MỤC LỤC


I.

TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
1. Lý thuyết về cô đặc
a. Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch
gồm 2 hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng –
lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một
phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo
tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể
tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun
nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
b. Các phương pháp cô đặc:

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên
mặt thoáng chất lỏng.
- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra
dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ chất tan. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà
quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy
lạnh.
c. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt :
- Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt
để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung
cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.

- Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình
cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở

2


trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách
không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
d. Ứng dụng của sự cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái
cây… Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2,
các muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm
đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm
mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết
và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải
thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị
hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người
kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các
nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
2. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt:
Theo cấu tạo
o

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô
đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm
bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
o


Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô
đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại
bề mặt truyền nhiệt.

Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung
dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Bao gồm:
3


- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
o

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này

chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truy ền nhiệt một lần
(xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số
thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm
như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung
dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch
sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường
được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố
định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.
+ Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất

chân không.
+ Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.
+ Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá
lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô chân
không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể
sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được
điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.

4


+ Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt
ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính
chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp
suất thường hoặc áp suất dư.
3. Các thiết bị chính trong hệ thống cô đặc

- Thiết bị chính:
+ Ống nhập liệu, ống tháo liệu
+ Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
+ Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
+ Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
- Thiết bị phụ:
5


+ Bể chứa nguyên liệu
+ Bể chứa sản phẩm
+ Bồn cao vị

+ Lưu lượng kế
+ Thiết bị gia nhiệt
+ Thiết bị ngưng tụ baromet
+ Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
+ Bơm tháo liệu
+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
+ Bơm chân không
+ Các van
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
II.

TIÊU CHUẨN ASME
American Society of Mechanical Engineers (ASME) là một tổ chức nghề
nghiệp giúp thúc đẩy nghệ thuật, khoa học, và quy trình kỹ thuật của các ngành nghề
kỹ thuật và liên kết các ngành khoa học trên khắp thế giới thông qua việc thường
xuyên giáo dục, đào tạo và phát triển nghề nghiệp, "codes" và tiêu chuẩn, nghiên cứu,
hội thảo và xuất bản ấn phẩm, liên lạc các hiệp hội, và các nỗ lực khác giúp tổ chức
vươn xa hơn.
Vì vậy mà ASME là một đoàn thể kỹ thuật, một tổ chức tiêu chuẩn, một tổ chức
nghiên cứu và phát triển, một tổ chức vận động hành lang, một nhà cung cấp về đào
tạo và giáo dục, và là một tổ chức phi lợi nhuận. Được thành lập như một đoàn thể kỹ
thuật, tập trung vào kỹ thuật cơ khí ở Bắc Mỹ, ASME ngày nay là một tổ chức đa
nghề nghiệp và toàn cầu.
ASME có trên 140,000 thành viên trên 158 quốc gia trên thế giới.
ASME được thành lập vào năm 1880 bởi Alexander Lyman Holley, Henry
Rossiter Worthington, John Edison Sweet và Matthias N. Forney để đáp ứng lại nhiều
thất bại trong các đường ống chịu áp lực nồi hơi. Được biết đến cho việc thiết lập
6



"codes" và các tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí, ASME chỉ đạo một trong những "tài
liệu kỹ thuật vận hành" lớn nhất thế giới, tổ chức nhiều hội thảo kỹ thuật và hàng trăm
khóa học phát triển nghề nghiệp hàng năm, và bảo trợ cho nhiều chương trình giáo
dục vươn xa.
ASME là một trong những tổ chức về tiêu chuẩn lâu đời nhất của Hoa Kỳ. Tổ chức
phát hành gần 600 "codes" và tiêu chuẩn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, như bu lông
ốc vít, đường ống nước, thang máy, đường ống dẫn và hệ thống nhà máy điện và các
thành phần.
ASME phát triển các tiêu chuẩn tự nguyện để nâng cao an toàn, sức khỏe và chất
lượng sống của cộng đồng, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho sự đổi mới, thương
mại và cạnh tranh.
ASME phát triển và xét duyệt các tiêu chuẩn dựa trên nhu cầu của thị trường thông
qua quy trình thống nhất, thỏa thuận và cam kết giữa các bên liên quan gồm các nhà
sản xuất, người dùng, chính quyền và các bên quan tâm khác. Việc xây dựng tiêu
chuẩn ASME cùng với sự xét duyệt theo sau đều được đánh giá dựa trên các dữ liệu
có độ tin cậy cao với sự nhất trí của các ủy ban tham gia vào quy trình xây dựng tiêu
chuẩn.
III. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

7


CHỌN THÔNG SỐ

TÍNH TOÁN

KIỂM TRA
KhôngThỏa
Thỏa
KẾT LUẬN


IV. THÔNG SÔ CÔNG NGHỆ

Thông số
Năng suất nhập liệu
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu
Áp suất hơi thứ
Nhiệt độ hơi thứ
Nhiệt độ sản phẩm đáy
Nhiệt độ hơi đốt (hơi bão hòa)
Áp suất hơi đốt (hơi bão hòa)
Chiều cao buồng bốc
Đường kính trong buồng bốc
Số ống truyền nhiệt
Đường kính trong buồng đốt

Giá trị
1
18
30
30
0,6
86,5
104,6
142,9
3
2000
800

91
600

Đơn vị
m3/h
%wt
%wt
o
C
at
o
C
o
C
o
C
at
mm
mm
mm
8


Chiều cao buồng đốt

1500

mm

Bảng 1: Thông sô công nghệ

THÔNG SỐ THIẾT KẾ
Đường kính trong của buồng đốt:
D = 600 mm
Chiều cao buồng đốt:
H = 1500 mm
V.

Đường kính trong của buồng bốc:
Dt = 800 mm = 31,5 in
Chiều cao buồng bốc:
L = 2000mm = 78,74 in
Chiều cao buồng đốt:
H = 1500 mm
Áp suất thiết kế cho buồng đốt và vỉ ống:
Pt = Phbh = 3 at 44,1 Psi
Nhiệt độ thiết kế cho buồng đốt:
Tt = Thbh + 20 = 142,9 + 20 = 162,9oC = 325,22 oF
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Nhiệt độ thiết kế cho buồng bốc và nắp:
tt = 86,5+20 = 106,5 oC = 223,7
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Nhiệt độ thiết kế cho đáy:
tt = 104,6 + 20 =124,6 oC = 256,23
9


Nhiệt độ thiết kế vỉ ống:
tt = 142,9oC = 289,22
Cô đặc dung dịch NaOH nên chọn vật liệu chế tạo:
Thép không gỉ 304

(Tra bảng PL3, 23, 24, phụ lục 3, hàng 43, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy
Nguyễn Hữu Hiếu)
Ứng suất cực đại cho phép (325,22 oF):
St = 14,697 103 Psi
Chọn mối hàn giáp mối một phía, tra bảng PL 4, phụ lục 4
E = 0,65
Dung sai ăn mòn cho phép:
CA = 2mm = 0,07887 in.
VI.

THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐT.

Pt = 44,1 Psi > Pkq =14,7 psi  nắp chịu áp suất trong.
 Bề dày tối thiểu yêu cầu:
− Theo ứng suất vòng:

tt,v = = 0,055 in = 1,375 mm
− Theo ứng suất dọc trục:
tt,d = = 0,018 in = 0,45 mm
 Bề dày thực yêu cầu cho buồng đốt chịu áp suất trong:
tt = tt,v + CA = 1,375 + 2 = 3,375 mm
•

Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép :
Để thuận tiện cho việc chế tạo, chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân để kiểm tra là
tt = 4mm = 0,157 in
+ Theo ứng suất vòng :
(MAWP)v =
10



(MAWP)v = 126 psi > Pt = 44,1 psi
+Theo ứng suất dọc:
(MAWP)d =
(MAWP)d = 255,35 psi > Pt = 44,1 psi
Vậy, MAWP = 126 psi = min{(MAWP)v ; (MAWP)d}
Buồng đốt chịu áp suất trong, có bề dày tối thiểu yêu cầu là 4 mm.

VII.

THIẾT KẾ BUỒNG BỐC

Giả sử bề dày tối thiểu yêu cầu được chọn:
tt = 6 mm = 0,236 in
Dn = 800 + 2= 812 mm = 31,97 in
L = 2000mm = 78,74 in

Tra hình PL 6.1, Phụ lục 6, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu
Hiếu, thu được: A 0,00035
Tra hình PL 6.8: B 4536 psi
•

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép:
Pa =
Thỏa điều kiện bền. Vậy khi chịu áp suất ngoài, buồng bốc có bề dày tối thiểu yêu cầu
là 6 mm.

VIII. THIẾT KẾ ĐÁY – NẮP.
a. Nắp elip:


Giả sử bề dày nắp bằng bề dày buồng bốc tt = 6 mm = 0,24 in
11


Đường kính ngoài Dn = 812 mm = 31,97 in
Bán kính cong:
Hệ số A:
A =

= =

1,04×

Từ Hình PL6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Thầy Nguyễn Hữu
Hiếu:
với , tra được:
B = 9000 Psi
•

Kiểm tra áp suất ngoài tối đa cho phép:
Pa ===

75Psi

Pa = 14,7 Psi

Thỏa điều kiện bền
Vậy chọn thép tấm 304 có bề dày tối thiểu là 6mm để chế tạo nắp thiết bị.
b. Đáy :


Giả sử tt =4 mm ( chưa kể dung sai)
Chọn đáy có:
+ α = 30o
+ Đường kính ngoài ở phần đầu lớn của phần nón được xét :
DL= 600mm = 23,62 in
+ Đường kính ngoài của phần đầu nhỏ của phần nón được xét :
DS = 0
Với và chiều dài tương đương của đáy :
L=
12


Le =
Bề dày hiệu dụng và các tỷ số hình học của đáy :
te= tcos α = mm = 0,682 in

Từ hình PL6.1, Phụ lục 6, tra được
A 0.0023
Từ hình PL6.8, Phụ lục 6, với A 0.0023, T = 124,6 o C, tra được
B = 15876
•

Kiểm tra áp suất ngoài tối đa cho phép:
Pa = = 122,22 psi > Pa = 14,7 psi
Thỏa điều kiện bền .
Chọn thép tấm 304 có bề dày 6 mm là phù hợp để chế tạo đáy nón.

IX.

THIẾT KẾ VỈ ỐNG.


Bề dày tối thiểu yêu cầu được chọn sơ bộ:
tt = 30 mm (đã tính dung sai ăn mòn)
Các thông số hình học cần thiết:
Dn = 600mm
L = 1500mm (chiều dài buồng đốt)

Tra hình PL 6.1, Phụ lục 6, thu được A 0.0055
Tra hình PL 6.8: B 1546 psi
13


•

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép:
Pa =
Thỏa điều kiện bền.
Vậy chọn tấm thép có bề dày là 30 mm để chế tạo vỉ ống.
LỰA CHỌN MẶT BÍCH
Các yếu tố chọn vật liệu làm đệm
- Điều kiện quá trình làm việc
+ Áp suất
+ Nhiệt độ
+ Tính ăn mòn của chất lỏng
- Loại mặt bích, mục đích sử dụng.
- Độ đàn hồi của vật liệu
Ví dụ:
- Áp suất trong thiết bị có xu hướng làm tách các mặt bích ra khỏi nhau
⟶ Áp suất tác dụng lên đệm thấp hơn áp suất của lực siết chặt đệm ban đầu
- Vật liệu làm đêm ⟶ không bị ăn mòn & phải chịu được nhiệt độ cao


X.

Dựa vào bảng phụ lục 7.3 trang 316, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, chọn mặt
bích số 19 ,21:
Kích

Đường

thước kính ngoài
STT
ống
danh

Mặt bích

Bề mặt được

Khoan lỗ

nâng
Bulông

D

b

609,6

845


46

125 720

5

M36

812,8

1085

50

135 930

5

M45

nghĩa

d1

19

600

21


800

Cổ

h1

d4

f

số d2

k

d3

h2

r

20 39 770 660

20

12

24 26 810 740

16


12

14


XI.

KẾT LUẬN.
Thiết bị có các bề dày tối thiểu yêu cầu:
Thiết bị

Giá trị

Đơn vị

Buồng đốt

4

mm

Buồng bốc

6

mm

Đáy


6

mm

Nắp

6

mm

Vỉ ống

30

mm

Mặt bích

600

Kích thước danh
nghĩa

800

Bảng 2 : Kết luận

XII. TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Đồ án quá trình thiết bị.
Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu


15


16