Thuyết trình thiết bị bốc hơi trong thực phẩm

Muïc luïc: I.Giôùi thieäu II. Söï truyeàn nhieät trong thieát bò boác hôi : Tính chaát vaät lyù 2 Heä soá truyeàn nhieät: 3 Söï tích baån trong daøn bay hôi 4 Söï truyeàn nhieät trong thieát bò boác hôi kieåu chaûy maøng 4 4.1.Thieát bò boác hôi maøng rôi 4 4.2 Thieát bò boác hôi maøng treo 7 5.Thieát bò coâ ñaëc nöôùc eùp traùi caây maøng rôi 8 III. Caùc heä thoáng thieát bò boác hôi: Heä thoáng moät thieát bò coâ chaân khoâng coù thaùp ngöng hôi thöù: 9 Heä thoáng boác hôi nhieàu thieát bò 11 2.1 Heä thoáng ba thieát bò boác hôi doøng cuøng chieàu 12 2.2 Heä thoáng ba thieát bò boác hôi doøng ngöôïc chieàu 13 2.3 heä thoáng nhieàu thieát bò boác hôi laøm vieäc song song 14 2.4 Heä thoáng thieát bò boác hôi doøng cuøng chieàu coù theâm thieát 15 bò boác hôi boå sung IV. Tính thieát keá caùc heä thoáng boác hôi: 16 1. Heä thoáng moät thieát bò boác hôi 2. Heä thoáng boác hôi lieân tuïc 19 V.Caùc thieát bò boác hôi; 24 1. Thieát bò boác hôi thaúng ñöùng, buoàng ñoát trong, tuaàn hoaøn töïï nhieân 26 2. Thieát bò boác hôi coù buoàng ñoát ngoaøi 30 VI. Chaát löôïng thöïc phaåm: 30 VII. Thieát bò boác hôi trong thöïc phaåm 32 Caân baèng vaät chaát vaø caân baèng 32 Thieát bò tính toaùn thôøi gian löu daøi 33 Thieát bò boác hôi coù thôøi gian löu ngaén 34 VIII. Thieát bò boác hôi tieát kieäm naêng löôïng 38 Thieát bò bay hôi lieân tuïc 40 Thieát bò coâ ñaëc neùn hôi 42 Thieát bò coâ đñaëc coù bôm nhieät 46 Phoái hôïp thaåm thaáu ngöôïc\ coâ ñaëc 46 Söï khöû muoái töø nöôùc 46 Thieát bò boác hôi taän duïng nhieät thaûi 46 IX. Nguyeân lyù thieát keá: 47 1.Löïa choïn thieát bò boác hôi 47 2.Löïa choïn vaät lieäu 48 IX. Caùc thaønh phaàn cuûa thieát bò boác hôi 50 Thaân cuûa thieát bò boác hôi 51 Thieát bò thieát bò taùch loûng hôi 53 Thieát bò ngöng tu 54ï Heä thoáng chaân khoâng 55 Ñieàu chænh thieát bò boác hôi 56 Nguyeân cöùu thieát bò boác hôi 56 Vaán ñeà veä sinh 57 I.GIÔÙI THIEÄU Söï bay hôi laø moät quaù trình taùch rôøi vaät lyù, noù laáy ñi phaàn hôi töø dung dòch loûng hoaëc hoãn hôïp nhôø söï boác hôi vaø nhaän ñöôïc saûn phaåm coâ ñaëc cuûa thaønh phaàn khoâng bay hôi. Ñoái vôùi thöùc aên loûng, söï bay hôi laáy ñi haàu heát nöôùc keát quaû laø saûn phaåm coâ ñaëc coù theå ñöôïc duøng cho nhöõng quy trình xa hôn nhö qua ùtrình saáy. Quaù trình bay hôi ñöôïc söû duïng roäng raõi trong vieäc coâ ñaëc nöôùc traùi caây rau quaû, söõa, caø pheâ trích ly, tinh luyeân ñöôøng vaø muoái. Söï maát ñi dung löôïng nöôùc laøm giaûm troïng löôïng vaø dung tích saûn phaåm, giaûm chi phí nhaø kho vaø vaän chuyeån, vaø caûi thieän söï oån ñònh cuûa saûn phaåm. Söï bay hôi ñöôïc taoï ra nhö laø 1 quy trình cô baûn cuûa vieäc coâ ñaëc thöùc aên loûng, maëc duø 1 vaøi phöông phaùp môùi coù söï thuaän lôïi ñaëc bieät nhö ñoùng baêng vaø thaåm thaáu ngöôïc. Söï bay hôi ñöôïc söû duïng nhö laø 1 quaù trình tieàn coâ ñaëc cho phaân laäp söõa vaø caø pheâ hoøa tan, tröôùc khi saáy. Hieäu suaát cuûa söï bay hôi nöôùc thì cao hôn ( 90% ) so vôùi quaù trình saáy (60% ). Kó thuaät thieát keá daøn bay hôi laø döïa treân hieäu quaû cuûa söï truyeàn nhieät töø moâi tröôøng sang saûn phaåm loûng, hieäu quaû cuûa söï taùch hôi nöôùc vaø söû duïng nguoàn naêng löôïng. Caùc döõ lieäu kó thuaät ñöôïc cung caáp bôûi nhaø saûn xuaát caùc thieát bò bay hôi. Trong öùng duïng thöïc phaåm, söï boác hôi can duy trì chaát löôïng cuûa saûn phaåm, vaø thieát bò bay hôi phaûi phuø hôïp vôùi ñieàu kieän veä sinh vaø quy trình saûn xuaát. Daøn bay hôi cuõng ñöôïc söû duïng cho chaát thaûi, giöõ laïi saûn phaåm phuï höõu ích vaø giaûm doøng chaát thaûi ra moâi tröôøng. II. SÖÏ TRUYEÀN NHIEÄT TRONG THIEÁT BÒ BOÁC HÔI Moät löôïng lôùn naêng löôïng nhieät phaûi ñöôïc truyeàn töø moâi tröôøng laøm noùng xuyeân qua lôùp kim loaïi cuûa thieát bò tôùi dung dich loûng. Nhu caàu nheät ñöôïc quyeát ñònh bôûi vaät lieäu vaø caân baèng naêng löôïng quanh moãi thieát bò bay hôi vaø treân toaøn boä heä thoáng. Söï truyeàn nhieät giöõa beà maët kim loai vaø dung dòch laø coâng ñoaïn quan troïng nhaát trong söï bay hôi. Do ñoù ñieän trôû nhieät cuûa lôùp ngaên vaø moâi tröôøng laøm noùng ñöôïc caân nhaéc laø nhoû hôn. Söï truyeàn nhieät treân beà maët lieân quan tröc tieáp tôùi tính chaát vaät lyù vaø moâ hình doøng chaûy cuûa dung dòch. 1.Tính chaát vaät lyù: Tính chaát vaät lyù chaát loûng coù taàm quan troïng tröïc tieáp tôùi söï boác hôi, ñoù laø ñoä nhôùt, ñoä daãn nhieät, ñoä ñaëc, nhieät dung rieâng, söùc caêng beà maët vaø söï taêng ñieåm soâi. Döõ lieäu veà ñoä nhôùt vaø ñoä daãn ñieän trong caùc taøi lieäu thöïc phaåm ñöôïc vieát bôûi Saravacos vaø Maroulis ( 2001 ). Taàm quan troïng cuûa tính chaát vaät lyù tôùi söï bay hôi ñöôïc vieát bôûi Chen (1993 ). Söùc caêng beà maët cuûa nöôùc laø 73 dyn/cm hay 73mJ/m2 (25oC) vaø noù giaûm ñaùng keå khi thaønh phaàn höõu cô coù maët trong dung dòch. Söùc caêng beà maët cuûa dung dòch loûng thöïc phaåm thöôøng thaáp hôn (côõ 30 dyn/c), tuøy thuoäc vaøo thaønh phaàn chaát hoaït ñoäng beà maët hieän höõu. Söï taêng ñieåm soâi (BPE) gaây ra bôûi söï töông taùc laãn nhau vaø ñoù laø ñieàu khoâng mong muoán trong quaù trình boác hôi. Vì vaäy noù ñoøi hoûi nhieät ñoä cao hôn cuûa moâi tröôøng nhieät ñeå taùc ñoäng tôùi cuøng moät ñieàu kieän phaùt ñoäng. Noù ñaëc bieät cao trong dung dòch coâ ñaëc muoái aên vaø kieàm. Söï taêng ñieåm soâi cuûa thöïc phaåm loûng laø töông ñoái thaáp, vaø trong haàu heát caùc tröôøng hôïp noù ñöôïc boû qua trong tính toaùn truyeàn nhieät. Noù trôû neân quan troïng trong dung dich ñöôøng coâ ñaëc vaø nhöõng thaønh phaàn coù phaân töû löôïng thaáp khaùc. Caùc thaønh phaàn coù phaân töû löôïng cao thì bò hoøa tan hoaëc phaân taùn trong nöôùc nhö tinh boät, pectin, protein aûnh höôûng khoâng ñaùng keå tôùi söï taêng ñieåm soâi. Ñoái vôùi dung dòch ñöôøng, nhö laø nöôùc eùp traùi caây, phương trình thực nghiệm sau có thể được dùng để ước lượng BPE (Chen và Hernandez, 1997 ): BPE = 0.33 xp(4X) Với X là tỉ lệ khối lượng của đường. Do đó BPE của nước ép trái cây sẽ tăng trong quá trình bay hơi từ 0.7oC tới 4.4oC. 2.Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt gia nhiệt được tính bằng phương trình tổng quát: Q=U.A.∆T Với U là hệ số truyền nhiệt chung (W/m2K). A là diện tích truyền nhiệt(m2) và ∆T là sự sai khác nhiệt độ giữa môi trường nhiệt với môi trường sôi. U thường được xác định bằng thực nghiệm hoặc lấy từ hệ thống công nghiêp hay nhà máy thử nghiệm tương tự. Dự đoán giá trị của U rất khó khăn bởi vì sự tích lũy lực cản trên bề mặt gia nhiệt nên không thể lượng tử hóa một cách chính xác. Tuy nhiên phân tích sự truyền nhiệt là rất hữu ích để đánh giá nhiệt trở của hệ thống cô đặc. Tổng nhiệt trở của hệ thống cấp nhiệt được tính: 1/U=1/hs +x/∆ +1/hi +FR (7.3) Với hs và hi tương ứng là hệ số truyền nhiệt ở phần cấp nhiệt và phần bay hơi.x/∆ là nhiệt trở của thành dàn bốc hơi, và FR là lực cản tích lũy. Phương trình 7.3 liên quan tới bề mặt truyền nhiệt và được ứng dụng để làm ống đèn với đường kính tương đối lớn 50mm. Với ống đường kính nhỏ nhiệt trở phải được điều chỉnh bởi tỉ số giữa đường kính ngoài và trong. Phần cấp nhiệt được tính toán để lực cản tích lũy không đáng kể do đó dàn bay hơi dùng hơi nước bão hòa và bề mặt kim loại sạch, do đó điện trở của phần cấp nhiệt tương đối thấp vì thế giá trị lớn hs ứng với hơi nước bão hòa. Điện trở thành (x/∆) tương đối thấp vì thế x nhỏ và hệ số dẫn nhiệt cao đặc trưng cho dàn bay hơi. Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (hi) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độ nhớt) và lưu lượng của chất lỏng. Nó làm tăng chế độ chảy và nhiệt độ và có thể được ước lượng từ thực nghiệm. Hệ số truyền nhiệt trong màng lỏng là đặc biệt quan trọng tới sự tích lũy hơi,như đã được trình bày trong mục này. 3.Sự tích bẩn trong dàn bay hơi: Tích bẩn là sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt, nó làm giảm sự truyền nhiệt, mức độ bay hơi và có thể phá hủy đặc trưng của sản phẩm. Sự tích bẩn là tai hại cho quy trình công nghiệp bởi vì giá thành đầu tư cao, năng lượng thất thoát, chi phí bảo dưỡng và sụt giảm sản phẩm trong khi ngừng cọ rữa. Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vô cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủa protein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đông đặc. Sự tích bẩn kéo theo sự kích nổ, trao đổi chất và gắn kết với bề mặt cấp nhiệt và tach rời tích lũy chất lỏng.Trong thiết bị cô đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây ra bởi sự hấp phụ và biến tính của các phân tử sinh học như protein , pectin, tinh bột trên bề mặt truyền nhiệt. Kinh nghiệm tương quan của lực cản tích bẩn tới thời gian vận hành cho những ứng dụng cụ thể rất hữu ích để xác định chu kì làm sạch tối ưu, bao lâu thì có thể bảo trì hệ thống. Việc sử dụng lực cản hoặc độ nhiễm bẩn chỉ đưa ra giá trị gần đúng cho một thiết bi và sản phẩm cụ thể. Thực tế sẽ chính xác hơn là dùng giá trị tin cậy của hệ số truyền nhiệt chung.Giá trị điển hình của U cho thiết bị bay hơi được thể hiện trong bảng 7-1. 4- Söï truyeàn nhieät trong thieát bò boác hôi kieåu chaûy maøng. Söï thoaùt hôi nöôùc baèng phöông phaùp maøng rôi, maøng treo hay keát hôïp caû hai phöông phaùp ñöôïc söû duïng roäng raõi trong caùc daøn boác hôi thöïc phaåm. Bôûi vì lôïi theá cuûa chuùng laø quaù trình ñôn giaûn, chi phí veà thieát bò vaø vaän haønh thaáp. Hình 1 phaùc hoïa nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thieát bò boác hôi kieåu maøng hôi vaø maøng treo. 4.1.Thieát bò boác hôi maøng rôi. Trong thieát bò boác hôi kieåu maøng rôi, chaát loûng chaûy thaønh maøng xuoáng doïc theo beà maët boác hôi ( beân trong voû oáng hay baûn moûng) bôûi troïng löïc. Trong khi ñoù nhieät ñöôïc truyeàn xuyeân qua töôøng nhôø hôi nöôùc. Hoãn hôïp chaát loûng vaø hôi nöôùc ñöôïc thoaùt ra beân döôùi cuûa oáng ( hay baûn moûng) vaø ñi vaøo trong thieát bò phaân rieâng loûng hôi. Sau ñoù taäp trung chaát chaát loûng bôm ra ngoaøi, coøn hôi nöôùc chuyeån tröïc tieáp vaøo thieát bò ngöng tuï. Trong thieát bò maøng rôi, löu löôïng chaát loûng nhoû nhaát treân töøng ñôn vò chieàu daøi cuûa beà maët daãn hay laø “toác ñoä daãn”(
; kg/ms) ñöôïc thu nhaän töø thöïc nghieäm (Minton,1986) ta coù phöông trình.
min = 0.008 (
s
3)1/5 Trong ñoù :
: laø ñoä nhôùt ( mPa.s) s : khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc
: söùc caêng beà maët cuûa chaát loûng ( dyn/cm) Baûng 1: Moät soá giaù trò ñaëc tröng cuûa heä soá truyeàn nhieät Daïng thieát bò boác hôi  Thöïc phaåm daïng loûng  U, W/m2 K   Maøng rôi, daïng oáng  Nöôùc eùp traùi caây 12-65o Brix  2000-600   Maøng rôi, daïng baûn moûng  Söõa 10-30% TS  2500-1500   Maøng treo daïng oáng  Söõa 10-35% TS  2000-1200   Ñoái löu cöôõng böùc  Xi-roâ ñöôøng 15-65o Brix  2500-1500   Maøng khuaáy  Boät rau traùi  1500-700   (Soá lieäu ñöôïc laáy töø Saravacos vaø Maroulis (2001))
Hình 1. Bieåu ñoà veà nguyeân lyù cuûa thieát bò boác hôi kieåu maøng rôi (a) vaø maøng treo (b) L: chaát loûng ; V: hôi nöôùc ; S: hôi. Theo caùch ñoù thì löu löôïng nöôùc nhoû nhaát ôû 80oC daïng maøng doïc beà maët seõ laø
min= 0.008(0.356 x 683)1/5 = 0.008 x 10.23 = 0.08 kg/m.s Maøng thöïc phaåm loûng coù theå chaûy daïng moûng hôn so nöôùc tinh khieát (coù theå xem laø söùc caêng beà maët nhoû hôn ), taêng heä soá truyeàn nhieät. Löu löôïng nhoû nhaát ñoái vôùi thöïc phaåm loûng coù söùc caêng beà maët laø 34 dyn/cm
min=0.008(34/68)3/5 = 0.052 kg/m.s Heä soá Reynolds cuûa maøng rôi ñöôïc tính bôûi phöông trình ruùt goïn ( Perry vaø Green,1997) Re = 4
/
Ñoái vôùi nöôùc noùng 80oC chaûy vôùi löu löôïng nhoû nhaát thì heä soá Reynolds seõ laø Re = 4 x 0.08/0.356 = 900 , doøng chaûy taàng Heä soá truyeàn nhieät cao hôn ( h ) thu ñöôïc trong cheá ñoä chaûy roái khi Re > 2100. Phöông trình thöïc nghieäm döôùi ñaây coù theå ñöôïc söû duïng ñeå ñaùnh giaù heä soá truyeàn nhieät cuûa maøng nöôùc trong cheá ñoä chaûy roái. h = 9150
1/3 Heä soá truyeàn nhieät cuûa chaát loûng khi chaûy roái ñoái vôùi loaïi maøng rôi ñöôc tính bôûi phöông trình thöïc nghieäm chung : h = 0.01 (
.Re.Pr)1/3 Trong ñoù :
= (
3
2g/
2) Re = 4
/
Pr = Cp
/
Khi söû duïng heä ñôn vò SI thì
1/3 coù ñôn vò laø heä soá truyeàn nhieät ( W/m2 K) Söï minh hoïa sau ñaây, söï chaûy cuûa maøng nöôùc taïi 80oC treân doïc beà maët cuûa thieát bò coù
= 0.5 kg/m.s laø hoãn loaïn : ñoä nhôùt cuûa nöôùc ôû 80oC laø
= 0.356 mPas = 0.000356 Pas Ta tính ñöôïc: Re = 4
/
= 4 x 0.5/0.000356 = 5618. Vôùi
= 0.67 W/m K,
= 972 kg/m3 vaø g = 9.81 m/s2 Suy ra
= [(0.67)3 x (972)2 x 9.81 ]/(0.000356)2 = 21.8 x 1012 Vaø
1/3= 28000 Pr = (4100 x 0.000356)/ 0.67 = 2.2 vaø Pr1/3=1.3 h = 0.01 x (21.8 x 1012 x 2.2 x 5618 )1/3 = 6440 W/m2 K. Qua thöïc nghieäm nhaän ra raèng heä soá truyeàn nhieät chung ( U) ñoái vôùi söï bay hôi cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä 80oC laø U = 2000 W/m2K. Phöông trình (7.3) coù theå ñöôïc duøng ñeå xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät thöïc nghieäm cuûa beà maët boác hôi (hi), giaû thieát khoâng tích tuï baån : 1/hi = 1/U – x/
- 1/hs. Beà daøy cuûa thaønh oáng laø x= 3 mm ( 2inch oáng, 10 gause), ñoä daãn nhieät cuûa theùp khoâng ræ laø
= 15 W/mK. Hôi thöù coù heä soá truyeàn nhieät coù theå giaû ñònh laø hs= 10 000 W/m2K. Tính ra 1/hi = 1/2000 -3/15 000 – 1/10 000 vaø suy ra hi = 5 000 W/m2K (beà maët saïch). Phöông trình ñôn giaûn ñoái vôùi maøng nöôùc (7.6) lôïi töùc heä soá truyeàn nhieät döôùi ñaây, cho
= 0.5 kg/m.s : hi = 9 150 x 0.51/3 = 7264 W/m2K. Phöông trình (7.6) ñaõ tính quaù cao heä soá truyeàn nhieät cuûa nöôùc soâi.Phöông trình thöïc nghieäm toång quaùt cuõng tính giaù trò heä soá truyeàn nhieät cao hôn so vôùi giaù trò thöïc nghieäm, nhöng noù coù ích ñeå ñaùnh giaù gaàn ñuùng caùc dung dòch khaùc. Döï ñoaùn heä soá truyeàn nhieät tæ leä nghòch vôùi ñoä nhôùt muõ 2/3 ( 2/3) .hi( 1/(2/3 Heä soá truyeàn nhieät tính toaùn ñöôïc cuûa beà maët boác hôi (hi) töø U phuï thuoäc nhieàu vaøo heä soá truyeàn nhieät cuûa hôi (hs) vaø löïc caûn tích luõy ñieàu maø khoù döï ñoaùn chính xaùc. Vì lyù do naøy, heä soá truyeàn nhieät thí nghieäm toång coäng deã nhaän ra trong thöïc haønh. 4.2.Thieát bò boác hôi treo. Thieát bò boác hôi treo ñöôïc tìm thaáy trong caùc öùng duïng ít hôn so vôùi thieát bò daïng maøng. Bôûi vì thôøi gian löu truù cuûa noù daøi hôn, nhieät ñoä cuûa quaù trình vaø ñoä cheânh leäch aùp suaát cuõng cao hôn. Ñieàu ñoù ñoøi hoûi tieâu toán nhieàu naêng löôïng hôn vaø coù theå laøm nguy haïi ñeán chaát löôïng cuûa nhöõng thöïc phaåm loûng nhaïy caûm vôùi nhieät nhö nöôùc eùp traùi caây. Tuy nhieân, heä thoáng maøng treo laïi khoâng ñoøi hoûi nhöõng boä phaân phoái ñaëc bieät, chuùng coù hieäu suaát truyeàn nhieät cao vaø chuùng khoâng bò ngeït nhieàu nhö nhöõng boä phaän trong thieát bò maøng rôi. Trong heä thoáng maøng treo, chaát loûng baét ñaàu ñöôïc ñun soâi trong oáng, nhöõng bong boùng hôi nöôùc ñöôïc saûn xuaát ra, to daàn leân vaø boác leân bôûi ñoái löu töï nhieân. Cuoái cuøng taïo thaønh daïng maøng treân thaønh keùo daøi ñeán taän ñænh cuûa oáng, daãn ñeán hôi nöôùc taêng nhanh hôn. Moät laàn nöõa, hoån hôïp chaát loûng vaø hôi nöôùc ñöôïc taùch chaát loûng. Chaát loûng coù theå taùi söû duïng hay taùch khoûi chu trình saûn xuaát, vaø hôi nöôùc thì ñöôïc ngöng tuï. Trong daøn boác hôi kieåu maøng treo, chaát loûng ñöôïc cung caáp vaøo beân döôùi cuûa oáng doïc, vaø nöôùc boác hôi daàn daàn cuõng nhö hoãn hôïp loûng hôi ñöôïc chuyeån leân treân. Trong ñieàu kieän lyù töôûng, beà maët cuûa thieát bò boác hôi ñöôïc bao phuû hoaøn toaøn bôûi maøng chaát loûng vaø doøng hôi nöôùc nhö bong boùng, theå nuùt hay taàng hôi loûng. Taïi ñænh chia cuûa oáng hôi nöôùc vôùi vaän toác nhanh coù theå loâi cuoán theo moät ít chaát loûng ôû daïng nhoû gioït laøm giaûm heä soá truyeàn nhieät. Bôûi vaäy, tæ leä cuûa hôi nöôùc trong oáng boác hôi coù vai troø quan troïng trong truyeàn nhieät. Ñaïi löôïng thöïc nghieäm cuûa söï truyeàn nhieät trong nhaø maùy saûn xuaát thöû thieát bò boác hôi daïng maøng treo ñöa ra phöông trình thöïc nghieäm coù theå aùp duïng ñöôïc (Bourgois and Lemaguer,1984,1987): Nu = 8.5 Re0.2 Pr1/3 S2/3 Trong ñoù : S : heä soá tröôït (laø heä soá hôi nöôùc ñoái vôùi vaän toác chaát loûng trong oáng boác hôi. Nhöõng heä soá Re, Nu vaø Pr ñöôïc quyeát ñònh taïi vò trí giöõa, söû duïng vaän toác trung bình vaø giaù trò ñaëc tröng. Nhöõng giaù trò thöïc nghieäm vôùi söï coâ ñaëc nöôùc eùp traùi caây trong caùc saûn phaåm thöû vaø thieát bò boác hôi maøng treo coâng nghieäp coù hieäu suaát truyeàn nhieät toång quaùt (U) giaûm töø 1500 W/m2K ( ôû döôùi 15o Brix ) ñeán gaàn 1000 W/m2K ( treân 60o Brix) trong oáng coâ ñaëc. Vaän toác maøng chaát loûng taïi ñaùy vaø ñænh oáng coâ ñaëc töông öôùng laø 1.27 vaø 1.97 m/s. Vaän toác töông öôùng cuûa doøng hôi cao hôn raát nhieàu (48.4 vaø 59 m/s). Bôûi vaäy ñoái vôùi maøng rôi, söùc caêng beà maët ñoùng vai troø quan troïng trong caáu taïo maøng. Daïng thöïc phaåm coù söùc caêng beà maët nhoû hôn nöôùc seõ bao phuû beà maët truyeàn nhieät laøm hieäu quaû hôn nhieàu so vôùi nöôùc tinh khieát, vôùi heä soá truyeàn nhieät cao hôn. 5. Thieát bò coâ ñaëc nöôùc eùp traùi caây baèng maøng rôi. Daøn boác hôi maøng rôi ñöôïc söû duïng roäng raõi taäp trung ôû nöôùc eùp traùi caây vaø soá lieäu thöïc nghieäm cuûa heä soá truyeàn nhieät ñöôïc söû duïng ñeå thieát keá vaø öôùc löôïng cuûa nhöõng boä phaän coâng nghieäp. Thaønh phaàn caáu taïo khaùc nhau cuûa taùo vaø nho ñöôïc söû duïng trong ñaïi löôïng ño thí nghieäm, söû duïng thieát bò boác hôi thöû nghieäm taïi xöôûng thí nghieäm noâng nghieäp ôû New York, Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al .,1970). Thieát bò boác hôi ñoù coù coù moät lôùp aùo hôi doïc oáng, ñöôøng kính 50 mm vaø daøi 3.3 m, vôùi beà maët truyeàn nhieät 0.46 m2. Soá lieäu quaù trình boác hôi ñaït ñöôïc coù nhieät ñoä soâi vaø cheá ñoä chaûy khaùc nhau. Hình 2 cho thaáy heä soá truyeàn nhieät toång quaùt (U) cuûa nöôùc eùp traùi caây ñaõ ñöôïc laøm trong taêng töø 1300 ñeán 2000 W/m2K, vaø nhieät ñoä soâi cuõng taêng 20 ñeán 100oC. Giaù trò taêng cuûa U ñaït ñöôïc bôûi söï giaûm vaän toác cuûa dòch nöôùc eùp ôû nhieät ñoä cao. Nhöõng dòch eùp trong laø chaát löu Newton vaø naêng löôïng hoaït hoùa cuûa doøng chaûy taêng ñoät ngoät ôû ñoä coâ ñaëc cao hôn( 50kJ/mol taïi 60o Brix (Saravacos, 1970, Saravacos and Maroulis,2001)
Hình 2: Söï taêng heä soá truyeàn nhieät toång (U) cuûa nöôùc nho ñaõ loïc vôùi nhieät ñoä soâi. Soá lieäu töø Saravacos et al (1970) Heä soá truyeàn nhieät toång giaûm ñaùng keå khi nöôùc eùp bò coâ ñaëc ( hình 7-3). Bôûi vaäy, giaù trò U cuûa nöôùc nho ñaõ ñöôïc loïc giaûm töø 1900 ñeán gaàn 1200 W/m2K khi maø ñoä Brix coù giaù trò taêng töø 20 ñeán 65o Brix. Giaù trò U thaáp ñaït ñöôïc khi coâ ñaëc nöôùc nho chöa ñöôïc loïc, 1350 ñeán 650 W/m2K. Söï giaûm ñaùng keå trong cheá ñoä truyeàn nhieät laø hieån nhieân bôûi vì tích tuï baån treân beà maët boác hôi vôùi caùc phaàn töû vaø boä phaän höõu cô, nhöõng chaát keát tuûa tích tuï laïi. Neân chuù yù ñeán söï coâ ñaëc dòch eùp chöa loïc neân duøng ôû 60o Brix, bôûi vì nhöõng ñieàu ñoù aûnh höôûng ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình. Heä soá truyeàn nhieät ñaït ñöôïc vôùi dòch nöôùc taùo coù loïc vaø khoâng qua loïc laø töông töï nhau.(Hình 4). Dòch taùo cho heä soá U coù giaù trò giöõa 2000 vaø 1150 W/m2K trong giôùi haïn 10 ñeán 65o Brix, trong khi ñoù dòch nöôùc khoâng loïc coù giaù trò giöõa 1480 vaø 740 W/m2K trong khoaûng töø 10 ñeán 60o Brix ( Saravacos et al.,1970). Depectinization ( boû qua xöû lyù nhöõng pectin keo tuï baèng thuûy phaân baèng enzyme vaø loïc ) thöôøng ñöôïc duøng trong saûn xuaát ra nöôùc taùo coâ ñaëc. III-CAÙC HEÄ THOÁNG THIEÁT BÒ BOÁC HÔI: 1 Heä thoáng moät thieát bò coâ chaân khoâng coù thaùp ngöng hôi thöù Heä thoáng coâ loaïi naøy ñöôïc theå hieän ôû hình 3 , noù goàm coù thieát bò coâ chaân khoâng, thieát bò ngöng tuï hôi thöù daïng thaùp coù oáng thuûy löïc bôm chaân khoâng. Thieát bò coâ chaân khoâng goàm coù hai phaàn: phaàn ñaùy goïi laø buoàng ñoát, noù laø thieát bò trao ñoåi nhieät giöõa hôi hôi ñoát laø hôi nöôùc noùng töø noài hôi hoaëc töø thieát bò coâ aùp suaát dö vôùi dung dòch dang coâ. Thieát bò trao ñoåi nhieät trong tröôøng hôïp naøy thöôøng laø loaïi oáng chuøm coù voû boïc hoaëc noái hai voû( naêng suaát thaáp). phaàn treân laø khoâng gian boït vaø phaân ly hôi thöù khoûi dung dòch ñang boác hôi. Do hôi thöù coù nhieät ñoä thaáp (vì aùp suaát chaân khoâng) neân khoâng söû duïng thaønh nguoàn nhieät maø phaûi ñem ngöng tuï thaønh theå loûng trong thaùp ngöng tuï tröïc tieáp nhaèm traùnh tieâu toán ñieän naêng cho bôm chaân khoâng. Bôm chaân khoâng chæ phaûi huùt khoâng khí khoâng ngöng, chuû yeáu laø khoâng khí laãn trong dung dòch hoaëc chui vaøo heä thoáng qua caùc moái gheùp hôû.
Hình 3. Sô ñoà heä thoáng coâ chaân khoâng : 1- thieát bò coâ chaân khoâng ;2- thaùp ngöng tuï hôi thöù; 3- bôm chaân khoâng ;nl-nguyeân lieäu laø dung dòch coù noâng ñoä thaáp ;sp- saûn phaåm laø dung dòch coù noàng ñoä cao; hd- hôi ñoát ; nn- nöôùc ngöng; ht- hôi thöù;n- nöôùc maùt; K- khí khoâng ngöng. Chieàu cao oáng thuûy löïc döôùi thaùp ngöng tuøy thuoäc aùp suaát chaân khoâng trong heä thoáng. Coâ chaân khoâng ñöôïc aùp raát roäng raõi trong coâng nghieäp hoùa chaát, ñaëc bieät laø trong coâng nghieäp cheâ bieán caùc saûn phaåm thöïc phaåm, döôïc phaåm vaø y hoïc. Do nhieät boác hôi thaáp neân khoâng laøm chaùy, gaây saãm maøu, maát maøu ñaëc tröng, toån thaát vitatmin, cho saûn phaåm chaát löôïng cao. Nhieät boác hôi thaáp laøm cho hieäu nhieät ñoä trung bình giöõa hôi ñoát vaø dung dòch taêng daãn ñeán cöôøng ñoä truyeàn nhieät lôùn. nhieät ñoä boác hôi thaáp cho pheùp ta söû duïng hôi thöù cuûa quaù trình coâ aùp suaát dö hay nguoàn nhieät thaûi cuûa quaù trình saûn xuaát naøo ñoù gaàn keà: toån thaát nhieät ra moâi tröôøng xung quanh ít. Hình 4 bieåu dieãn heä thoáng thieát bò coâ chaân khoâng vôùi thieát bò ngöng tuï hôi thöù laø loaïi oáng chuøm coù voû boïc. nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thieát bò naøy cuõng gioáng nhö ôû hình 3. Ñieåm khaùc laø hôi thöù ngöng tuï vaø nöôùc laøm maùt khoâng troän laãn vaøo nhau. Hôi thöù ngöng tuï thaønh theå loûng vaø khí khoâng ngöøng chaûy vaøo bình chöùa, sau ñoù khí khoâng ngöøng ñöôïc bôm chaân khoâng huùt vaø ñaåy ra ngoaøi. Tröôøng hôïp naøy hôi thöù laø saûn phaåm khoâng ngöøng chaûy vaøo hai bình soá 3. Bình soá 4 duøng duy trì aùp suaát chaân khoâng nhaèm traùnh va ñaäp thuûy tónh cho bôm chaân khoâng. Noùi chung heä thoáng moät thieát bò boác hôi naêng suaát thaáp, hieäu quaû nhieät khoâng cao, chæ phuø hôïp vôùi saûn xuaát nhoû. Ñeå laøm bay hôi 1Kg hôi thöù caàn töø 1.05 ñeán 1Kg hôi ñoát.
Hình 4. sô ñoà heä thoáng moät thieát bò boác hôi chaân khoâng vôùi thieát bò ngöng tuï oáng chuøm 1-thieát bò boác hôi; 2- thieát bò ngöng tuï; 3-bình chöùa; 4- bình chöùa khí khoâng ngöng ôû aùp suaát chaân khoâng; 5- bôm chaân khoâng; nl- nguyeân lieäu; sp- saûn phaåm; ht- hôi thöù; tp- thaønh phaåm; n-nöôùc maùt; k- khí khoâng ngöng. 2.Heä thoáng boác hôi nhieàu thieát bò Heä thoáng boác hôi nhieàu thieát bò laøm vieäc theo nguyeân taéc cô baûn laø: hôi ñoát saïch ( hôi nöôùc noùng laáy töø noài hôi) ñöôïc caáp cho thieát bò boác hôi thöù nhaát, sau khi caáp nhieät, noù ngöng laïi thaønh nöôùc ngöng xaû ra ngoaøi. Hôi thöù cuûa thieát bò thöù nhaát seõ ñöôïc söû duïng laøm hôi ñoát cho thieát bò boác hôi thöù hai, hôi thöù cuûa thieát bò boác hôi thöù hai laïi laø hôi ñoát cuûa thieát bò thöù ba v.v. Ñöông nhieân do toån thaát nhieät ñoä neân nhieät ñoä boác hôi cuûa caùc thieát bò phía sau thaáp hôn thieát bò phía tröôùc. Ñoàng thôøi aùp suaát cuûa hôi thöù trong thieát bò phía sau thaáp hôn aùp suaát hôi thöù trong thieát bò phía tröôùc. Aùp suaát hôi thöù cuûa thieát bò cuoái cuøng coù theå thaáp hôn aùp suaát khí quyeån (aùp suaát chaân khoâng). Soá thieát bò boác hôi trong moät heä thoáng coù theå laø hai, ba, boán, naêm,… hoaëc toái ña laø möôøi. Nhôø caùch ñaáu nhieàu thieát bò boác hôi lieân tieáp nhö vaäy maø ta ñaõ tieát kieäm ñöôïc naêng löôïng moät caùch ñaùng keå. Ñeå laøm bay hôi 1 kg hôi nöôùc töø dung dòch vôùi heä thoáng hai thieát bò thì chæ caàn 0,57 kg hôi ñoát saïch; vôùi ba thieát bò laø 0,4 kg; boán thieát bò laø 0,3 kg; naêm thieát bò laø 0,27 kg. Sau ñaây laø moät soá heä thoáng boác hôi nhieàu thieát bò 2.1 Heä thoáng ba thieát bò boác hôi doøng cuøng chieàu
Ñaây laø heä thoáng boác hôi ñöôïc söû duïng nhieàu trong coâng nghieäp thöïc phaåm, sinh hoïc vaø hoaù chaát, xem hình 5. Nguyeân taéc laøm vieäc cuûa heä thoáng naøy laø chuyeån ñoäng cuûa doøng hôi ñoát vaø dung dòch caàn coâ (dung dòch boác hôi nhaèm naâng cao noàng ñoä) laø doøng cuøng chieàu.
Hình 5. Sô ñoà heä thoáng ba thieát ba thieát bò boác hôi doøng cuøng chieàu: 1- boàn chöùa dung dòch ban ñaàu; 2- thuøng chöùa cao; 3- thieát bò ño löu löôïng; 2’- bôm; 4- bôm; 5- thieát bò gia nhieät; 6,7,8- thieát bò boác hôi thöù nhaát, thöù hai, thöù ba; 9- thieát bò ngöng töï coù oáng thuyû löïc; 10- thieát bò phaân ly loûng khoûi khí khoâng ngöng; 11- thuøng chöùa saûn phaåm; 12- caùc oáng xaû nöôùc ngöng; 13- oáng thuûy löïc; 14- oáng xaû khí khoâng ngöng cho buoàng ñoát coù aùp suaát thaáp hôn aùp suaát khí quyeån; 15- bôm thaùo saûn phaåm; h.d- hôi ñoát saïch; n.n- nöôùc ngöng; k- khí khoâng ngöng. Dung dòch ban ñaàu chöùa ôû boàn soá 1 roài ñöôïc bôm 2’ bôm leân thuøng cao vò 2, coù oáng chaûy traøo veà boàn 1. Thuøng cao vò coù taùc duïng oån ñònh aùp löïc doøng chaûy. Neáu trôû löïc cuûa thieát bò gia nhieät 5 khoâng lôùn thì khoâng caàn bôm 4. Tröôùc khi chaûy vaøo thieát bò boác hôi 6 thì dung dòch ñaõ ñöôïc laøm noùng baèng hôi thöù cuûa chính thieát bò soá 6; möùc ñoä naâng nhieät tuyø thuoäc vaøo löông hôi thöù vaø thieát bò gia nhieät. Hôi ñoát saïch ñöôïc caáp vaøo buoàng ñoát thieát bò soá 6. Hôi thöù cuûa thieát bò soá 6 ñöôïc chia ñöôïc chia thaønh 2 phaàn, moät phaàn laøm hôi ñoát cho thieát bò gia nhieät, phaàn coøn laïi laøm hôi ñoát cho thieát bò boác hôi thöù hai laø soá 7. Dung dòch ñaõ ñöôïc coâ ôû thieát bò soá 6 seõ töï chaûy sang thieát bò soá 7 roài soá 8 nhôø cheânh leäch aùp suaát. Hôi thöù cuûa thieát bò soá 7 laø hôi ñoát cuûa thieát bò soá 8. Hôi thöù cuûa thieát bò soá 8 ñöôïc ñöa sang ngöng tuï taïi thieát bò soá 9. Aùp suaát cuûa hôi thöù trong thieát bò soá 8 laø aùp suaát chaân khoâng, neân nhieät ñoä boác hôi laø thaáp nhaát. Dung dòch ñaït noàng ñoä yeâu caàu seõ ñöôïc bôm 15 ñöa sang thuøng chöùa saûn phaåm 11. Khí khoâng ngöng ñöôïc bôm chaân khoâng (trong hình khoâng theå hieän) huùt vaø xaû ra ngoaøi. Öu ñieåm chính cuûa heä thoáng doøng cuøng chieàu laø khoâng caàn duøng bôm vaän chuyeån dung dòch töø thieát bò boác hôi naøy sang thieát bò boác hôi phía sau. Nhöôïc ñieåm cuûa noù laø laøm taêng maïnh ñoä nhôùt do noàng ñoä taêng daàn maø nhieät ñoä laïi giaûm daàn, neân cöôøng ñoä truyeàn nhieät trong caùc buoàng ñoát giaûm ñi. 2.2 Heä thoáng boác hôi doøng ngöôïc chieàu Sô ñoà heä thoáng ba thieát bò boác hôi doøng ngöôïc chieàu ñöôïc theå hieän ôû hình 6. Hôi ñoát ñi theo chieàu töø thieát bò ñaàu ñeán thieát bò cuoái coøn dung dòch laïi vaøo thieát bò cuoái vaø ra ôû thieát bò ñaàu nhôù bôm. Nhieät ñoä vaø noàng ñoä cuûa dung dòch taêng daàn neân hieäu quaû truyeàn nhieät ôû caùc buoàng ñoát toát hôn. Nöôùc ngöng cuõng ñöôïc xaû ra ngoaøi nhôø thieát bò xaû nöôùc ngöng (treân hình khoâng theå hieän). Heä thoáng boác hôi doøng ngöôïc chieàu coù öu ñieåm laø cöôøng ñoä truyeàn nhieät cuûa caùc buoàng ñoát gaàn nhö nhau vaø ôû möùc cao maëc duø noàng ñoä dung dòch taêng daàn. Nhöôïc ñieåm laø phaûi chi phí naêng löôïng cho bôm vaän chuyeån dung dòch, heä thoáng phöùc taïp hôn. Heä thoáng kieåu naøy thöôøng ñöôïc duøng ñeå coâ dung dòch taêng nhanh ñoä nhôùt khi noàng ñoä taêng.
Hình 6. Sô ñoà heä thoáng ba thieát bò boác hôi doøng ngöôïc chieàu: 1,2,3- caùc thieát bò boác hôi; 4- thieát bò ngöng tuï coù oáng thuûy löïc; h.d- hôi ñoát saïch; n.n- nöôùc ngöng; B- bôm; K- khoâng khí ngöng; ht1, ht2, ht3- hôi thöù cuûa töøng thieát bò; n.l- dung dòch nguyeân lieäu; sp- thuøng chöùa saûn phaåm (dung dòch cuoái). 2.3 Heä thoáng nhieàu thieát bò boác hôi laøm vieäc song song Ñaëc ñieåm chính cuûa heä thoáng naøy laø dung dòch ban ñaàu ñöôïc caáp cho taát caû caùc thieát bò, hôi ñoát saïch ñöôïc caáp cho thieát bò thöù nhaát, hôi thöù cuûa thieát bò ñaàu laø hôi ñoát caûu thieát bò tieáp theo. Hôi thöù cuûa thieát bò cuoái cuøng ñöôïc ngöng töï hoaøn toaøn trong thieát bò ngöng tuï coù oáng thuûy löïc. Khi naøo noàng ñoä dung dòch trong töøng thieát bò ñaït giaù trò theo yeâu caàu thì ñöôïc thaùo vaøo thuøng saûn phaåm (xem hình 7). Heä thoáng naøy ñöôïc duøng ñeå coâ ñaëc caùc dung dòch coù ñoä nhôùt raát cao vaø keát tinh, chuùng raát khoù chaûy thaäm chí taùc laøm taéc oáng daãn neáu cho chaûy chuyeån töø thieát bò tröôùc sang thieát bò sau.
Hình 7. Sô ñoà heä thoáng ba thieát bò boác hôi laøm vieäc song song: 1,2,3- caùc thieát bò boác hôi; d- dung dòch ban ñaàu; h.d- hôi ñoát; ht1- hôi thöù cuûa thieát bò thöù nhaát cuõng ñoàng thôøi laø hôi thöù cuûa thieát bò thöù hai; ht2- hôi thöù cuûa thieát bò thö hai ñoàng thôøi laø hôi ñoát cuûa thieát bò thöù ba; ht3 hôi thöù cuûa thieát bò cuoái cuøng; sp- thuøng chöùa saûn phaåm; n- nöôùc; n.n- nöôùc ngöng; k- khoâng khí ngöng 2.4 Heä thoáng boác hôi doøng cuøng chieàu coù theâm thieát bò boác hôi boå sung Heä thoáng naøy ñöôïc aùp duïng khi nhieät ñoä cuûa hôi thöù trong thieát bò cuoái ñaõ quaù thaáp maø dung dòch vaãn chöa ñaït noàng ñoä mong muoán. Khi aáy, ta laép theâm thieát bò boác hôi söû duïng hôi ñoát coù nhieät ñoä cao (hôi ñoát saïch) ñeå coâ tieáp dung dòch ñeán noàng ñoä mong muoán. Thieát bò laép theâm goïi laø thieát bò boå sung. Hôi thöù cuûa thieát bò cuoái vaø cuûa thieát bò boå sung ñeàu ñöôïv ngöng tuï trong thaùp ngöng, saûn phaåm laáy ra ôû thieát bò boå sung, xem hình 8
Hình 8. Heä thoáng boác hôi doøng cuøng chieàu coù thieát bò boå sung: 1,2,3, bs- caùc thieát bò boác hôi; h.d- hôi ñoát saïch; d- dung dòch ban ñaàu; n- nöôùc; n.n- nöôùc ngöng; NT- thaùp ngöng tuï hôi thöù; K- khoâng khí ngöng; sp- thuøng chöùa saûn phaåm IV-TÍNH THIEÁT KEÁ CAÙC HEÄ THOÁNG BOÁC HÔI 4. Tính thieát keá caùc heä thoáng boác hôi Mục đích chính của việc thiết kế một hệ thống bốc hơi là xác định khối lượng nước bốc hơi (hơi thứ), số lượng và bề mặt truyền nhiệt, nhiệt lượng (thường là hơi nước nóng) cần cung cấp cho quá trình bốc hơi. Hơi nước cần dùng để cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi được gọi là hơi đốt. Các số liệu ban đầu được dùng để tính toán là : loại dung dịch cần cô đặc ; khối lượng, nhiệt độ, áp suất, nồng độ đầu và cuối của quá trình cô ; lượng hơi thứ dùng làm hơi đốt ; áp suất trong thiết bị ngưng v.v. Cơ sở tính toán là các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt của các thiết bị bốc hơi. Số lượng thiết bị bốc hơi trong hệ thống được xác địng trên cơ sở tính toán các kinh tế kỹ thuật. Bề mặt truyền nhiệt của từng thiết bị bốc hơi được tính toán thiết kế giống như các thiết bị trao đổi nhiệt đã đề cập ở phần đầu. 4-1 Heä thoáng moät thieát bò boác hôi Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của thiết bị bốc hơi được thể hiện ở hình III-8. Để tính được lượng hơi thứ bốc lên từ dung dịch cần cô ta dựa vào phương trình cân bằng khối lượng của dung dịch (gồm dung môi và chất hòa tan) hoặc của riêng chất hòa tan. Nếu coi tổn thất vật chất bằng không thì các phương trình cân bằng vật chất sẽ là : Với dung dịch ta có : Gđ = Gc + W (III-1) Với riêng chất hòa tan sẽ là : Gđ.xđ = Gc.xc (III-2) trong đó : Gđ, Gv - khối lượng dung dịch đầu , cuối quá trình bốc hơi ; W- khối lượng hơi thứ ; xđ ,xc - nồng độ đầu, cuối của dung dịch. Từ hai phương trình (III-1) và (III-2) ta dễ dàng thu được phương trình sau đây : W = Gđ .( 1 –
) (III-3) Chia 2 vế của phương trình trên cho Gđ ta có lượng nước bay hơi riêng là ω : ω =
= 1 -
(III-4) phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị bốc hơi ở hình (III-8) là : (bỏ qua nhiệt độ khử nước) D.ihđ + Gđ.Cđ.tđ = Gc.Cc.tc + W.iht + D.inn + QT (III-5) Từ đó ta dễ dàng tìm được lượng hơi đốt cần cấp cho quá trình cô là D:
(III-6) Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi là Q : Q = D (iht - inn) = Gc.Cc.tc - Gđ.Cđ.tđ + W.iht + QT (III-7) Trong đó : Cđ , Cc – nhiệt dung riêng của dung dịch vào, ra khỏi thiết bị ; tđ , tc - nhiệt độ đầu, cuối của dung dịch ; iht , inn - entapi của hơi đốt, nước ngưng ; QT - tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị bốc hơi ra môi trường xung quanh. Nếu chấp nhận sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nông độ là tuyến tính thì : Cc = Cn – m.xc (III-8) trong đó : Cc , Cn – nhiệt dung riêng của nước, dung dịch cuối quá trình cô ; m – hằng số ; xc - nồng độ cuối của dung dịch. khi đó ta có : Gc.Cc = Gc .( Cn - m.xc ) = ( Gđ – W ).( Cn – m. ) hay : Gc.Cc = Gc .( Cn - m.xc ) – W.Cn = Gđ.Cđ – W.Cn (III-9) Từ phương trình (III-7) và (III-9) ta tính được nhiệt lượng Q cần cung cho quá trình bốc hơi như sau : Q = Gđ.Cđ.( tc – tđ ) + W.( iht – Cn.tc ) + QT (III-10) Nhiệt lượng Q để dùng thiết kế buồng đốt như là thiết bị trao đổi trao đổi nhiệt giữa nguồn cấp nhiệt và dung dịch trong quá trình bốc hơi. Đối với thiết bị bốc hơi có công suất vừa và lớn thì buồng đốt thường là loại ống chùm lắp trong hay ngoài buồng bốc hơi. Nguồn cung cấp nhiệt là hơi nước bão hòa. Khi quá trình bốc hơi được tiến hành theo mẻ mang tính gián đoạn hay chu kỳ, ta cần tính thời gian cho mỗi mẻ là τ : τ = τ1 + τ2 (III-11) trong đó : τ1 – là thời gian cần để làm nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ bắt đầu sôi ; τ2 - thời gian bốc hơi ( thời gian cô đặc ) từ nồng độ đầu đến nồng độ cuối của dung dịch. Do quá trình truyền nhiệt là không ổn định nên thời gian τ1 và τ2 được tính như sau :
(III-12) trong đó : Q1 – nhiệt lượng nung nóng dung dịch từ tđ đến tsl ; F – bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt ; K1 – hệ số truyền nhiệt trong quá trình làm nóng dung dịch ; thđ – nhiệt độ của hơi đốt (hơi nước bão hòa ) ; tđ – nhiệt độ đầu của dung dịch ; tsl – nhiệt độ lúc bắt đầu sôi (nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với nồng độ đầu) ; ∆t1 – hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch. Để xác định τ2 ta dựa vào phương trình vi phân của dòng nhiệt truyền qua bề mặt truyền nhiệt. dQ = K2.F.( thd – t ).dτ hay

trong đó : K2 – là hệ số truyền nhiệt trong thời gian τ2, giá trị của K2 thay đổi theo nồng độ của dung dịch; t – nhiệt độ sôi của dung dịch, nó thay đổi theo nồng độ dung dịch. Giải tích phân trên bằng giải tích khó bởi vì cần phải biết sự phụ thuộc của Q, K2, t vào nồng độ dung dịch. Thay vào đó, ta giải tích phân trên bằng phương pháp đồ thị. Trên trục tung của hệ trục tọa độ vuông góc ta đặt giá trị
trên trục hoành là giá trị Q ứng với các nồng độ dung dịch thay đồi từ xđ đến xc. Với mỗi giá trị nồng độ của dung dịch ta thu được một điểm trên đường cong tích phân. Diện tích nằm dưới đường cong là giá trị của tích phân. Giá trị của Q được tính phụ thuộc vào việc bốc hơi với mức dung dịch thay đổi (cạn dần ) hay không thay đổi (vừa bốc hơi vừa nạp dung dịch đầu ). Khi mức dung dịch thay đổi trong quá trình bốc hơi, thì Q được tính như sau (không kể lượng nhiệt đốt nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến lúc sôi ). Q = Gđ.Cđ.( tc – tsl) + W.( iht - Cn.tc ) + QT (III-14) Khi bốc hơi không thay đổi mức dung dịch : Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi không thay đổi mức dung dịch là dQ ứng với lượng dung dịch bổ sung là dV, bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường, được tính như sau : dQ = iht.dW + W.d(c.t.ρ ) - Cđ.tđ. ρđ.dV (III-15) trong đó : ρđ – khối lượng riêng của dung dịch mới nạp (nồng độ đầu của dung dịch ) ; ρ – khối lượng riêng tức thời của dung dịch ; C – nhiệt lượng riêng tức thời của dung dịch ; t – nhiệt độ tức thời của dung dịch ; dW – khối lượng hơi nước bốc hơi ( hơi thứ ) ứng với lượng dung dịch nạp thêm dV ; V – thể tích dung dịch trong thiết bị bốc hơi ; V = const. Mặc dù thể tích của dung dịch là hằng số nhưng khối lượng của nó thay đổi, bởi vì nồng độ tăng lên. Thành phần khối lượng chất kho trong dung dịch được tính như sau : V.d( ρ.x ) = ρđ.xđ.dV (III-16) hay
. (III-17) Sự thay đổi thành phần khối lượng của dung dịch trong thiết bị được thể hiện như sau : V.dρ = ρđ.dV – dW (III-18) hay dW = ρđ.dV - V.dρ (III-19) Thay các giá trị dV, dW vào phương trình tính dQ ra thu được :

(III-20) Ứng với thời điểm dung dịch ban đầu bắt đầu sôi ta dễ dàng tính được Q từ phương trình trên.
(III-21) Trong đó : csl, tsl, ρsl – nhiệt dung riêng, nhiệt độ, khối lượng riêng của dung dịch ban đầu lúc bắt đầu sôi ; ρ, t, c – khối lượng riêng, nhiệt độ, nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồng độ x. Thể tích của dung dịch được xác định theo khối lượng sản phẩm :
(III-22) Trong đó : Gc – khối lượng sản phẩm ; Ρc ρc – khối lượng riêng của sản phẩm (khối lượng riêng của dung dịch khi nồng độ đạt đến giá trị cuối là xc ). Khối lượng dung dịch ban đầu nạp vào thiết bị là Gđ được tính như sau : Qđ = ρđ.V (III-23) Từ lúc bắt đầu đốt nóng đến lúc dung dịch bắt đầu sôi thì khối lượng dung dịch không thay đổi : Qđ = Qsl = ρsl.V (III-24) Trong đó : Gsl – khối lượng dung dịch lúc bắt đầu sôi ; ρsl – khối lượng riêng dung dịch lúc bắt đầu sôi. Đối với dung dịch nước gần giống nhau, ta có thể lấy Csl = Cđ. Ngoài ra nếu nhiệt độ đầu và nhiệt độ lúc bắt đầu sôi gần nhau thì ρsl ~ ρđ. Với các thiết bị bốc hơi có thiết bị truyền nhiệt như nhau, dùng cô một loại dung dịch, sau mỗi chu kì (mỗi mẻ ) có năng suất sản phẩm như nhau thì phương pháp bốc hơi với thể tích dung dich thay đổi (giảm dần ) thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn so với phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch không đổi. Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp bốc hơi với thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch không đổi. Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp thể tích thay đổi sẽ dài hơn. 4.2. Heä thoáng boác hôi lieân tuïc Heä thoáng boác hôi lieân tuïc ñöôïc aùp duïng ñeå coâ ñaëc lieân tuïc moät dung dòch naøo ñoù, vì vaäy noù coøn coù teân goïi laø hệ thống cô liên tục. Trong hệ thống này có nhiều thiết bị bốc hơi, nó có thể làm việc theo nguyên tắc dòng cùng chiều, ngược chiều, hỗn hợp, v.v. Khi tính thiết kế hệ thống bốc hơi liên tục, ta căn cứ vào nồng độ đầu và cuối của dung dịch, năng suất, tính chất hóa lý, nhiệt lý…nhằm thiết lập hệ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, xác định lượng nước bốc hơi cho từng thiết bị, hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch, tổn thất nhiệt, số lượng thiết bị tối ưu trong hệ thống. 4.2.1. Cân bằng hệ vật chất cho hệ thống bốc hơi liên tục Nếu dùng phương trình cân bằng vật chất để tính lượng nước đã bốc hơi cho cả hệ thống thì nó cũng giống như khi tính cho hệ thống một thiết bị bốc hơi. Do hệ thống liên tục có nhiều thiết bị bốc hơi, mỗi thiết bị có nhiệm vụ cô đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùng phương trình cân bằng vật chất đối với từng thiết bị một. Ta gọi W1, W2, W3…..Wn là lượng nước bốc hơi và G1, G2, G3….Gn là khối lượng dung dịch đi ra từ thiết bị số 1, 2, 3…..n. Đối với hệ thống bốc hơi liên tục, dòng cùng chiều có phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị thứ nhất như sau: (bỏ qua tổn thất vật chất). Gđ = G1 + W1 (25) Gđ.xđ = G1.x1 Trong đó : Gđ , xđ – là khối lượng, nồng độ của dung dịch cấp vào thiết bị thứ nhất x1 - nồng độ dung dịch từ thiết bị bốc hơi thứ nhất đi ra Từ hai phương trình trên ta dễ dàng tìm được x1 : 
(26) Tương tự với thiết bị thứ 2 ta dễ dàng tìm được x2 : x2 = (Gđxđ)/(Gđ – W1 – W2) (27) Với thiết bị bốc hơi thứ n ( cuối cùng ) sẽ là: xn = (Gđxđ)/(Gđ – W1 – W2 …..- Wn) (28) Chia cả tử số và mẫu số cho Gđ ta có phương trình sau:

(29) Trong đó : lượng nước bốc hơi riêng của thiết bị thứ i
(30) Đối vơi hệ thống bốc hơi liên tục dòng ngược chiều thì dung dịch ban đầu đi vào thiết bị thứ n ( cuối cùng) và sản phẩm đi ra từ thiết bị thứ nhất. Từ đó ta có các phương trình sau: Gn = Gđ - Wn ; Gn-1 = Gđ – Wn – Wn-1 ; ……G1 = Gc Gc là khối lượng sản phẩm với nồng độ x1
Nhìn phương trình trên ta thấy: với dung dịch ban đầu có khối lượng Gđ, nồng độ xđ muốn xác định nồng độ dung dịch sau từng thiết bị cần phải biết lượng nước đã bốc hơi trong thiết bị đó và ở các thiết bị trước nó. Với phương pháp tính nồng độ dung dịch như trên là đã coi như là dung dịch không kết tinh. 4.2.2. Khối lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị Trong hệ thống bốc hơi liên tục thì việc tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị được tiến hành đồng thời với việc tính lượng hơi đốt cần cấp cho toàn bộ hệ thống và hơi đốt cho mỗi thiết bị, mà hơi đốt của thiết bị sau lại là hơi thứ của thiết bị trước. Có nhiều phương pháp tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị nhưng kết quả đều là gần đúng. Bởi vì khi tính lượng nước bốc hơi gắn liền với quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt qua bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt sang cho dung dịch đang bốc hơi với nồng độ tăng dần là quá trình không ổn định. Ngoài ra còn phải tính nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, mà muốn tính nó ta phải có kích thước của thiết bị. Kích thước thiết bị chỉ có được sau khi tính công nghệ thiết bị, tính bền. Để thuận tiện cho quá trình tính toán ta có thể lấy tổn thất nhiệt ra môi trường chung quanh qua vỏ thiết bị đã được bọc cách nhiệt vào khoảng từ 1% - 3% công suất nhiệt của thiết bị. Có 3 phương phán tính được áp dụng phổ biến nhất là: phương pháp đơn giản, phương pháp chung, phương pháp chung có tính đến nhiệt tiêu tốn do tăng nồng độ dung dịch. Phương pháp đơn giản
Hình 10. Heä thoáng boác hôi lieân tuïc: i-1; i- laø thieát bò thöù i-1; vaø thöù i Phương pháp này không phụ thuộc vào chiều chuyển động của dung dịch và hơi đốt. Nó được dùng để tính gần đúng lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của toàn hệ thống bốc hơi. Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi như hình 9 thì quá trình tính toán như sau: Theo phương pháp đơn giản thì có 1kg hơi đốt cấp cho thiết bị sẽ thu được 1kg hơi thứ đi ra từ thiết bị sấy. Chẳng hạn với thiết bị thứ i ở hình trên ta có: Wi = Di = Wi-1 – Ei-1 (32) Trong đó : Di , Wi – là hơi đốt, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ i Ei – Phần hơi thứ của thiết bị thứ I không dùng làm hơi đốt cho thiết bị thứ i+1 Tương tự với hệ thống bốc hơi có n thiết bị, thì lượng nước bốc hơi (hơi thứ) trong từng thiết bị từ thứ 1,2,3….n sẽ là: W1 = D1 W2 = W1 – E1 = D1 – E1 W3 = W2 – E2 = D1 – E1 – E2 (33) ………………….……………………………. Wn =Wn-1 – En-1 = D1 – E1 – E2 - …..- En-2 – En-1 Cộng tất cả lượng hơi thứ của các thiết bị ta có lượng hơi nước đã bốc hơi khỏi dung dịch đi qua hệ thống bốc hơi liên tục là W:

(34) Từ phương trình trên ta dễ dàng tính được lượng hơi đốt được lấy từ nồi hơi cấp cho toàn hệ thống bốc hơi là D1:
(35) 4-2-3.Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống bốc hơi liên tục: Do có tổn thất nhiệt độ, mà nhiệt độ hơi thứ của thiết bị trước trong buồng đốt của thiết bị sau thấp hơn nhiệt độ hơi đốt trong của buồng đốt thiết bị trước. Có ba loại tổn thất nhiệt độ được thể hiện ở điều kiện sau: ∆1 = ∆11+∆21+∆31 (36) Trong đó: ∆1 là tổn thất nhiệt độ do bản chất của dung dịch, nó đúng bằng hiệu nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất ở cùng chế độ áp suất. Giá trị của ∆11 phụ thuộc vào loại chất hòa tan, loại dung môi, nồng độ dung dịch và áp suất.Có thể tính gần đúng ∆11 theo công thức sau đây: ∆11=∆1a.0,01621T2/r (37) Trong đó: ∆1a là tổn thất nhiệt độ ở diều kiện áp suất bằng áp suất khí quyển, tra bảng; T,r – nhiệt độ sôi tuyệt đối, nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất; ∆21- là tổn thất nhiệt độ do trở lực của lớp dung dịch. Giá trị của ∆21 phụ thuộc vào chiều cao của lớp dung dịch từ bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt đến mặt thoáng. Nhiệt độ bốc hơi ở bề mặt thấp hơn nhiệt độ của lớp dưới khoảng 3-5oC. ∆31 – là tổn thất nhiệt độ do đường ống dẫn hơi từ thiết bị thứ nhất đến buồng đốt của thiết bị thứ hai. Giá trị cu∆31 phụ thuộc vào đặc tính của tuyến ống,∆31=0,5-1,5oC, lấy trung bình ∆31 =1oC cho mỗi thiết bị. Tổng tổn thất nhiệt độ của một hệ thống bốc hơi liên tục được tính như sau:
(38) Trong đó: n- số thiết bị trong hệ thống i: thiết bị thứ i. Trong quá trình bốc hơi của hệ thống một thiết bị thì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt đang ngưng tụ và hơi thứ là lớn hơn giá trị của ∆; và đối với hệ thống nhiều thiết bị thì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt trong thiết bị và hơi thứ của thiết bị cuối cùng đang ngưng tụ trong tháp ngưng, bao giờ cũng lớn hơn ∆i. Đó là chênh lệch nhiệt độ cần có để thực hiện quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt của dung dịch đang bốc hơi, kí hiệu ∆tc.