Cô đặc là một quy trình quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong công nghệ dược phẩm. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về bản chất, nguyên tắc hoạt động và các thiết bị được sử dụng trong quá trình cô đặc.
Mục Lục
1. Khái niệm cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi từ dung dịch chứa chất tan không bay hơi. Mục đích chính của cô đặc là tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan hoặc thu hồi dung môi.
Quá trình này thường diễn ra ở nhiệt độ sôi dưới các điều kiện áp suất khác nhau: áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dương. Hệ thống cô đặc có thể bao gồm một hoặc nhiều thiết bị, hoạt động gián đoạn hoặc liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, có nhiệt độ cao và ẩn nhiệt hóa hơi lớn, có thể tái sử dụng trong các nồi cô khác. Nếu hơi thứ được sử dụng bên ngoài hệ thống cô đặc, nó được gọi là hơi phụ.
Cô đặc chân không được ưu tiên cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao hoặc dễ bị phân hủy bởi nhiệt. Nó cũng giúp tăng hiệu số nhiệt độ hữu ích giữa hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch. Đồng thời, nhiệt độ sôi thấp cho phép tận dụng hơi thứ hoặc nhiệt thải từ các quá trình sản xuất khác.
Cô đặc ở áp suất dương thường được áp dụng cho các dung dịch ổn định ở nhiệt độ cao, cho phép sử dụng hơi thứ cho các quá trình gia nhiệt khác. Ví dụ, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, nồi đầu tiên có thể hoạt động ở áp suất dương, trong khi các nồi sau hoạt động ở áp suất chân không.
Cô đặc ở áp suất khí quyển đơn giản nhưng ít kinh tế hơn do hơi thứ không được tái sử dụng.
2. Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi
Bay hơi là quá trình chuyển đổi từ thể lỏng sang thể khí, xảy ra ở bề mặt chất lỏng ở mọi nhiệt độ. Ngược lại, bốc hơi là quá trình hóa hơi xảy ra ở nhiệt độ sôi, cả trên bề mặt và trong lòng chất lỏng. Hơi trong quá trình bay hơi có thể chứa cả khí khác (ví dụ: không khí), trong khi hơi trong quá trình bốc hơi thường chỉ chứa hơi dung môi.
Theo thuyết động học phân tử, các phân tử chất lỏng gần bề mặt có chuyển động nhiệt. Khi tốc độ của một phân tử vượt quá một ngưỡng nhất định, nó sẽ thoát khỏi bề mặt và trở thành hơi. Quá trình này đòi hỏi năng lượng để vượt qua lực liên kết giữa các phân tử và áp suất môi trường xung quanh. Lượng nhiệt cần thiết cho quá trình bay hơi được gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Ẩn nhiệt bay hơi giảm khi nhiệt độ tăng và bằng 0 tại điểm tới hạn. Lượng nhiệt cần thiết để hóa hơi chất lỏng ở nhiệt độ sôi được gọi là ẩn nhiệt hóa hơi.
Quá trình sôi đặc trưng bởi sự hình thành bọt hơi không chỉ trên bề mặt mà còn trong lòng chất lỏng. Các bọt hơi này tăng dần kích thước và nổi lên bề mặt, trong khi các bọt khác tiếp tục hình thành, tạo ra sự chuyển đổi liên tục từ bên trong chất lỏng lên phía trên.
Bọt hơi hình thành do khí hòa tan trong chất lỏng thoát ra khi đun nóng, hoặc trực tiếp trên bề mặt đun nóng, đặc biệt là tại các điểm nhám hoặc đóng cặn, được gọi là tâm tạo bọt. Bề mặt quá nhẵn có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt và làm chậm quá trình sôi.
Điều kiện để tạo thành bọt hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất của chất lỏng xung quanh. Khi áp suất hơi trong bọt bằng áp suất chất lỏng xung quanh cộng thêm áp suất do sức căng bề mặt giữa hơi và lỏng (p’= 2σ/ρ, với σ là sức căng bề mặt và ρ là bán kính bọt), chất lỏng sẽ bay hơi mạnh mẽ mà không tăng nhiệt độ đáng kể.
3. Các tính chất của dung dịch ảnh hưởng đến quá trình cô đặc
3.1. Nhiệt hòa tan
Nhiệt hòa tan là tổng nhiệt của hai quá trình xảy ra khi hòa tan một chất rắn vào dung môi:
- Phá vỡ mạng lưới tinh thể của chất tan (thu nhiệt).
- Hình thành liên kết giữa các phân tử chất tan và dung môi (tỏa nhiệt), gọi là solvat hóa (hoặc hydrat hóa nếu dung môi là nước).
Nhiệt hòa tan có thể dương (tỏa nhiệt) hoặc âm (thu nhiệt), tùy thuộc vào tính chất của chất tan và dung môi. Các chất dễ solvat hóa có nhiệt hòa tan dương, trong khi các chất không solvat hóa có nhiệt hòa tan âm. Cần xem xét nhiệt hòa tan khi tính toán cân bằng nhiệt trong quá trình cô đặc.
3.2. Nhiệt độ sôi của dung dịch
Nhiệt độ sôi của dung dịch là một thông số quan trọng để tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc. Nó xác định chất tải nhiệt phù hợp và chế độ làm việc của thiết bị. Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dung dịch sôi quyết định bề mặt truyền nhiệt của thiết bị.
Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào bản chất của dung môi và chất tan, đặc biệt là nồng độ chất tan. Khi nồng độ tăng, nhiệt độ sôi cũng tăng theo định luật Raoult:
(Ps-P)/Ps=n/N
Trong đó:
- Ps: Áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất.
- P: Áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt dung dịch.
- n: Số mol của chất tan.
- N: Số mol của dung môi.
Công thức này cho thấy áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt dung dịch ở cùng nhiệt độ. Hiệu số Ps – P = ΔP được gọi là độ giảm áp suất của dung môi.
Hình 4.1. Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất của dung môi và dung dịch
Δ’= t-ts
Δ’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất, còn gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ. Δ’ phụ thuộc vào nồng độ chất tan, bản chất của chất tan và dung môi, và áp suất. Ví dụ, dung dịch đường 60% sôi ở 103°C (Δ’ = 3°C), dung dịch NaOH 50% sôi ở 142°C (Δ’ = 42°C) ở áp suất thường (nước sôi ở 100°C).
Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất bất kỳ, có thể sử dụng quy tắc Babo: “Độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi”.
Ps — P P
——— = const. Do đó — = const
Ps Ps
Ví dụ, để tính 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°C, ta thực hiện như sau:
Ở 110°C, Ps = 1,46 at, do đó: P/Ps= 1/1,46=0,685
Ở P = 0,75 at: 0,75/Ps =0,685 → Ps =0,75/0,685=1,095 at
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất 0,75 at bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 1,095 at là 102°C. Ở áp suất 0,75 at, nhiệt độ sôi của nước là 91,2°C. Vậy: Δ’ = 102 – 91,2 = 10,8°C.
Quy tắc Babo chỉ áp dụng cho dung dịch loãng; dung dịch đặc cần hệ số hiệu chỉnh (tham khảo bảng 4.1 trong tài liệu gốc).
Nhiệt độ sôi của dung dịch cũng phụ thuộc vào độ sâu. Nhiệt độ sôi thấp nhất ở bề mặt thoáng và tăng khi xuống sâu hơn do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi ở độ sâu có áp suất thủy tĩnh t(p+Δp) và nhiệt độ sôi trên mặt thoáng tp gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh.
t(p+Δp) – tp = Δ”
Áp suất thủy tĩnh Δp được tính gần đúng bằng công thức:
Δp = p’gh [N/m2]
Trong đó: p’ là khối lượng riêng của dung dịch ở trạng thái bọt (kg/m3), gần đúng có thể lấy p’=0,5p, p là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3); g là gia tốc trọng trường (m/s2); h là độ sâu kể từ mặt thoáng đến giữa ống truyền nhiệt trong thiết bị cô đặc (m).
Hình 4.2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ của một số dung dịch
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh và nồng độ làm giảm hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và nhiệt độ sôi của dung dịch, làm tăng bề mặt truyền nhiệt của thiết bị. Tuy nhiên, trong trường hợp tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, lượng nhiệt cung cấp để làm quá nhiệt dung dịch không bị mất vì khi đi lên mặt thoáng, áp suất thủy tĩnh giảm, nó sẽ cung cấp cho môi trường xung quanh (dung dịch) phần nhiệt quá nhiệt.
3.3. Sự thay đổi tính chất của dung dịch khi cô đặc
Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất tan tăng lên, dẫn đến thay đổi các tính chất của dung dịch. Những thay đổi này ảnh hưởng đến tính toán, cấu tạo và vận hành của thiết bị cô đặc.
Hình 4.3 Sự thay đổi tính chất của dung dịch theo thời gian cô đặc
Trong quá trình cô đặc, nồng độ dung dịch tăng, kéo theo sự tăng của độ nhớt v, khối lượng riêng p, tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ và giảm hệ số dẫn nhiệt Δ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α2. Đồng thời, điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt tăng, làm giảm khả năng truyền nhiệt của thiết bị (hệ số truyền nhiệt K giảm).
Khi cô đặc các dung dịch kết tinh, đến một thời điểm nhất định, dung dịch sẽ bão hòa. Tiếp tục bốc hơi dung môi sẽ khiến chất tan tách ra ở dạng rắn (kết tinh), nồng độ dung dịch không đổi, và lượng tinh thể tăng lên. Nồng độ bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung dịch; khi nhiệt độ sôi tăng, nồng độ bão hòa cũng tăng.
Đối với các dung dịch không kết tinh hoặc chứa chất không kết tinh, không có miền quá bão hòa. Đối với các dung dịch có miền này, cô đặc chân không thường được sử dụng.
4. Nguyên tắc cấp nhiệt khi cô đặc
Một chất lỏng trong bình chỉ có thể được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa. Tiếp tục cấp nhiệt sẽ làm chất lỏng sôi, và nhiệt độ chất lỏng không đổi trong quá trình sôi; lượng nhiệt cung cấp thêm chỉ để làm bốc hơi chất lỏng.
Đặc tính và cường độ của quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ Δt giữa bề mặt đun nóng và chất lỏng sôi:
Δt = tT – ts
Trong đó tT là nhiệt độ bề mặt đun nóng tiếp xúc với chất lỏng sôi; ts là nhiệt độ của chất lỏng sôi.
Hình 4.4. Biến thiên hệ số cấp nhiệt α theo Δt
Quá trình sôi có thể chia thành 4 vùng:
- Vùng đối lưu tự do: Δt nhỏ, ít bọt hơi xuất hiện, đối lưu tự do chiếm ưu thế. Các thiết bị cô đặc không làm việc ở vùng này.
- Vùng sôi sủi bọt: Δt tăng, số tâm tạo bọt tăng, bọt hơi nhiều hơn và tách nhanh hơn, chất lỏng sủi bọt nhiều hơn và sôi mạnh hơn. Bọt làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, xáo trộn mạnh, do đó hệ số cấp nhiệt cũng tăng nhanh. Các thiết bị cô đặc thường làm việc ở vùng này.
- Vùng chuyển tiếp: Bọt hơi xuất hiện quá nhanh, một phần bề mặt truyền nhiệt bị bao phủ bởi màng hơi cách nhiệt, làm giảm đột ngột hệ số cấp nhiệt.
- Vùng sôi màng: Tiếp tục tăng hiệu số nhiệt độ, các bọt hơi kết dính tạo thành màng hơi kín trên bề mặt đun nóng. Hệ số cấp nhiệt giảm mạnh.
5. Các phương pháp cô đặc
Quá trình cô đặc có thể thực hiện gián đoạn hoặc liên tục, một giai đoạn hay nhiều giai đoạn và ở các áp suất khác nhau.
Cô đặc gián đoạn bao gồm cho dung dịch vào thiết bị một lần và cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu. Cô đặc liên tục là khi dung dịch và hơi đốt được cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục.
Cô đặc chân không có ưu điểm là nhiệt độ sôi của dung dịch giảm, tăng hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch, giảm bề mặt truyền nhiệt, và cho phép sử dụng hơi đốt ở áp suất thấp hoặc hơi thải. Nó phù hợp với dung dịch dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc có thể sinh ra các phản ứng phụ bất lợi ở nhiệt độ sôi cao (oxy hoá, nhựa hoá, đường hoá…).
5.1. Cô đặc một giai đoạn
Cô đặc một giai đoạn (cô đặc đơn giản hoặc cô đặc một nồi) không sử dụng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng.
Hình 4.5. Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng trong thiết bị cô đặc
Mục đích của bốc hơi là cô đặc dung dịch ban đầu F có nồng độ đầu bF đến nồng độ cuối bc. Lượng dung môi cần bốc hơi D sẽ là:
D= F(1 – bF /bC ) (1)
Lượng hơi đốt Vs cần thiết để làm bốc hơi lượng dung môi D được tính từ công thức:
Phương trình tính lượng hơi đốt
Ví dụ: Tính lượng nước bốc hơi (hơi thứ) và hơi đốt tiêu hao để cô đặc 20000 kg dung dịch chứa chất tan có nồng độ bF = 0,12% đến nồng độ bc =1,2% trong thiết bị cô đặc ở áp suất thường. Áp suất hơi đốt là 3,5 at. Dung dịch ban đầu có nhiệt độ tF = 95°c hoặc 20°c. Bỏ qua sự giảm nhiệt độ khi hơi nước ngưng tụ (Δts) và tổn thất nhiệt Qt.
Theo phương trình (1) lượng nước bốc hơi là:
D = 20000 (1-(0,12/1,2))= 18000 kg
Khi dung dịch ban đầu đi vào thiết bị được đun nóng đến 95°C, từ phương trình (2) tính được lượng hơi đốt như sau (các giá trị enthalpy ỏ nhiệt độ và áp suất nhất định được tra từ bảng tính sẵn): Vs= (18000(2675 – 418,7) + 20000(418,7 – 397,8))/(2730-4,187×138)=19000 kg
Tương ứng với lượng hơi tiêu hao riêng là:
ds = 19000/18000 = 1,06 kg hơi đốt/kg hơi thứ.
Ngược lại, nếu dung dịch ban đầu có nhiệt độ 20°C, lượng hơi đốt tiêu hao là:
Vs = (18000(2675 – 418,7) + 20 000(418,7 – 83,7))/(2730-4,187×138)=22000 kg
Và lượng hơi tiêu hao riêng là:
ds = 22000/18000 = 1,22 kg hơi đốt/kg hơi thứ.
Ví dụ này cho thấy có thể tiết kiệm hơi đốt bằng cách đun nóng trước dung dịch cần bốc hơi. Trong cô đặc một giai đoạn, có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách dùng hơi thứ để đun nóng trước dung dịch ban đầu.
Hình 4.6. Hệ thống cô đặc có bình đun nóng trước dung dịch bằng hơi thứ
Việc sử dụng hơi thứ để đun nóng có thể tiết kiệm năng lượng đến khoảng 13%. Để tận dụng tối đa năng lượng hơi thứ, có thể áp dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi hoặc thiết bị bơm nhiệt.
5.2. Cô đặc nhiều giai đoạn
Để tiết kiệm hơi đốt, người ta thực hiện cô đặc trong hệ thống thiết bị gồm một số nồi cô mắc nối tiếp nhau (cô đặc nhiều nồi), trong đó hơi thứ của nồi cô này được sử dụng làm hơi đốt cho nồi cô khác.
Nồi cô thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt (hơi mới), hơi thứ của nồi này vào đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được dùng làm hơi đốt cho nồi thứ ba… Hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi (chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong mỗi nồi). Áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu sẽ làm việc ỏ áp suất dương, còn nồi cuối thì làm việc ở áp suất chân không.
Hình 4.7. Sự giảm lượng hơi tiêu hao riêng và tăng bề mặt đun nóng theo số giai đoạn trong hệ thống cô đặc nhiều giai đoạn
Cô đặc nhiều giai đoạn có hiệu quả kinh tế cao về mặt sử dụng hơi đốt so với cô đặc một nồi. Tuy nhiên, khi số nồi cô tăng lên, tổn thất nhiệt tăng và hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh, nên các nồi cô cần bề mặt đun nóng lớn hơn, và chi phí thiết bị cũng tăng lên. Do đó trên thực tế, tối đa không quá 6 nồi cô, thường dùng 2 đến 4 nồi cô.
Cô đặc nhiều giai đoạn có thể vận hành liên tục theo các chế độ xuôi chiều, ngược chiều hoặc song song.
5.2.1. Cô đặc xuôi chiều
Trong hệ thống cô đặc xuôi chiều, chiều chuyển động của hơi đốt và hơi thứ cùng chiều với chiều chuyển động của dung dịch. Dung dịch được bơm vào nồi I (áp suất cao nhất), rồi chuyển tuần tự sang nồi II và nồi III nhờ chênh lệch áp suất. Hơi đốt đi vào phòng đốt nồi I để đun nóng dung dịch, hơi thứ của nồi I đi vào phòng đốt nồi II, hơi thứ của nồi II đi vào phòng đốt nồi III và hơi thứ của nồi III đi vào thiết bị ngưng tụ.
Hình 4.8. Sơ đồ hệ thống cô đặc xuôi chiều S. hơi đốt; V. hơi thứ; C. Nước ngưng; F. Dung dịch đầu; E. sản phẩm
Ưu điểm: chỉ cần bơm dung dịch vào nồi thứ I, dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất. Dịch đậm đặc lấy ra ỏ nồi cuối có nhiệt độ thấp, nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh nhỏ.
Nhược điểm: nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, dẫn đến giảm hệ số truyền nhiệt. Hệ thống không thích hợp khi phải cô đặc dung dịch có độ nhớt cao và yêu cầu nồng độ cuối lớn.
5.2.2. Cô đặc ngược chiều
Trong hệ thống này, chiều chuyển động của hơi đốt và hơi thứ ngược với chiều chuyển động của dung dịch. Hơi đốt đi vào nồi I, hơi thứ của nồi I đi vào nồi II, rồi từ nồi II sang nồi III. Ngược lại, dung dịch ban đầu đi vào nồi III và sản phẩm ra khỏi nồi I. Vì áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch không tự chảy mà phải dùng bơm để vận chuyển.
Hình 4.9. Sơ đồ hệ thống cô đặc ngược chiều S. Hơi đốt; V. Hơi thứ; C. Nước ngưng; F. Dung dịch đầu; E. sản phẩm
Ưu điểm: Dung dịch đậm đặc nhất đi vào nồi đầu (nhiệt độ cao nhất), độ nhớt không tăng nhiều, hệ số truyền nhiệt hầu như không giảm. Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối nhỏ hơn so với cô đặc xuôi chiều, nên lượng nước làm lạnh trong thiết bị ngưng tụ cần ít hơn.
Nhược điểm: Cần dùng bơm để vận chuyển dung dịch ở mỗi nồi cô.
Hệ thống ngược chiều được dùng để cô đặc dung dịch khi lấy ra có độ nhớt lớn và có nồng độ cao, vì dung dịch đậm đặc được lấy ra ở nồi đầu có nhiệt độ cao nên dễ lấy sản phẩm hơn so vối cô đặc xuôi chiều.
5.2.3. Cô đặc song song
Hình 4.10. Sơ đồ hệ thống cô đặc song song S. hơi đốt; V. hơi thứ, C. Nước ngưng; F. Dung dịch đầu; E. sản phẩm
Trong hệ thống cô đặc song song, dung dịch ban đầu đồng thời đi vào các nồi và sản phẩm cũng đồng thời lấy ra ở mỗi nồi. Nó chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch không cao lắm hoặc khi dung dịch cô đặc có kết tinh, vì dung dịch kết tinh dễ làm tắc ông khi di chuyển từ nồi này sang nồi khác.
5.3. Ứng dụng bơm nhiệt trong cô đặc
Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, tiêu hao hơi đốt giảm khi số nồi tăng, nhưng tăng số nồi thì phải tăng hiệu số nhiệt độ chung bằng cách tăng áp suất hơi đốt. Nếu không, hiệu số nhiệt độ có ích của môi nồi sẽ giảm, làm tăng bề mặt đun nóng của hệ thống. Ngoài ra, có nhiều trường hợp không cho phép ta cô đặc nhiều nồi, ví dụ khi cô đặc những chất dễ phân hủy ở nhiệt độ cao, hoặc dung dịch có tổn thất nhiệt độ lớn và hơi đốt chỉ cung cấp được ở nhiệt độ thấp.
Hình 4.11. Thiết bị cô đặc có bơm nhiệt
Trong trường hợp đó, sử dụng hơi thứ bằng cách nén hơi thứ đến áp suất hơi đốt để đun nóng dung dịch trong chính thiết bị cô đặc đó là kinh tế nhất. Để nén hơi thứ người ta dùng máy nén (kiểu piston, turbin hoặc phun tia), chúng được gọi là bơm nhiệt. Bơm nhiệt kiểu phun tia (bơm tuye) cấu tạo đơn giản, rẻ và được dùng phổ biến hơn cả.
Hơi đốt có áp suất cao đi vào vòi bơm và giãn nở thành tia phun có vận tóc lớn ở miệng vòi, làm giảm áp suất trong đầu bơm và hút hơi thứ vào. Ở điều kiện thích hợp, 1kg hơi đốt có thể hút thêm 1kg hơi thứ. Hỗn hợp hơi này được dẫn vào phòng đốt để đun nóng dung dịch.
6. Thiết bị cô đặc
Thiết bị cô đặc cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- Cấu tạo đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp.
- Chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra.
- Hệ số truyền nhiệt lớn để giảm lượng hơi đốt tiêu hao.
- Đáp ứng được các yêu cầu đặc biệt của dung dịch cần cô như độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, khả năng kết tinh, tính ăn mòn kim loại…
Trong công nghiệp, thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi nước được dùng phổ biến, gồm ba phần chính:
- Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) với bộ phận truyền nhiệt là chùm ống nhỏ.
- Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) để tách hơi thứ khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi.
- Bộ phận phân ly lỏng – hơi để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
Hình 4.12. Một số dạng thiết bị cô đặc
Đặc điểm và số lượng dung dịch cần cô đặc quyết định việc lựa chọn thiết bị cô đặc. Các dung dịch bền với nhiệt, ít tạo cặn bám và không ăn mòn có thể được cô trong các thiết bị đơn giản và rẻ tiền. Các dung dịch chứa hoạt chất nhạy cảm với nhiệt cần các thiết bị cô dưới áp suất giảm và thường đắt tiền hơn.
6.1. Thiết bị cô đặc kiểu tuần hoàn tự nhiên
Thiết bị cô đặc tuần hoàn cơ bản gồm hai phần chính: phòng đốt với các ống truyền nhiệt nhỏ và ống tuần hoàn lớn ở giữa, và phòng bốc hơi phía trên phòng đốt.
Hình 4.13. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm 1. Phòng bốc hơi; 2. Phòng đốt; 3. Ống tuần hoàn; 4. Ống truyền nhiệt; 5. Bộ phận tách bọt.
Tại phòng đốt, dung dịch ở trong các ống truyền nhiệt sẽ sôi sau khi nhận nhiệt từ hơi đốt, tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên. Trong ống tuần hoàn, dung dịch ít bị đun nóng hơn, do đó khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi cũng lớn hơn, nên dung dịch sẽ tự động được đẩy xuống dưới. Kết quả là dung dịch có vòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên.
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, dễ làm sạch. Nhược điểm: vận tốc tuần hoàn thấp, không dùng được với dung dịch có kết tinh.
6.2. Thiết bị cô đặc kiểu tuần hoàn cưỡng bức
Trong thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên, khi hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ, dòng chuyển động của dung dịch sẽ dừng lại. Tốc độ tuần hoàn cũng ảnh hưởng bởi độ nhớt của dung dịch. Khi đó, phải dùng bơm để tạo dòng tuần hoàn cưỡng bức.
Hình 4.14. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức: 1.Phòng đốt; 2. Phòng bốc hơi; 3. Ống tuần hoàn; 4. Bơm
Ưu điểm: tốc độ tuần hoàn lớn, hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên, có thể làm việc được khi hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ, dùng được cho những dung dịch có độ nhớt lớn hoặc dung dịch có kết tinh, hạn chế được hiện tượng bám cặn.
6.3. Thiết bị cô đặc loại màng
Thiết bị cô đặc loại màng được đặc trưng bởi thời gian tiếp xúc nhiệt của dung dịch rất ngắn (khoảng một phút), giúp bảo vệ các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt.
Hình 4.15. Thiết bị cô đặc loại màng
Trong thiết bị cô đặc loại màng, chất lỏng chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt của ông ở dạng màng mỏng. Nồng độ của dung dịch tăng dần theo chiều cao của ống truyền nhiệt.
Chiều cao ống truyền nhiệt và bề dày lớp màng chất lỏng là các thông số quan trọng. Thiết bị kiểu này được dùng phổ biến để cô đặc dịch lên men và dịch chiết dược liệu.
6.4. Thiết bị cô đặc loại rotor
Hình 4.16. Thiết bị cô đặc loại rotor
Để cổ đặc dung dịch không bền nhiệt nhưng có độ nhớt cao, có thể dùng thiết bị có rotor để điều chỉnh bề dày lớp màng. Dung dịch đầu được đưa vào ở phần trên thiết bị rồi được gạt thành lớp mỏng lên bề mặt truyền nhiệt nhờ các thanh gạt gắn trên rotor.
Thiết bị cô đặc loại này có thể hoạt động dưới chân không và nhiệt độ thấp, được dùng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm để cô các dung dịch có độ nhớt cao như dung dịch gelatin, dung dịch đường, dịch hoa quả và dịch chiết dược liệu.
6.5. Thiết bị cô ly tâm
Hình 4.17. Thiết bị cô ly tâm
Dung dịch được dẫn vào tâm của một rotor được làm nóng bằng hơi nước. Rotor quay với vận tốc cao. Dung dịch được văng lên phía trên nhờ lực ly tâm, tạo thành lớp mỏng bên trong thành rotor.
Thời gian tiếp xúc với nhiệt của dung dịch chỉ khoảng dưới 1 giây. Thiết bị dùng thích hợp với dung dịch chứa thành phần nhạy cảm với nhiệt.
Máy cô quay được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm để cô đặc dung dịch.
Hình 4.18. Máy cồ quay chân không
7. Phân ly hơi thứ cấp
Trong quá trình bốc hơi dung dịch, hơi thứ luôn kéo theo một lượng các hạt lỏng dung dịch. Độ sạch của hơi thứ phụ thuộc và lượng các hạt lỏng này.
Để phân ly hơi thứ, có thể áp dụng các nguyên lý sau:
- Sử dụng lực trọng trường.
- Sử dụng lực dính ướt của chất lỏng.
- Dùng lực ly tâm.
Để quá trình phân ly đạt hiệu quả cao, chiều cao của không gian phân ly phải đủ lớn, nhất là với các dung dịch tạo bọt. Đôi với dung dịch dễ tạo bọt, có thể phải dùng thêm chất chông tạo bọt và phải loại bỏ bọt khỏi dung dịch.
Câu hỏi lượng giá
- Nguyên tắc cấp nhiệt khi cô đặc: ảnh hưởng của Δt đến đặc tính và cường độ sôi của chất lỏng?
- Các ưu điểm phương pháp cô đặc chân không?
- Các yêu cầu và cấu tạo chính của thiết bị cô đặc?
- Nguyên tắc, ưu nhược điểm chung của phương pháp cô đặc nhiều giai đoạn?
- Cô đặc xuôi chiều, ngược chiều, song song: sơ đồ hệ thống, nguyên lý vận hành, ưu nhược điểm?
- Cấu tạo, nguyên lý vận hành, ưu nhược điểm các thiết bị cô đặc?