Tác giả: Tiến sĩ Dược sĩ Nguyễn Văn Hân.

Bạn Đang Xem: Cô đặc là gì? Cấu tạo, nguyên lý vận hành của một số thiết bị cô đặc

Nội dung bài viết Cô đặc là gì? Cấu trúc, nguyên tắc vận hành của một số thiết bị cô đặc trích trong chương 4 sách Một số quá trình và thiết bị trong công nghệ dược phẩm – giáo trình tập huấn dược sĩ ĐH bộ môn Công Nghiệp Dược trường ĐH Dược TP Hà Nội.

Mục tiêu học tập

1. Trình bày được thực chất quá trình bốc hơi, sự thay đổi tính chất dung dịch khi cô đặc, nguyên tắc cấp nhiệt khi cô đặc.

2. Trình bày được nguyên tắc, ưu nhược điểm cô đặc một thời đoạn và nhiều thời đoạn, ứng dụng bơm nhiệt trong cô đặc.

3. Trình bày được kết cấu, nguyên tắc vận hành, ưu nhược điểm và ứng dụng một số thiết bị cô đặc.

1. Khái niệm

Cô đặc là quá trình làm bay hơi hoặc bốc hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không phai hơi, với mục tiêu làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan hoặc thu hồi dung môi.

Cô đặc thường được tiến hành ở nhiệt độ sôi dưới mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dương), trong khối hệ thống một hoặc nhiều thiết bị cô đặc (nồi cô). Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn, có thể dùng làm hơi đốt trong các nồi cô khác. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài khối hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ.

Cô đặc chân không ứng dụng cho những 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 khá nhiều quá trình sinh sản khác cho quá trình cô đặc.

Cô đặc ở áp suất dương (lơn hơn áp suất khí quyển) thường dùng cho những dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao để sử dụng hơi thứ cho cô đặc hoặc cho những quá trình đun nóng khác. Ví dụ trong một khối hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi trước hết thao tác làm việc ở áp suất dương, các nồi sau thao tác làm việc ở áp suất chân không.

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng, nên tuy là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế tài chính.

2. Thực chất vật lý của quá trình bốc hơi

Bay hơi là quá trình một chất chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hóa hơi), xẩy ra ở mặt thoáng của chất lỏng ở nhiệt độ bất kỳ. Bốc hơi là quá trình hóa hơi ỏ nhiệt độ sôi, xẩy ra cả trên mặt thoáng và trong thâm tâm chất lỏng. Pha hơi trong quá trình bay hơi ngoài hơi dung môi còn tồn tại cả những khí khác (ví dụ không khí), còn pha hơi trong quá trình bốc hơi thường chỉ có hơi dung môi.

Quá trình bay hơi theo thuyết động học phân tử được giảng giải như sau: các phân tử của chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động nhiệt, ở thời khắc nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt quá tốc độ giới hạn, phân tử sẽ thoát khỏi mặt phẳng chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi, các phân tử cần khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực của áp suất ở môi trường tự nhiên xung quanh. Khi đó, phân tử bay hơi cần phải thu thêm nhiệt. Lượng nhiệt tiêu hao để làm chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ đã cho gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Khi tăng nhiệt độ chất lỏng, ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn (điểm tới hạn), ẩn nhiệt bay hơi bằng 0. Lượng nhiệt tiêu hao để làm chất lỏng hoá thành hơi ở nhiệt độ sôi gọi là ẩn nhiệt hoá hơi.

Đặc điểm của quá trình sôi là sự việc tạo thành bọt hơi. Khi sôi chất lỏng bốc hơi, không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà chủ yếu là ở các bọt hơi được tạo thành trong thâm tâm chất lỏng. Trong quá trình bốc hơi, các bọt hơi tăng dần kích thước và nổi dần lên mặt thoáng, song song các bọt khác lại được tạo thành, kết quả là hơi được chuyển liên tục từ bên trong lớp chất lỏng lên trên bề mặt thoáng.

Các bọt hơi được tạo thành do trong chất lỏng có một số khí hoà tan, khi đun nóng các khí thoát ra tạo thành nhiều bọt, từ các bọt này chất lỏng sẽ bay hơi. Hiện tượng lạ này thường có ở thời đoạn đầu của quá trình sôi.

Mặt khác, các bọt hơi cũng được tạo thành ngay trên mặt phẳng đun nóng, nơi mà chất lỏng có nhiệt độ chất lượng cao, và nó chỉ xuất hiện trên từng điểm riêng biệt, những chỗ nhám hoặc đóng cặn của mặt phẳng đun nóng, được gọi là những tâm tạo bọt. Mặt bằng rất nhẵn và không có điểm khuyết tật sẽ không còn tạo được bọt hơi, chất lỏng khi này sẽ trở thành quá nhiệt và quá trình sôi bị trễ lại.

Điều kiện kèm theo để tạo thành bọt hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất của chất lỏng ở xung quanh, ở xét tuyển này chất lỏng sẽ bay hơi mạnh, dù nhiệt lượng cung cấp từ ngoài vào cho chất lỏng tương đối lớn nhưng nhiệt độ của nó cũng không tăng. Thỉnh thoảng chất lỏng sôi ở trạng thái quá nhiệt (hiện tượng lạ này xẩy ra ở thời đoạn đầu của quá trình sôi) do chất lỏng không chứa khí hoà tan, khi đó áp suất p1 của hơi bên trong bọt phải bằng áp suất p0 của chất lỏng bên phía ngoài thêm vào đó áp suất p’ để thắng trỏ lực do sức căng mặt phẳng giữa hơi và lỏng. Tức thị p1 = p0+ p’.

p’= 2σ/ρ

(σ: sức căng mặt phẳng; ρ: nửa đường kính của bọt)

Vì áp suất p là hàm số của nhiệt độ t nên muốn áp suất trong bọt bằng p1 chất lỏng cần phải quá nhiệt một đại lượng Δt = t1 – t0 (t0 là nhiệt độ sôi ứng với p0, t1 là nhiệt độ quá nhiệt).

3. Một số tính chất của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc

3.1. Nhiệt hoà tan

Khi hoà tan một chất rắn vào trong 1 dung môi, có hai quá trình xẩy ra;

– Do tương tác giữa các thành phần của dung môi và các thành phần chất tan mà mạng lưới tinh thể của chất tan bị phá hủy. Đây là quá trình thu nhiệt của dung môi, nên nhiệt độ của dung môi bị lạnh đi.

– Tạo thành mối liên kết giữa các phân tử chất tan vối các phân tử dung môi, gọi là quá trình solvat hóa (nếu dung môi là nước thì gọi là hydrat hóa). Quá trình này toả nhiệt.

Nhiệt hoà tan là tổng của 2 lượng nhiệt này. Trị số nhiệt hoà tan của một chất có thể dương (toả nhiệt) hoặc âm (thu nhiệt), phụ thuộc vào tính chất của chất tan và dung môi. Các chất dễ tạo thành quá trình solvat hóa thì nhiệt hoà tan dương, còn những chất không tạo thành solvat thì nhiệt hoà tan âm. Khi tính toán cân bằng nhiệt của quá trình cô đặc, nên biết nhiệt hòa tan để thêm nhiệt vào hoặc bớt nhiệt đi.

3.2. Nhiệt độ sôi của dung dịch

Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc, vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn được chất tải nhiệt để đốt nóng cũng như các chính sách thao tác làm việc của thiết bị. Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và dung dịch sôi là một trong những yếu tố xác định mặt phẳng truyền nhiệt của thiết bị.

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào thực chất của dung môi và chất tan, nhất là nồng độ của chất tan. Khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng tăng. Điều này được giảng giải theo định luật Raoult-

(Ps-Phường)/Ps=n/N

Trong số đó: Ps: áp suất hơi bão hoà của dung môi thuần chất.

Phường: áp suất hơi bão hoà của dung môi trên mặt phẳng dung dịch.

n: số mol của chất tan.

N: số mol của dung môi.

Từ biểu thức trên ta thấy n/N > 0, do đó Psvàgt; Phường. Tức thị áp suất hơi bão hoà của dung môi thuần chất luôn to hơn áp suất hơi bão hoà của dung môi trên mặt phẳng dung dịch ở cùng nhiệt độ. Như vậy, ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch luôn to hơn nhiệt độ sôi của dung môi thuần chất. Cũng từ biểu thức này ta thấy khi tăng nồng độ n của chất tan thì áp suất Phường sẽ giảm. Hiệu số Ps – Phường = ΔP gọi là độ giảm áp suất của dung môi trên mặt phẳng dung dịch.

Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ t và áp suất hơi bão hòa của dung môi thuần chất Ps và của dung dịch Phường biểu thị trên hình 1. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch t và nhiệt độ sôi của dung môi ts ở cùng một áp suất là Δ’

Δ’= t-ts

Δ’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi thuần chất. Trong cô đặc Δ’ được gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ.

Δ’ là một thông số vật lý của dung dịch và phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ càng tăng thì Δ’ càng tăng. Δ’ còn phụ thuộc vào thực chất của chất tan và của dung môi, song song còn phụ thuộc vào áp suất. Ví dụ, ở áp suất thường nước sôi ở 100°c, dung dịch đường 60% sôi ở 103°c (Δ’ = 3°C), dung dịch NaOH 50% sôi ở 142°C ( Δ’ = 42°C).

Trị sô của Δ’ được xác định bằng thực nghiệm. Đồ thị hình 2 cho giá trị Δ’ của một số chất ở áp suất thường.

Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất bất kỳ, người ta sử dụng quy tắc Babo: “Độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt phẳng dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi”, tức là:

Ps — Phường Phường

——— = const. Do đó — = const

Ps Ps

Từ biểu thức này, nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch đã cho ứng vối áp suất nào đó thì có thể xác định được nhiệt độ sôi ở áp suất khác.

Ví dụ, 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?

ở nhiệt độ 110°C, tra bảng có áp suất hơi nước bão hòa Ps = 1,46 at, do đó:

Phường/Ps= 1/1,46=0,685

Ở Phường = 0,75 at thì dung dịch có nhiệt độ sôi tương ứng vối nhiệt độ tại Ps của hơi bão hòa:

0,75/Ps=0,685 → Ps =0,75/0,685=1,095 st

Từ đó, xác định được 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 ứng dụng cho dung dịch loãng, khi đối chiếu với dung dịch đặc phải thêm hệ số hiệu chỉnh. Trị sô của hệ sô hiệu chỉnh khi sôi ở áp suất thấp cho trong bảng 4.1.

Bảng 4.1. Bảng hệ số hiệu chỉnh Δt

Hệ số hiệu chỉnh Δt (°C) Tỷ số Phường/Ps 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Áp suất trên dunq dịch sôi, mmHq 0,9 100 200 400 450 500 550 650 1,8 – 50 200 350 450 500 550 2,6 – – 100 275 300 350 400 3,6 – – – 150 200 250 300

Nhiệt độ sôi của dung dịch cũng phụ thuộc vào độ sâu. Trên mặt thoáng, nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu nhiệt độ sôi càng tăng. Ví dụ đung nóng nước trong ống đứng ở áp suất thường, trên mồm ông sôi ở 100°C, ở sâu 4 m sôi ở 108,7°C. Nguyên nhân là vì áp suất thuỷ 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. Nếu chất rắn khi hoà tan toả nhiệt thì hệ số hiệu chỉnh lấy dấu (+), nếu thu nhiệt lấy dấu (-).

Ta có: t(p+Δp) – tp = Δ”

Trong tính toán, áp suất thuỷ tĩnh Δp được lấy trị số trung bình:

Δp = p’gh [N/m2] (*)

Trong số đó: p’ là khôi 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 Tính từ lúc mặt thoáng đến giữa ống truyền nhiệt trong thiết bị cô đặc (m).

Công thức (*) chỉ gần đúng so với số liệu thực nghiệm vì áp suất thuỷ tĩnh của dung dịch sôi phụ thuộc khối lượng riêng, độ sâu và tốc độ tuần hoàn của dung dịch. Ngoài ra, nó cũng phụ thuộc vào kết cấu thiết bị, chính sách nhiệt độ…

Xem Thêm : Thế hệ Gen Z Là Gì Và Những Điều “Lồi Lõm” Trong Mắt Các Gen Khác

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh cũng như tổn thất nhiệt độ do nồng độ làm giảm hiệu số nhiệt độ giữa chất tải nhiệt và nhiệt độ sôi của dung dịch, làm tăng mặt phẳng truyền nhiệt của thiết bị. Nhưng trong trường hợp tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, lượng nhiệt cung cấp để làm quá nhiệt dung dịch vẫn còn đấy vì khi đi lên mặt thoáng thì áp suất thủy tĩnh giảm, nó sẽ cung cấp cho môi trường tự nhiên 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 tang tăng lên. Do đó, tinh chất của dung dịch sẽ thay đổi. Sự thay đổi này tác động đến việc tính toán, kết cấu, vận hành của thiết bị cô đặc. Sự thay đổi tính chất dung dịch theo thời kì cô đặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi được biểu thị trên hình 4.3.

Chú thích:

l: Miền chưa bão hòa

II: Miền bão hòa

xđ. Nồng độ đầu

xc. Nồng đố cuối của dung dịch

λ. Hệ số dẫn nhiệt.

α2. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch

C. Nhiệt dung riêng.

Δ’. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ.

v. Độ nhớt dung dịch.

p. Khối lượng riêng của dung dịch.

Hình 4.3a biểu thị sự thay đổi của nồng độ dung dịch theo thời kì từ xđ đến xc, lúc đầu tăng nhanh sau chậm dần. Đồ thị 4.3b thể hiện sự thay đổi của khá nhiều đại lượng vật lý đặc trưng cho dung dịch như: λ, C, α2, p, v, Δ’.

Trong quá trình cô đặc, nồng độ dung dịch tăng sẽ kéo theo sự tăng của độ nhớt v, khối lượng riêng p, tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ và cũng kéo theo sự giảm của hệ số dẫn nhiệt Δ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α2. Song song khi tăng nồng độ thì xét tuyển để tạo thành cặn bám trên mặt phẳng truyền nhiệt sẽ tăng, dẫn đến làm giảm khả năng truyền nhiệt của thiết bị (hệ số truyền nhiệt K giảm).

Khi cô đặc các dung dịch kết tinh, đến thời kì t0 nào đó dung dịch sẽ bão hoà, nếu tiếp tục cho bốc hơi dung môi thì chất tan sẽ tách ra ỏ dạng rắn (kết tinh), nồng độ dung dịch không thay đổi, càng về sau lượng tinh thể càng tăng. Nồng độ bão hoà phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung dịch, khi nhiệt độ sôi tăng thì nồng độ bão hoà tăng, giới hạn thay đổi thể hiện ở khu gạch chéo trên hình 3a.

Ở miền quá bão hoà II, đường nồng độ có hai nhánh, nhánh trên là nồng độ tính theo toàn bộ khối lượng chất tan, còn nhánh dưới là nồng độ của nước cái. Độ nhớt v của dung dịch ở miền quá bão hoà cũng đều có hai nhánh (hình 3b), nhánh trên là độ nhớt của huyền phù, còn nhánh dưới là độ nhớt của nước cái.

Đối vối các dung dịch không kết tinh hoặc có chất không kết tinh thì không có miền II. So với các dung dịch có miền II, người ta thường ứng dụng cô đặc chân không.

4. Nguyên tắc cấp nhiệt khi cô đặc

Một chất lỏng bất kỳ ở trong bình chứa đều chỉ có thể đun nóng đến nhiệt độ bão hoà. Nếu ta tiếp tục cấp nhiệt thì chất lỏng khai mạc sôi. Trong quá trình sôi nhiệt độ chất lỏng không đổi, 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 sô” nhiệt độ At giữa mặt phẳng đun nóng và chất lỏng sôi:

Δt = tT – ts

Trong số đó tT là nhiệt độ mặt phẳng đun nóng xúc tiếp với chất lỏng sôi; ts là nhiệt độ của chất lỏng sôi.

Hình 4.4 thể hiện đường cong biến thiên hệ số cấp nhiệt ts theo chênh lệch nhiệt độ Δt của nước ở áp suất thường. Quá trình sôi có thể chia làm 4 vùng khác nhau:

– Vùng đối lưu tự do: Khi Δt nhỏ, một số ít bọt hơi xuất hiện trên mặt phẳng đun nóng tại những tâm tạo bọt, nhưng quá trình đối lưu tự do chiếm ưu thế. Các thiết bị cô đặc không thao tác làm việc ở vùng này.

– Vùng sôi sủi bọt: Nếu tăng Δt lên thì số tâm tạo bọt tăng lên, các bọt hơi càng nhiều và càng tách nhanh thoát khỏi mặt phẳng đun nóng, chất lỏng bị sủi bọt nhiều hơn và quá trình sôi mãnh liệt hơn. Chính các bọt này làm tăng véc tơ vận tốc tức thời chuyển động của chất lỏng, chất lỏng xáo trộn mạnh, do đó hệ số cấp nhiệt cũng tăng nhanh. Cơ chế sôi lúc này là sôi sủi bọt. Thực tế, các thiết bị cô đặc đều thao tác làm việc ở vùng này.

– Vùng chuyển tiếp: ở vùng này, các bọt hơi xuất hiện quá nhanh, một phần mặt phẳng truyền nhiệt bị phủ rộng bởi một màng hơi cách nhiệt, làm giảm đột ngột hệ số cấp nhiệt. Trị số của Δt tương ứng với điểm chuyển từ chính sách sôi sủi bọt sang chính sách sôi màng gọi là trị số tới hạn.

– Vùng sôi màng: Nếu tiếp tục tăng hiệu số nhiệt độ lên nữa, các bọt hơi kết dính với nhau tạo thành màng hơi kín trên mặt phẳng đun nóng. Hệ số cấp nhiệt ở vùng này giảm tốc. Cơ chế sôi trong xét tuyển này gọi là sôi màng.

5. Các phương pháp cô đặc

Quá trình cô đặc có thể được thực hiện theo chính sách gián đoạn hoặc liên tục, một thời đoạn hay nhiều thời đoạn và ở các áp suất khác nhau.

Cô đặc gián đoạn là cho dung dịch vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi đế tầm mức dung dịch không đổi cho tới khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đạt yêu cầu thì lấy ra một lần, sau nó lại cho dung dịch mới vào thiết bị để cô. Cô đặc liên tục là lúc dung dịch và hơi đốt được cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục.

Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật. Khi thao tác làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển), có thể dùng thiết bị hở. Khi thao tác làm việc ở các áp suất khác, phải dùng thiết bị kín.

Cô đặc chân không có nhiều ưu điểm: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, nên hiệu nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, do đó có thể giảm được mặt phẳng truyền nhiệt. Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, do đó rất có lợi khi sử dụng hơi thải của khá nhiều quá trình sinh sản khác. Cô đặc chân không được sử dụng cho những dung dịch dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao, hoặc cho những dung dịch mà ở nhiệt độ sôi cao (với áp suất thường) thì có thể bị sinh ra những phản ứng phụ bất lợi (oxy hoá, nhựa hoá, đường hoá…). Mặt khác, do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên tốn thất nhiệt ra môi trường tự nhiên xung quanh sẽ nhỏ hơn so với khi cô đặc ở áp suất thường.

5.1. Cô đặc một thời đoạn

Cô đặc một thời đoạn, còn gọi cô đặc đơn giản hay cô đặc một nồi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng.

Hình 4.5 là cân bằng vật liệu và năng lượng của hai bên thành thiết bị bốc hơi (một bên là hơi đốt và bên kia là dung dịch cô đặc).

Mục tiêu của bốc hơi thường để cô đặc một dung dịch lúc đầu F có nồng độ đầu bF đến nồng độ cuốiI bC. Lượng dung môi cần bốc hơi D sẽ là:

D= F(1 – bF /bC ) (1)

Phương trình trên chỉ ra rằng dung dịch cuối càng đậm đặc, tức là nồng độ dung dịch càng lớn, tỉ lệ bF/bc càng nhỏ và lượng dung môi phải bốc hơi càng lớn.

Thông số liên quan thứ hai là lượng hơi đốt Vs cấp thiết để làm bốc hơi lượng dung môi D. Vs được tính từ công thức:

Vs. Hơi nước (hơi đốt, kg/giờ)

bF. Nồng độ chất rắn của dung dịch lúc đầu (%)

hs. Enthalpy của hơi nước (kJ/kg)

ts. Nhiệt độ hơi nước ngưng tụ (°C)

F. Dung dịch lúc đầu (kg/giờ).

hF. Enthalpy của dung dịch lúc đầu (kJ/kg)

tF. Nhiệt độ dung dịch lúc đầu (°C)

C. Dung dịch đặc đi thoát khỏi thiết bị (kg/giờ)

(ts-Δt). Nhiệt độ nước ngưng (°C)

hD. Enthalpy của dung môi bốc hơi (kJ/kg)

tC. Nhiệt độ dung dịch đặc (°C)

Cs. Nhiệt dung riêng của hơi nước ngưng tụ

D. Lượng dung môi bốc hơi (kg/giờ)

hC. Enthalpy của dung dịch đặc (kJ/kg)

hC. Nồng độ chất rắn của dung dịch đặc (%)

Có thể minh họa việc tính toán bằng ví dụ sau:

Tính lượng nước bốc hơi (hơi thứ) và hơi nước (hơi đốt) tiêu hao để cô đặc 20000 kg dung dịch chứa lượng 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 lúc đầu có nhiệt độ tF = 95°c hoặc 20°c. Bỏ qua sự hạ 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 lúc 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.

Trái lại, nếu dung dịch lúc đầu có nhiệt độ 20°C, lượng hơi đốt tiêu hao là:

Xem Thêm : SafeMoon (SFM) là gì? Bản hướng dẫn cơ bản cho bạn

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 ngân sách và chi phí hơi đốt bằng phương pháp đun nóng trước dung dịch cần bốc hơi. Trong cô đặc một thời đoạn, có thể tiết kiệm ngân sách và chi phí năng lượng bằng phương pháp dùng hơi thứ để đun nóng trước dung dịch lúc đầu. Hình 4.6 là sơ đồ khối hệ thống cô đặc có sử dụng một phần hơi thứ để đun nóng. Những khối hệ thống này thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hoặc khi dung dịch cần hạn chế xúc tiếp với nhiệt độ cao trong thời kì dài. Việc sử dụng hơi thứ để đun nóng có thể tiết kiệm ngân sách và chi phí năng lượng đến khoảng tầm 13%. Để tận dụng tối đa năng lượng hơi thứ, có thể ứng dụng khối hệ thống cô đặc nhiều nồi hoặc thiết bị bơm nhiệt.

5.2. Cô đặc nhiều thời đoạn

Để tiết kiệm ngân sách và chi phí được lượng hơi đốt tiêu hao cho quá trình cô đặc, người ta thực hiện quá trình cô đặc trong khối hệ thống thiết bị gồm một số nồi cô mắc tiếp nối nhau, nên còn gọi là cô đặc nhiều nồi. Trong số đó hơi thứ của nồi cô này được sử dụng làm hơi đốt cho nồi cô khác. Nguyên tắc cô đặc nhiều thời đoạn có thể tóm tắt như sau:

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 sử dụng làm hơi đốt cho nồi thứ ba… Hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào tuần tự 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 kèm theo cấp thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác phải có chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong mỗi nồi, tức là áp suất thao tác 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 thao tác làm việc ỏ áp suất dương, còn nồi cuối thì thao tác làm việc ở áp suất chân không.

Cô đặc nhiều thời đoạn có hiệu quả kinh tế tài chính cao về mặt sử dụng hơi đốt so với cô đặc một nồi. Vì cô đặc nhiều thời đoạn sử dụng nhiều lần một nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho nồi trước hết, nên tiết kiệm ngân sách và chi phí được hơi đốt. Nếu giả thiết rằng cứ 1 kg hơi đốt đưa vào đun nóng thì làm bốc hơi 1 kg hơi thứ. Khi cô đặc hai nồi, 1 kg hơi đốt vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi 1 kg hơi thứ trong nồi đầu, 1 kg hơi thứ này đưa sang nồi thứ hai cũng làm bay hơi được một kg hơi thứ nữa. Lượng hơi đốt tính cho một kg hơi thứ là 1 trong/2 = 0,5 kg. Như vậy là cứ một kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong khối hệ thống. Nói cách khác, lượng hơi đốt để làm bốc hơi 1 kg hơi thứ tỉ lệ nghịch với sô nồi cô. Hình 4.7 thể hiện nguyên tắc này dưới dạng đồ thị.

Khi số nồi cô trong hệ thông tăng lên thì tiết kiệm ngân sách và chi phí năng lượng hơi đốt, nhưng tổn thất nhiệt tăng và hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh, nên các nồi cô cần mặt phẳng đun nóng to hơn. Hơn nữa, ngân sách thiết bị cũng tăng lên. Do đó trên thực tế, tối đa không thật 6 nồi cô, thường dùng 2 đến 4 nồi cô.

Cô đặc nhiều thời đoạn có thể vận hành liên tục theo những chính sách xuôi chiều, ngược chiều hoặc song song.

5.2.1. Cô đặc xuôi chiều

Khối hệ thống cô đặc xuôi chiều là khối hệ thống mà chiều chuyển động của hơi đốt và hơi thứ cùng chiều với chiều chuyển động của dung dịch (hình 4.8). Dung dịch được bơm vào nồi I (là nồi có áp suất chất lượng cao), rồi chuyển tuần tự sang nôi II và nồi III nhờ chênh lệch áp suất trong các nồi. 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.

Vì hơi thứ của nồi trước được sử dụng làm hơi đốt cho nồi sau nên nhiệt độ sôi của dung dịch nồi sau phải thấp hơn nhiệt độ của hơi thứ đi ra từ nồi trước. Vì vậy, áp suất trong các nồi phải giảm dần từ nồi đầu đến nồi cuối.

Nhiệt độ sôi của nồi trước to hơn nồi sau nên dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi I) đều phải có nhiệt độ lơn hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ tiến hành làm nguội đi đến nhiệt độ sôi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quá trình tự bốc hơi. Khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi, thì có thể tiết kiệm ngân sách và chi phí hơi đốt bằng phương pháp dùng hơi phụ hoặc nước ngưng để đun nóng sơ bộ dung dịch đầu trước lúc vào nồi cô trước hết.

Khối hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng phổ quát nhất trong thực tế. Loại này còn có ưu điểm là chỉ việc bơm dung dịch và nồi thứ I, sau đó dung dịch tự vận chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Ngoài ra, dịch đậm đặc lấy ra ỏ nồi cuối có nhiệt độ thấp nên tổn thất nhiệt ra môi trường tự nhiên xung quanh nhỏ.

Nhược điểm của khối hệ thống cô đặc xuôi chiều là 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. Kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Khối hệ thống cũng 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

Khối hệ thống này còn có chiều chuyển động của hơi đốt và hơi thứ ngược với chiều chuyển động của dung dịch (hình 4.9). Hơi đốt đi vào nồi I, hơi thứ của nồi I đi vào nồi II, rồi từ nồi II sang nồi III giống như trong cô đặc xuôi chiều. Trái lại, dung dịch lúc đầu đi vào nồi III và sản phẩm thoát khỏi nồi I. Trong hệ thông này, vì áp suất nồi trước to hơn nồi sau nên dung dịch không tự chảy từ nồi nọ sang nồi kia mà phải dùng bơm để vận chuyển.

Như vậy, dung dịch đậm đặc nhất sẽ đi vào nồi đầu, ở đây nhiệt độ là lớn số 1, do đó độ nhớt sẽ không còn bị tăng nhiều. Kết quả là hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi. Ngoài ra, 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 thấp hơn. Nhược điểm của khối hệ thống ngược chiều là ở mỗi nồi cô đều cần phải dùng bơm để vận chuyên dung dịch.

Khối hệ thống ngược chiều được dùng làm 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

Khối hệ thống cô đặc song song được mô tả ở hình 4.10. Dung dịch lúc đầu đông thời đi vào các nồi. Sản phẩm cũng song song lấy ra ở mỗi nồi. Cô đặc song song chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch không đảm bảo lắm hoặc khi dung dịch cô đặc có kết tinh, vì dung dịch kết tinh dễ làm tắc ông khi vận chuyển từ nồi này sang nồi khác.

5.3. Ứng dụng bơm nhiệt trong cô đặc

Trong khối hệ thống cô đặc nhiều nồi, tiêu hao hơi đốt càng giảm khi số nồi tăng, nhưng tăng số nồi thì phải tăng hiệu số nhiệt độ chung bằng phương pháp tăng áp suất hơi đốt. Nêu không, hiệu số nhiệt độ có ích của môi nồi sẽ giảm, làm tăng mặt phẳng đun nóng của khối hệ thống. Ngoài ra, trong công nghiệp có nhiều trường hợp không được cho phép ta cô đặc nhiều nồi được, 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.

Trong trường hợp đó, ta sử dụng hơi thứ bằng phương pháp nén hơi thứ đến áp suất hơi đốt để đun nóng dung dịch trong chính thiết bị cô đặc đó là kinh tế tài chính 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) kết cấu đơn giản, rẻ và được sử dụng phổ quát hơn hết.

Hình 4.11 là sơ đồ thiết bị cô đặc có bơm nhiệt. Hơi đốt có áp suất cao đi vào vòi bơm và giãn nở thành tia phun có vận tóc lớn ở mồm vòi, làm giảm áp suất trong đầu bơm và thấm hút thứ vào. Ở xét tuyển thích hợp, 1kg hơi đốt có thể hút thêm 1kg hơi thứ. Hỗn hợp hơi nànayfduc đưa vào phòng đốt để đun nóng dung dịch.

6. Thiết bị cô đặc

Thiết bị cô đặc cần có những yêu cầu sau:

– Cấu trúc đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp.

– Cơ chế thao tác làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ kiểm soát và điều chỉnh và kiểm tra.

– Hệ số truyền nhiệt lớn để làm giảm lượng hơi đốt tiêu hao.

– Đáp ứng được những yêu cầu đặc biệt quan trọng 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, các thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi nước được sử dụng phổ quát, loại này gồm có ba phần chính:

– Phòng ban đung nóng dung dịch (phòng đốt) trong đó phòng ban truyền nhiệt là chùm ong gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ỏ bên phía ngoài (hoặc bên trong) các ông, còn dung dịch chuyển động bên trong (hoặc bên phía ngoài) các ống.

– Phòng ban bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi. Do đó, phòng bốc hơi cần có không gian rộng để tách hơi thoát khỏi hỗn hợp.

– Phòng ban phân ly lỏng – hơi: tùy theo mức độ cấp thiết, có thê kết cấu thêm phòng ban phân ly lỏng – hơi trong phòng bốc hơi hoặc trong ống dẫn hơi thứ để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.

a. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm, chính sách tuần hoàn tự nhiên; b. Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài dạng đứng, chính sách tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức; c.Thiết bị cô đặc loại có phòng đốt ngoài nằm nghiêng, chính sách tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức; d. Thiết bị cô đặc loại có phòng đốt ngoài nằm ngang, hơi đốt đi trong ống truyền nhiệt; e. Thiết bị cô đặc dạng đứng, chất lỏng chảy từ dưới lên; f. Thiết bị cô đặc dạng đứng, chất lỏng chảy từ trên xuống; g. Thiết bị cô đặc loại rotor; h Thiết bị cô đặc loại rotor có mặt phẳng truyền nhiệt hình nón; i. Thiết bị cô đặc không có phòng ban đun nóng, dùng bọc hơi dung dịch đã được đun nóng trước bằng phương pháp giảm áp suất. F. Dung dịch đầu, C. Dung dịch đậm đặc; D Hơi thứ.

Đặc điểm và số lượng dung dịch cần cô đặc trong một đơn vị thời kì là những thông số quyết định việc lựa chọn một 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. Những yêu cầu đa dạng của dung dịch cần cô đặc đã dẫn đến việc xuất hiện của nhiều loại thiết bị có kết cấu và nguyên tắc vận hành khác nhau (hình 4.12). Tại chỗ này là một số thiết bị cô đặc thường dùng trong công nghiệp Dược.

6.1. Thiết bị cô đặc kiểu tuần hoàn tự nhiên

Thiết bị cô đặc tuần hoàn cơ bản gồm có hai phần chính: Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, trong đó có những ống truyền nhiệt nhỏ, chiều dài đến 5 m, xếp đồng tâm và một ông tuần hoàn lớn để tại giữa các ông truyền nhiệt. Phần trên của thiết bị, phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi. Trong phòng bốc hơi có phòng ban tách chất lỏng, để tránh các giọt nhỏ dung dịch bị cuốn đi theo hơi thứ.

Tại phòng đốt, dung dịch ở trong các ống truyền nhiệt còn hơi đốt đi vào khoảng tầm trông phía ngoài ống. Sau thời điểm nhận nhiệt của hơi đốt qua mặt phẳng truyền nhiệt, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sẽ sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên mồm ống truyền nhiệt. Còn trong ông tuần hoàn, vì ống có đường kính to hơn nên dung dịch ít bị đun nóng hơn, do đó lượng hơi ở đây tạo ra thấp hơn và khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi cũng to hơn so với ở trong ống truyền nhiệt nên dung dịch sẽ tự động hóa được đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị dung dịch có vòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên, từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Dung dịch cứ tuần hoàn như vậy cho tới khi đạt tới nồng độ yêu cầu thì được lấy ra ở phía dưới.

Véc tơ vận tốc tức thời tuần hoàn càng lớn, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tảng và quá trình đóng cặn trên mặt phẳng truyền nhiệt cũng giảm. Véc tơ vận tốc tức thời tuần hoàn của thiết bị nockout này thường không thật 1,5 m/giây.

Ở phòng bốc hơi, hơi bốc lên đập vào phòng ban tách bọt, những giọt lỏng còn lẫn trong hơi sẽ bị cản lại và quay trở về phòng đốt.

Thiết bị tuần hoàn có ống tuần hoàn ở tâm có ưu điểm là kết cấu đơn giản, dễ sửa chữa, dễ làm sạch, nhưng có nhược điểm là véc tơ vận tốc tức thời tuần hoàn thấp vì ống tuần hoàn cũng trở nên đun nóng, 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 tạm dừng. Tốc độ tuần hoàn cũng tác động bởi độ nhớt của dung dịch, vì dung dịch nhớt truyền nhiệt kém. Khi đó, phải dùng bơm để tạo dòng tuần hoàn cưỡng bức.

Các thiết bị này thường là loại có phòng đốt ngoài hoặc loại có ống tuần hoàn ngoài, có lắp thêm bơm ở ống tuần hoàn để tạo ra lực đẩy cho dung dịch chuyển động. Như vậy, tuần hoàn của dung dịch là tuần hoàn cưỡng bức. Dung dịch đầu được hút vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn, sản phẩm được lấy ra ở phía dưới của phòng bốc hơi, còn phần chính chảy vào ông tuần hoàn do bơm tuần hoàn hút và được trộn lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng đốt.

Thiết bị có ưu điểm là tốc độ tuần hoàn lớn, hệ số cấp nhiệt to hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3 đến 4 lần, do đó có thể thao tác làm việc được khi hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 đến 5°C) vì cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào năng suất của bơm. Thiết bị dùng được cho những dung dịch có độ nhớt lớn hoặc dung dịch có kết tinh. Tốc độ tuần hoàn lớn còn hạn chế được hiện tượng lạ bám cặn trên mặt phẳng truyền nhiệt.

6.3. Thiết bị cô đặc loại màng

Yêu cầu về các xét tuyển cô đặc nhằm bảo vệ các vật liệu nhạy cảm với nhiệt đã dẫn đến việc phát triển các thiết bị cô đặc loại màng mỏng. So với thiết bị cô tuần hoàn, thiết bị cô màng mỏng được đặc trưng bởi thời kì xúc tiếp nhiệt của dung dịch rất ngắn (khoảng tầm một phút).

Trong thiết bị cô đặc loại màng, chất lỏng chuyển động dọc theo mặt phẳng truyền nhiệt của ông ở dạng màng mỏng. Quá trình tạo hơi chủ yếu từ màng chất lỏng này. Theo độ cao của ống truyền nhiệt, khi màng chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ của dung dịch tăng dần, đến phòng bốc hơi thì đạt được nồng độ cấp thiết.

So với cô đặc loại màng, độ cao ống truyền nhiệt và bề dày lốp màng chất lỏng trong ống truyền nhiệt là các thông số quan trọng tác động đến hệ số truyền nhiệt và mức độ đậm đặc sản nổi tiếng phẩm. Thiết bị kiểu này được sử dụng phổ quát để cô đặc dịch lên men và dịch chiết dược liệu.

6.4. Thiết bị cô đặc loại rotor

Trong thiết bị cô đặc loại màng, bề dày của lóp màng dung dịch tạo thành phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dung dịch, tốc độ chảy, nhiệt độ… Do vậy các thiết bị đó không thích phù hợp với dung dịch có độ nhớt cao. Để cổ đặc dung dịch không bền nhiệt nhưng có độ nhớt cao, có thể dùng thiết bị có rotor để kiểm soát và điều chỉnh bề dày lớp màng. Thân thiết bị có áo hơi đóng vai trò là mặt phẳng truyền nhiệt. Rotor là một trục thẳng đứng, trên có gắn các thanh gạt. Dung dịch đầu được đưa vào sinh sống phần trên thiết bị như trong cô đặc loại màng rồi được gạt thành lớp mỏng (0,75 đến 4 mm) lên mặt phẳng truyền nhiệt nhờ các thanh gạt gắn trên rotor. Thiết bị cô đặc loại này còn có thể hoạt động dưới chân không và nhiệt độ thấp, được sử dụng phổ quát 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, sản phẩm thu được có thể chất từ dạng đậm đặc đến dạng bột khô.

6.5. Thiết bị cô ly tâm

Dung dịch được đưa vào tâm của một rotor được làm nóng bằng hơi nước. Rotor quay với véc tơ vận tốc tức thời 400-1600 vòng/phút. Dung dịch được văng lên phía trên nhờ lực ly tâm, tạo thành lớp mỏng bên trong thành rotor. Bề dày của lớp màng khoảng tầm 0,1 mm nên tốc độ bốc hơi rất nhanh. Thời kì xúc tiếp với nhiệt của dung dịch chỉ ở mức dưới 1 giây. Thiết bị dùng thích phù hợp với dung dịch chứa thành phần nhạy cảm với nhiệt.

Máy cô quay được sử dụng phổ quát trong phòng thí nghiệm để cô đặc dung dịch. Chuyển động quay của bình cất giúp phân chia dung dịch thành lớp mỏng lên mặt trong của bình, làm tăng đáng kể mặt phẳng truyền nhiệt cũng như mặt phẳng bốc hơi. Chuyển động quay còn tồn tại tác dụng phá vỡ các bọt hơi tạo thành. Nhiệt độ bể nước, độ sâu của bình cất chìm trong bể nước, mức chân không và tốc độ quay là những thông số có thể kiểm soát và điều chỉnh tốc độ bốc hơi.

7. Phân hơi thứ cấp

Trong quá trình bốc hơi dung dịch, hơi thứ (hơi nước nếu dung môi là nước) tạo thành khi tách khỏi mặt phẳng dung dịch, luôn kéo theo một lượng nhất định các hạt lỏng dung dịch. Độ sạch của hơi thứ phụ thuộc và lượng các hạt lỏng này.

Nếu thải hơi thứ vào môi trường tự nhiên thì môi trường tự nhiên sẽ bị ô nhiễm, còn nếu lại sử dụng hơi thứ đó để làm hơi đốt cho cấp cô đặc sau, thì dung dịch sẽ và ngọt ngào và làm bẩn mặt phẳng ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Hơn nữa, nếu kéo theo nhiều dung dịch theo hơi thứ sẽ gây nên tổn thất dung dịch. Do vậy, nhiệm vụ của phân ly là tách các hạt lỏng dung dịch thoát khỏi hơi thứ và cho những hạt lỏng này quay trở lại dung dịch. Phòng ban để làm sạch hơi thứ gọi là bộ phân ly.

Để phân ly hơi thứ, có thể ứng dụng các nguyên tắc sau:

– Sử dụng lực trọng trường: nhờ lực trọng trường, các hạt lỏng to nặng sẽ rơi xuống và tách khỏi dòng hơi.

– Sử dụng lực dính ướt của chất lỏng: lúc các hạt lỏng chạm vào mặt phẳng vách rắn, lực dính ướt sẽ dính hạt lỏng trên mặt phẳng và chảy xuống dưới.

– Dùng lực ly tâm: khi cho dòng hơi thứ quay tròn, do tác dụng của lực ly tâm, các hạt lỏng bị văng thoát khỏi tâm, chạm vào tấm vách rồi chảy xuống dưới.

Để quá trình phân ly đạt hiệu quả cao, độ cao của không gian phân ly (không gian chứa hơi thứ trên mặt phẳng dung dịch) phải đủ lớn, nhất là với những 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.

Vướng mắc lượng giá

1. Nguyên tắc cấp nhiệt khi cô đặc: tác động của #t đến đặc tính và cường độ sôi của chất lỏng?

2. Các ưu điểm phương pháp cô đặc chân không?

3. Các yêu cầu và kết cấu chính của thiết bị cô đặc?

4. Nguyên tắc, ưu nhược điểm chung của phương pháp cô đặc nhiều thời đoạn?

5. Cô đặc xuôi chiều, ngược chiều, song song: sơ đồ khối hệ thống, nguyên tắc vận hành, ưu nhược điểm?

6. Cấu trúc, nguyên tắc vận hành, ưu nhược điểm các thiết bị cô đặc?