Chương 3 trình bày về quá trình bốc hơi cô đặc và ngưng tụ, bao gồm các khái niệm, mục đích và các phương pháp liên quan. Quá trình bốc hơi nhằm tăng nồng độ dung dịch bằng cách làm bốc hơi dung môi, trong khi quá trình ngưng tụ biến hơi thành trạng thái lỏng để thu nhận sản phẩm tinh khiết. Các tổn thất nhiệt và hệ thống thiết bị liên quan đến bốc hơi và ngưng tụ cũng được thảo luận chi tiết.

1. CHƯƠNG 3: BỐC HƠI CÔ ĐẶC - NGƯNG TỤ
Quá trình ngưng tụ3.2
Quá trình bốc hơi cô đặc3.1

2. 3.1 Quá trình bốc hơi cô đặc
3.1.1 Các khái niệm
Cô đặc: là quá trình làm tăng nồng độ dung dịch
chất tan không bay hơi bằng cách bốc hơi dung
môi khi đun sôi dung dịch
Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh
- Hơi đốt: hơi đun sôi dung dịch (thường từ lò hơi)
- Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc (do có nhiệt độ
cao nên được tận dụng lại)
- Hơi phụ: hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị
ngoài hệ thống cô đặc
- Nhiệt độ sôi dung dịch: lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất ở cùng 1 áp suất.

3. 3.1.2 Bản chất của quá trình
Quá trình bốc hơi: do các phân tử trên mặt
thoáng thu được năng lượng đủ lớn.
Các phân tử bốc hơi phải thắng lực liên kết phân
tử (nội ẩn nhiệt hóa hơi rt) và áp suất bên ngoài
(ngoại ẩn nhiệt hóa hơi rn). Ẩn nhiệt bay hơi là:
r = rt + rn
- Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt
thoáng, trong lòng chất lỏng.
- Quá trình bốc hơi xảy ra khi áp suất trong chất
lỏng lớn hơn áp suất mặt thoáng.

4. 3.1.3 Tổn thất nhiệt trong cô đặc
Tổn thất nhiệt do nồng độ (ký hiệu ∆’): sự
chênh lệch giữa nhiệt độ sôi của dung dịch (tsdd)
và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (tsdm).
Tổn thất nhiệt do nồng độ phụ thuộc bản chất
chất tan và nồng độ dung dịch.
Xác định bằng thực nghiệm hoặc công thức
Lisenco
- Tổn thất nhiệt độ khi áp suất cô đặc bằng áp
suất khí quyển (áp suất thường):

5. ∆0’: độ tăng phí điểm tại áp suất khí quyển, [độ], có
thể tra theo nồng độ ở áp suất khí quyển của một
số chất hòa tan. (sổ tay QTTB tập 1, trang 240)
Ks: hằng số nghiệm sôi của dung môi.
x: nồng độ chất tan, [mol/lít]
- Trường hợp áp suất cô đặc khác áp suất khí
quyển.
∆’: độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc, [độ C].
∆o’: độ tăng phí điểm tại áp suất thường, [độ C].
f: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi của
dung môi tại các áp suất khác.

6. Tm: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất
[K]= nhiệt độ hơi thứ
r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi, [J/kg]. Tra Phụ
lục 1, phụ lục 2 (SGK)
(chú ý: Tm tính bằng [K] nhưng ∆’ tính bằng [0C])

8. Tổn thất nhiệt lượng cô đặc:
- Trong quá trình cô đặc, do nồng độ tăng nên nhiệt
tiêu hao để bốc hơi cũng thay đổi một lượng ∆q gọi là
tổn thất nhiệt lượng khi cô đặc.
(Tổn thất nhiệt khi cô đặc bằng hiệu nhiệt hòa tan ở
nồng độ đặc và nồng độ loãng. Nhiệt hòa tan bằng
tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt solvat.
∆q = q2 – q1, [J/kg]
q1, q2: nhiệt hòa tan tích phân tại nồng độ đầu và
cuối, [J/kg])
- Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
- Tổn thất nhiệt do sức cản thủy lực

9. 3.1.4 Các phương pháp cô đặc
- Cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi.
- Cô đặc liên tục hoặc gián đoạn.
- Cô đặc ở áp suất thường, chân không, áp suất
dư

10. 3.1.4.1 Hệ thống cô đặc một nồi liên tục, TBNT baromet
- Cô đặc liên tục hoặc gián đoạn

11. Cân bằng vật chất
Gđ: khối lượng nguyên liệu,
[kg; kg/s]
Gc: khối lượng sản phẩm, [kg;
kg/s]
W: lượng hơi thứ, [kg; kg/s]
xđ: nồng độ chất khô trong
nguyên liệu, [% khối lượng]
xc: nồng độ chất khô trong sản
phẩm, [% khối lượng]
i1: hàm nhiệt hơi kj/kg (tra i’’
trong phụ lục 1&2
i2: hàm nhiệt hơi thứ kj/kg (i’’)
Cđ, Cc: nhiệt dung riêng dung
dịch kj/kg.độ (tra phụ lục 7
theo nhiệt độ)

12. Bảo toàn khối lượng:
Bảo toàn chất khô:
Lượng hơi thứ:
Nồng độ cuối sản phẩm:

13. Cân bằng nhiệt
Lượng hơi đốt cần thiết (tiêu tốn):
Khi tính toán xem gần đúng: cc≈cđ lấy ở nhiệt độ trung
bình dung dịch.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt (buồng đốt):

14. tsdd: trong tính toán rất khó xác định, ta chỉ biết T và
tng. Gọi ∆tch = T – tng: hiệu số nhiệt độ chung
Gọi: ∆thi = T – tsdd
T: nhiệt độ hơi đốt, [0C]
tsdd : to sôi trung bình dung dịch, [0C]
tng: nhiệt độ hơi thứ, [0C]
∑∆: tổng tổn thất nhiệt độ trong cô đặc
Như vậy: ∆thi = ∆tch - ∑∆
∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’
∆’ : Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
∆’’ : Tổn thất nhiệt độ do thuỷ tĩnh
∆’’’: Tổn thất nhiệt độ do trở lực ống dẫn

16. Xác định ∆’’
Tính độ tăng áp suất do thuỷ tĩnh ∆p’’

17. Xác định ∆’’’
Xác định tổn thất áp suất trên đường ống dẫn hơi thứ ∆p’’’

18. Tính chiều cao chất lỏng tối ưu:

19. 3.1.4.2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi
Có 3 loại hệ thống nhiều nồi:
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều.
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều.
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song.

20. Hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều.

21. Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều
Thiết bị cô đặc (SGK)

22. Một chất rắn khi hòa tan vào nước mà tỏa nhiệt hay thu nhiệt (biến thiên
enthanpy ΔH âm hay dương) phụ thuộc vào hai dạng năng lượng: thứ
nhất là nhiệt phân ly (năng lượng cần cung cấp để phá vỡ mạng lưới
tinh thể, luôn > 0), thứ hai là năng lượng solvat hóa ion (các phân tử
dung môi tương tác và bao xung quanh ion, ví dụ bao quanh ion Na+ là
đầu oxi của nước, bao quanh ion OH- là đầu hydro của nước), năng
lượng solvat hóa luôn < 0.
Như vậy, dựa vào mối tương quan giữa hai dạng năng lượng này mà
ta có giá trị nhiệt hòa tan ΔH. Ví dụ khi hòa tan NaOH vào nước thì nhiệt
solvat hóa chiếm ưu thế hơn năng lượng mạng tinh thể thì kết quả là giá
trị ΔH hòa tan mang dấu âm, quá trình tỏa nhiệt làm dung dịch nóng lên.
Hay ví dụ khác là khi hòa tan NH4Cl vào nước thì năng lượng mạng tinh
thể chiếm ưu thế hơn nhiệt solvat hóa thì kết quả là giá trị ΔH hòa tan
mang dấu dương, quá trình thu nhiệt làm dung dịch lạnh đi.

23. 3.2 Quá trình ngưng tụ
3.2.1 Các khái niệm
Ngưng tụ là quá trình biến hơi thành trạng thái
lỏng bằng cách làm nguội hơi.
3.2.2 Mục đích:
- Thu nhận sản phẩm dưới dạng dung môi tinh khiết.
- Tạo chân không (kết hợp với bơm chân không).
- Làm sạch môi trường.
Phương pháp:
- Ngưng tụ gián tiếp (TBNT ống chum, xoắn, ống
lồng ống…
- Trực tiếp: TBNT baromet

24. 3.2.3 Ngưng tụ gián tiếp
1: làm nguội hơi
2. Ngưng tụ bão hòa
t2v
t2r
t1v
t1r
3: làm nguội lỏng

25. 3.2.4 Ngưng tụ trực tiếp
Nguyên tắc:
Hơi ngưng tụ tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh để
truyền nhiệt làm nguội, ngưng tụ. Sau khi ngưng tụ,
nước làm nguội trộn lẫn với lỏng ngưng tụ.
Mục đích:
- Ngưng tụ hơi, khí thải.
- Tạo chân không.
Có hai kiểu ngưng tụ trực tiếp:
- Ngưng tụ trực tiếp loại khô.
- Ngưng tụ trực tiếp loại ướt.

26. 3.2.5 Tính toán TBNT
Q: Nhiệt lượng ngưng tụ là nhiệt lượng cần thiết để
biến hơi từ trạng thái ban đầu (hơi quá nhiệt thành
trạng thái cuối - lỏng chưa sôi).
Q1: nhiệt làm nguội hơi
Q2: nhiệt ngưng tụ hơi
Q3: nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ
r: ẩn nhiệt ngưng tụ hơi, kj/kg (tra phụ lục 1,2)

27. Tính lượng nước làm nguội tiêu hao Gn:
Phương trình cân bằng nhiệt quanh
thiết bị ngưng tụ:

28. Tính bề mặt truyền nhiệt F:
F1: diện tích bề mặt truyền nhiệt làm nguội hơi, [m2]
F2: diện tích bề mặt truyền nhiệt ngưng tụ hơi, [m2]
F3: bề mặt truyền nhiệt làm nguội lỏng ngưng tụ, [m2]
3.2.6 Thiết bị ngưng tụ (SGK)

30. Bảng I.249 (trang 310): sổ tay QTTB T.1

31. Bài tập:
3.1 Tính lượng hơi đốt cần thiết để bốc hơi 1500kg
dung dịch đường mía trong TBCĐ chân không, nồng
độ nhập liệu 12%, sản phẩm có nồng độ 50% (chất
khô). Hơi đốt có nhiệt độ 1100C, hơi thứ có hàm nhiệt
i2 = 2643 kj/kg.
Dung dịch đầu ở nhiệt độ 300C, nhiệt dung riêng
5,43kj/kg.độ
Sản phẩm ra có nhiệt độ 800C, nhiệt dung riêng
6,68kj/kg.độ. Bỏ qua các tổn thất nhiệt
* Nếu ở áp suất thường dung dịch sôi ở 1050C thì ở
áp suất 0,2 bar thì nhiệt độ sôi dung dịch là bao
nhiêu? Biết ở áp suất này nhiệt độ sôi của nước là
60,080C, ẩn nhiệt bay hơi là 2358 kj/kg

32. Bài tập:
Hướng dẫn: PT cân bằng nhiệt
Qcđ = Qmt = 0 ; xđ= 0,12; cđ= 5,43 ; tđ= 30,
i2= 2643kj/kg; xc= 0,5 ; cc= 6,68; tc=80 Gđ = 1500kg;
= 1140kg
Gc = Gđ – W = 360 kg
T hơi đốt: 1100C, tra phụ lục 1 i’’1 (hơi)= 2691 kj/kg
Nhiệt độ nước ngưng tn=t hơi đốt = 1100C, tra phụ lục
7: Cn=4,233 kj/kg.độ
ĐS: 1330 kg

33. Bài tập:
Ở áp suất thường độ tăng phí điểm của dung
dịch(dung môi là nước):
∆’o = tsdd(p0)-tsdm(p0) = 105-100= 50C
Ở áp suất 0,2bar độ tăng phí điểm:
∆’ = f.∆’o= tsdd(p)-tsdm(p) (*)
Tm= 273+60,08 = 333,08K
R = 2358kj/kg = 2358.103j/kg
Tính f:
f=16,14T2
m/r = 0,759
∆’ = 0,759.5 = 3,797
Từ (*) ta có: tsdd(p) = 60,08+3,797= 63,8780C

34. Bài tập:
3.2 TBNT ống chùm dùng để ngưng tụ hơi nước với
lượng hơi là 2000kg/h, nhiệt độ hơi 1150C. Nước
ngưng tụ ở trạng thái lỏng bão hòa.
a. Tìm nhiệt độ nước ngưng
b. Nhiệt lượng hơi tỏa ra trong TBNT, biết hơi là hơi
bão hòa khô.
c. Nước ngưng được làm nguội đến nhiệt độ 500C
trước khi đưa đến bể chứa. Tính nhiệt lượng
nước ngưng tỏa ra trong TB làm nguội.

35. Bài tập:
Hướng dẫn:
a. Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi 1150C
b. Q=r.D = 2216kj/kg.2000kg/h/(3600s)=1231kW
Với r tra bảng PL1 ở 1150C.
c. Nhiệt lượng nước tỏa ra:
Q=D.cn.(tbh-tc)
Nhiệt độ trung bình nước ngưng:
ttb= (115+50)/2 = 82,5oC
Tra và nội suy nhiệt dung riêng của nước ở ttb,
cn=4,198kj/kg.độ
Q=2000.4,198.(115-50)/3600=151kW