hoàn; phần kết tinh lắng xuống đáy
- Phòng đốt chỉ có nhiệm vụ đun nóng
dung dịch, ở đây dung dịch chưa sôi vì áp suất thuỷ tĩnh lớn
- Khi đi vào các tấm ngăn, áp suất thuỷ
tĩnh giảm đi, dung dịch sẽ sôi. Tác dụng
của các tấm ngăn này làm cho quá trình
sôi ổn định, không cản trở sự tuần hoàn ở khu vực sôi. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng Ưu điểm
- Loại thiết bị này có tốc độ tuần hoàn lớn (đến 3 m/s)
- Vì dung dịch không sôi trong ống
truyền nhiệt nên ít bị bám cặn,
thích hợp với các dung dịch đậm
đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Thiết bị cô đặc loại rôto
Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:
- Dung dịch đầu đưa vào ở phần trên thiết bị,do
cánh quay, dưới tác dụng của lực ly tâm làm
văng chất lỏng ra thành thiết bị và chuyển động
thành màng mỏng với chế độ chuyển động xoáy
- Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được đun nóng bởi bao hơi
- Hơi thứ bay ra được đưa lên phía trên rồi ra ngoài
- Sản phẩm được tháo ra từ đáy thiết bị Ưu điểm
- Cường độ truyền nhiệt lớn
- Dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ
- Dùng để cô đặc loại dung dịch dạng keo, đặc sệt. Nhược điểm
- Chế tạovà gia công phức tạp
- Giá thành cao do cần bộ phận chuyển động quay QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
ứng dụng bơm nhiệt trong quá trình cô đặc
- Khi không sử dụng được phương thức
cô đặc nhiều nồi (cô đặc những chất dễ
phân huỷ ở nhiệt độ cao) - > sử dụng hơi
thứ bằng cách nén hơi thứ đến áp suất
hơi đốt để đun nóng dung dịch là kinh tế nhất
- Để nén hơi thứ người ta dùng máy nén
(máy nén pittông, tuyếc bin hoặc tuye (bơm nhiệt)
- Bơm nhiệt kiểu tuye cấu tạo đơn giản, rẻ
và nó được dùng phổ biến
Nguyên tắc làm việc:
- Hơi có áp suất cao Po (hơi làm việc) đi vào tuye và giãn
- Đồng thời hơi thứ có áp suất P’ bị hút vào tuye
- Từ tuye hỗn hợp hơi đi ra với áp suất P1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
ứng dụng bơm nhiệt trong quá trình cô đặc
Phương trình cân bằng nhiệt giống như khi cô đặc một nồi
Nếu coi một đơn vị hơi làm việc hút được m kg hơi thứ thì lượng hơi đi vào đun nóng thiết bị sẽ là
D(1 + m ) kg, lượng hơi thứ còn lại không được sử dụng là: (W-mD) kg. (
D 1+ m)i +G C t = G C t +Wi +
' DCθ 1+ m + Q + Q đ đ đ c c c ( ) c tt Thay
G C t = G C t −WCt c c c đ đ đ c W i' C −
G C t − t + Q Q Được ( θ ) đ đ ( c đ ) D c m = + + (1+ m)(i − θ C ) (1+ m)(i − θ C ) (1+ m)(i − θ C )
so sánh với trường hợp cô đặc một nồi: W (i' Ct − c ) G C đ
đ (t − t c đ )+ Q Q D c c = + + i − θ C i − θ C i − θ C
lượng hơi đốt giảm đi (1+m) lần QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
3.3. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
ứng dụng bơm nhiệt trong quá trình cô đặc Hệ số hút Δi m = ϕ −1 ϕ = 1 ϕ ϕ2ϕ3 Δi'
ϕ1 = 0,92 ÷0,98 hệ số vận tốc của hơi vào tuye (vận tốc thực tế của hơi nhỏ hơn lý thuyết
ϕ2 = 0,85 ÷0,90
hệ số tính tổn thất va đập và ma sát của hơi ở trong phòng trộn của tuye.
ϕ3 = 0,92 ÷0,98
là hệ số vận tốc của hơi khi ra khỏi tuye. Δi
hiệu số hàm nhiệt khi giãn đoạn nhiệt của hơi làm việc (hơi
thổi) từ áp suất Po dến P’; (Δi = io - i’ ) Δi’
hiệu số hàm nhiệt khi nén đoạn nhiệt hơi thứ từ áp suất của
hơi thứ đến áp suất p1 (Δi’ = i1 -I’).
+ Δi’ càng tăng thì m giảm
+ Δi’ phụ thuộc vào tổn thất nhiệt độ ∑Δ
+ Tổn thất càng tăng thì Δi’ càng tăng
+ Thường ứng dụng bơm nhiệt khi tổn thất nhiệt độ không quá 10 ÷12ºC QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17