CHƯƠNG 3: BỐC HƠI CÔ ĐẶC - NGƯNG TỤ 3.1 Quá trình bốc cô đặc 3.2 Quá trình ngưng tụ 3.1 Quá trình bốc cô đặc 3.1.1 Các khái niệm Cô đặc: trình làm tăng nồng độ dung dịch chất tan không bay cách bốc dung môi đun sôi dung dịch Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh - Hơi đốt: đun sôi dung dịch (thường từ lò hơi) - Hơi thứ: bốc lên từ nồi cô đặc (do có nhiệt độ cao nên tận dụng lại) - Hơi phụ: thứ lấy làm đốt cho thiết bị hệ thống cô đặc - Nhiệt độ sôi dung dịch: lớn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất áp suất 3.1.2 Bản chất trình Quá trình bốc hơi: phân tử mặt thoáng thu lượng đủ lớn Các phân tử bốc phải thắng lực liên kết phân tử (nội ẩn nhiệt hóa rt) áp suất bên (ngoại ẩn nhiệt hóa rn) Ẩn nhiệt bay là: r = rt + rn - Quá trình sôi: trình bay xảy mặt thoáng, lòng chất lỏng - Quá trình bốc xảy áp suất chất lỏng lớn áp suất mặt thoáng 3.1.3 Tổn thất nhiệt cô đặc Tổn thất nhiệt nồng độ (ký hiệu ∆’): chênh lệch nhiệt độ sôi dung dịch (tsdd) nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất (tsdm) Tổn thất nhiệt nồng độ phụ thuộc chất chất tan nồng độ dung dịch Xác định thực nghiệm công thức Lisenco - Tổn thất nhiệt độ áp suất cô đặc áp suất khí (áp suất thường): ∆0’: độ tăng phí điểm áp suất khí quyển, [độ], tra theo nồng độ áp suất khí số chất hòa tan (sổ tay QTTB tập 1, trang 240) Ks: số nghiệm sôi dung môi x: nồng độ chất tan, [mol/lít] - Trường hợp áp suất cô đặc khác áp suất khí ∆’: độ tăng phí điểm áp suất cô đặc, [độ C] ∆o’: độ tăng phí điểm áp suất thường, [độ C] f: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi dung môi áp suất khác Tm: nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất [K]= nhiệt độ thứ r: ẩn nhiệt hoá dung môi, [J/kg] Tra Phụ lục 1, phụ lục (SGK) (chú ý: Tm tính [K] ∆’ tính [0C]) Tổn thất nhiệt lượng cô đặc: - Trong trình cô đặc, nồng độ tăng nên nhiệt tiêu hao để bốc thay đổi lượng ∆q gọi tổn thất nhiệt lượng cô đặc (Tổn thất nhiệt cô đặc hiệu nhiệt hòa tan nồng độ đặc nồng độ loãng Nhiệt hòa tan tổng nhiệt nóng chảy nhiệt solvat ∆q = q2 – q1, [J/kg] q1, q2: nhiệt hòa tan tích phân nồng độ đầu cuối, [J/kg]) - Tổn thất nhiệt áp suất thủy tĩnh - Tổn thất nhiệt sức cản thủy lực 3.1.4 Các phương pháp cô đặc - Cô đặc nồi nhiều nồi - Cô đặc liên tục gián đoạn - Cô đặc áp suất thường, chân không, áp suất dư 3.1.4.1 Hệ thống cô đặc nồi liên tục, TBNT baromet - Cô đặc liên tục gián đoạn Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều Thiết bị cô đặc (SGK) Một chất rắn hòa tan vào nước mà tỏa nhiệt hay thu nhiệt (biến thiên enthanpy ΔH âm hay dương) phụ thuộc vào hai dạng lượng: thứ nhiệt phân ly (năng lượng cần cung cấp để phá vỡ mạng lưới tinh thể, > 0), thứ hai lượng solvat hóa ion (các phân tử dung môi tương tác bao xung quanh ion, ví dụ bao quanh ion Na+ đầu oxi nước, bao quanh ion OH- đầu hydro nước), lượng solvat hóa < Như vậy, dựa vào mối tương quan hai dạng lượng mà ta có giá trị nhiệt hòa tan ΔH Ví dụ hòa tan NaOH vào nước nhiệt solvat hóa chiếm ưu lượng mạng tinh thể kết giá trị ΔH hòa tan mang dấu âm, trình tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên Hay ví dụ khác hòa tan NH4Cl vào nước lượng mạng tinh thể chiếm ưu nhiệt solvat hóa kết giá trị ΔH hòa tan mang dấu dương, trình thu nhiệt làm dung dịch lạnh 3.2 Quá trình ngưng tụ 3.2.1 Các khái niệm Ngưng tụ trình biến thành trạng thái lỏng cách làm nguội 3.2.2 Mục đích: - Thu nhận sản phẩm dạng dung môi tinh khiết - Tạo chân không (kết hợp với bơm chân không) - Làm môi trường Phương pháp: - Ngưng tụ gián tiếp (TBNT ống chum, xoắn, ống lồng ống… - Trực tiếp: TBNT baromet 3.2.3 Ngưng tụ gián tiếp 1: làm nguội Ngưng tụ bão hòa t2r t1v t2v t1r 3: làm nguội lỏng 3.2.4 Ngưng tụ trực tiếp Nguyên tắc: Hơi ngưng tụ tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh để truyền nhiệt làm nguội, ngưng tụ Sau ngưng tụ, nước làm nguội trộn lẫn với lỏng ngưng tụ Mục đích: - Ngưng tụ hơi, khí thải - Tạo chân không Có hai kiểu ngưng tụ trực tiếp: - Ngưng tụ trực tiếp loại khô - Ngưng tụ trực tiếp loại ướt 3.2.5 Tính toán TBNT Q: Nhiệt lượng ngưng tụ nhiệt lượng cần thiết để biến từ trạng thái ban đầu (hơi nhiệt thành trạng thái cuối - lỏng chưa sôi) Q1: nhiệt làm nguội Q2: nhiệt ngưng tụ Q3: nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ r: ẩn nhiệt ngưng tụ hơi, kj/kg (tra phụ lục 1,2) Tính lượng nước làm nguội tiêu hao Gn: Phương trình cân nhiệt quanh thiết bị ngưng tụ: Tính bề mặt truyền nhiệt F: F1: diện tích bề mặt truyền nhiệt làm nguội hơi, [m2] F2: diện tích bề mặt truyền nhiệt ngưng tụ hơi, [m2] F3: bề mặt truyền nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ, [m2] 3.2.6 Thiết bị ngưng tụ (SGK) Bảng I.249 (trang 310): sổ tay QTTB T.1 Bài tập: 3.1 Tính lượng đốt cần thiết để bốc 1500kg dung dịch đường mía TBCĐ chân không, nồng độ nhập liệu 12%, sản phẩm có nồng độ 50% (chất khô) Hơi đốt có nhiệt độ 1100C, thứ có hàm nhiệt i2 = 2643 kj/kg Dung dịch đầu nhiệt độ 300C, nhiệt dung riêng 5,43kj/kg.độ Sản phẩm có nhiệt độ 800C, nhiệt dung riêng 6,68kj/kg.độ Bỏ qua tổn thất nhiệt * Nếu áp suất thường dung dịch sôi 1050C áp suất 0,2 bar nhiệt độ sôi dung dịch bao nhiêu? Biết áp suất nhiệt độ sôi nước 60,080C, ẩn nhiệt bay 2358 kj/kg Bài tập: Hướng dẫn: PT cân nhiệt Qcđ = Qmt = ; xđ= 0,12; cđ= 5,43 ; tđ= 30, i2= 2643kj/kg; xc= 0,5 ; cc= 6,68; tc=80 Gđ = 1500kg; = 1140kg Gc = Gđ – W = 360 kg T đốt: 1100C, tra phụ lục i’’1 (hơi)= 2691 kj/kg Nhiệt độ nước ngưng tn=t đốt = 1100C, tra phụ lục 7: Cn=4,233 kj/kg.độ ĐS: 1330 kg Bài tập: Ở áp suất thường độ tăng phí điểm dung dịch(dung môi nước): ∆’o = tsdd(p0)-tsdm(p0) = 105-100= 50C Ở áp suất 0,2bar độ tăng phí điểm: ∆’ = f.∆’o= tsdd(p)-tsdm(p) (*) Tm= 273+60,08 = 333,08K R = 2358kj/kg = 2358.103j/kg Tính f: f=16,14T2m/r = 0,759 ∆’ = 0,759.5 = 3,797 Từ (*) ta có: tsdd(p) = 60,08+3,797= 63,8780C Bài tập: 3.2 TBNT ống chùm dùng để ngưng tụ nước với lượng 2000kg/h, nhiệt độ 1150C Nước ngưng tụ trạng thái lỏng bão hòa a Tìm nhiệt độ nước ngưng b Nhiệt lượng tỏa TBNT, biết bão hòa khô c Nước ngưng làm nguội đến nhiệt độ 500C trước đưa đến bể chứa Tính nhiệt lượng nước ngưng tỏa TB làm nguội Bài tập: Hướng dẫn: a Nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ 1150C b Q=r.D = 2216kj/kg.2000kg/h/(3600s)=1231kW Với r tra bảng PL1 1150C c Nhiệt lượng nước tỏa ra: Q=D.cn.(tbh-tc) Nhiệt độ trung bình nước ngưng: ttb= (115+50)/2 = 82,5oC Tra nội suy nhiệt dung riêng nước ttb, cn=4,198kj/kg.độ Q=2000.4,198.(115-50)/3600=151kW