CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc. Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất. dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu. thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc 4 phòng đốt ngoài,thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức,thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm….
Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay hơi trong quá trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. - Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi.
Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ ( như dung dịch đường) đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc chân không. - Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh.
Sơ lược về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích : Làm tăng nồng độ chất tan. Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh). Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước). Cô đặc thường được tiến hành ở nhiệt độ sôi dưới mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư), trong hệ thống một hoặc nhiều thiết bị cô đặc (nồi).
Quá trình có thể gián đoạn hoặc liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩm nhiệt hóa hơi lớn, có 5 thể dùng làm hơi đốt trong các nồi cô khác. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ. - Cô đặc chân không áp dụng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy bởi nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích).
Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng hơi thứ hoặc nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác cho quá trình cô đặc. - Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các muối vô cơ để sử dụng hơi thứ cho cô đặc hoặc cho các quá trình đun nóng khác. - Cô đặc ở áp suất khí quyển hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc. Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi,làm việc gián đoạn hoặc liên tục.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm. 6 Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta thường chọn cô đặc nhiều nồi. Ứng dụng của cô đặc: trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.
Mục đích để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc để dung dịch tới trạng tháo bão hòa để kết tinh. Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây,. Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ,. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc: hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn.
Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
Phân loại thiết bị cô đặc Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất. Thiết bị cô đặc (TBCĐ) được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây: a) Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên), đối với nhóm này thường có hai loại như sau: Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài. Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi). b) Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức), đối với nhóm này thường có hai loại như sau: Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. 7 c) Nhóm 3: Dung dịch cháy thành mảng mỏng, loại này thường cũng có hai loại: Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc Thiết bị chính: Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp,. Thiết bị phụ: Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu. Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không. Thiết bị gia nhiệt.
Thiết bị ngưng tụ Baromet: đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Nó rất thông dụng trong ngành hóa chất và thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không (như dung dịch đường, muối, glycerin, bột ngọt, nước mắm,. Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia. Hơi trao đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài.
Thiết bị đo và điều chỉnh. Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm gồm: Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt): trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch. Ống truyền nhiệt. Ống tuần hoàn.
8 Nguyên tắc hoạt động: dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch ở 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, còn trong ống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên 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 sẽ bị đẩy xuống dưới. 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 tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt. Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra. Ưu điểm: Chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra.