TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------

------

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI
DUNG DỊCH CÀ CHUA 2 TẤN/GIỜ

Nhóm sinh viên thực hiện:
NGUYỄN THỊ THÚY HOA
NGUYỄN KHẮC HÀO
BÙI CHÍ HÒA

Cần Thơ - năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------

------

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI
DUNG DỊCH CÀ CHUA 2 TẤN/GIỜ

Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm sinh viên thực hiện:

Ths. TRẦN THỊ THÙY LINH NGUYỄN THỊ THÚY HOA (1500546)
NGUYỄN KHẮC HÀO

(1500318)

BÙI CHÍ HÒA

(1500377)

Cần Thơ - năm 2018


YÊU CẦU ĐỒ ÁN
Tên đồ án
Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch cà chua 2 tấn/giờ
Dữ liệu ban đầu
- Năng suất nhập liệu Gđ = 2000 kg/giờ
- Nồng độ nhập liệu xđ = 10% (khối lượng)
- Nồng độ sản phẩm xc = 33% (khối lượng)
- Nhiệt độ nhập liệu tđ = 60oC
- Áp suất hơi đốt Pđốt = 2,9 at
- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,7 at
Tính toán
- Tính toán thiết kế thiết bị chính: buồng bốc, buồng đốt, nắp, đáy nồi.
- Tính toán thiết bị phụ: thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Tính toán cơ khí


vi


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ....................................................................................... 1
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM ....................................1
1.1.1 Nguyên liệu (Hà Văn Tuyết & Trần Văn Bình, 2000) ..............................1
1.1.2 Sản phẩm cà chua cô đặc (Nguyễn Văn Tiếp et al., 2000) ........................1
1.2 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC .....................................................................................2
1.2.1 Định nghĩa ..................................................................................................2
1.2.2 Các phương pháp cô đặc ............................................................................2
1.2.3 Bản chất thực sự của cô đặc do nhiệt .........................................................2
1.2.4 Phân loại thiết bị cô đặc nhiệt (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).........................3
1.2.5 Yêu cầu thiết bị ..........................................................................................3
CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ............................... 5
2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI LIÊN
TỤC .........................................................................................................................5
2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ỐNG TUẦN
HOÀN TRUNG TÂM.............................................................................................5
CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ............................... 7
3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT .................................................................................7
3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ..........................................................................8
3.3.1 Xác định nhiệt độ và áp suất ......................................................................8
3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ ................................................................................10
3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng ...............................................................................12

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc ...............................................................14
3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng ....................................................................15
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ........ 16
4.1 NHIỆT TẢI RIÊNG PHÍA HƠI NGƯNG (Q1) ..............................................16
4.2 NHIỆT TẢI RIÊNG PHÍA DUNG DỊCH (Q2) ..............................................16
4.3 NHIỆT TẢI RIÊNG PHÍA TƯỜNG (QV) ......................................................18
4.4 TIẾN TRÌNH TÍNH NHIỆT TẢI RIÊNG ......................................................19

vii


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

4.5 HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT K CHO QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ...........................20
4.6 DIỆN TÍCH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT F ...................................................20
CHƯƠNG 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC............................................................... 21
5.1 TÍNH BUỒNG ĐỐT .......................................................................................21
5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị (Vđ) ...............................................21
5.1.2 Thể tích dung dịch cuối (Vc) ....................................................................21
5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt .............................................................21
5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt...................................................24
5.1.5 Tổng kết ...................................................................................................24
5.2 TÍNH BUỒNG BỐC .......................................................................................24
5.2.1 Tính đường kính buồng bốc (Db) .............................................................24
5.2.2 Tính chiều cao buồng bốc (Hb)................................................................26
5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng dốc ........................................27
5.3 TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU THÁO LIỆU ........................27
5.3.1 Ống nhập liệu ...........................................................................................27

5.3.2 Ống tháo liệu ............................................................................................27
5.3.3 Ống dẫn hơi đốt ........................................................................................28
5.3.4 Ống dẫn hơi thứ........................................................................................28
5.3.5 Ống dẫn nước ngưng ................................................................................28
5.3.6 Ống xã khí không ngưng ..........................................................................28
5.3.7 Tổng kết về đường kính ống ....................................................................28
CHƯƠNG 6 TÍNH CƠ KHÍ .................................................................................. 30
6.1 TÍNH BUỒNG ĐỐT .......................................................................................30
6.1.1 Sơ lược cấu tạo .........................................................................................30
6.1.2 Tính bề dày buồng đốt .............................................................................30
6.1.3 Tính bền cho các lỗ ..................................................................................32
6.2 TÍNH BUỒNG BỐC .......................................................................................32
6.2.1 Sơ lược cấu tạo .........................................................................................32
6.2.2 Tính thể tích buồng bốc hơi .....................................................................32
6.2.3 Tính bề dày buồng bốc .............................................................................33

viii


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

6.2.4 Tính toán nắp thiết bị ...............................................................................36
6.3 TÍNH TOÁN ĐÁY THIẾT BỊ ........................................................................38
6.3.1 Sơ lược cấu tạo .........................................................................................38
6.3.2 Tính toán ..................................................................................................38
6.3.3 Tính bền cho các lỗ ..................................................................................44
6.4 TÍNH MẶT BÍCH VÀ SỐ BU LÔNG CẦN THIẾT .....................................44
6.4.1 Sơ lược cấu tạo .........................................................................................44

6.4.2 Chọn mặt bích ..........................................................................................45
6.5 TÍNH VÀ CHỌN TAI TREO CHÂN ĐỠ ......................................................46
6.5.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ ...............................................................46
6.5.2 Thể tích các bộ phận thiết bị ....................................................................46
6.5.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị ...............................................................49
6.5.4 Tổng khối lượng .......................................................................................50
6.6 TÍNH VĨ ỐNG ................................................................................................50
6.6.1 Sơ lược cấu tạo .........................................................................................50
6.6.2 Tính toán ..................................................................................................51
6.7 KÍNH QUAN SÁT ..........................................................................................52
6.8 BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT ........................................................................52
CHƯƠNG 7. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ ..................................................................... 54
7.1 CHỌN TÍNH HỆ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET ................................54
7.1.1 Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ ......................................54
7.1.2 Đường kính trong dnt của thiết bị ngưng tụ ..............................................54
7.1.3 Tính kích thước tấm ngăn ........................................................................55
7.1.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ ..............................................................56
7.1.5 Tính kích thước ống Baromet ..................................................................56
7.1.6 Tính lượng hơi thứ và khí không ngưng ..................................................58
7.2 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM CHÂN KHÔNG ..........................................59
7.2.1 Công suất bơm chân không ......................................................................59
7.2.2 Chọn bơm chân không .............................................................................60

ix


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị ................................................................................................ 6
Hình 2.1 Thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc ..................................................... 8

x


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Số liệu tổng hợp của hơi đốt và hơi thứ nồi cô đặc ................................... 10
Bảng 3.2 Tổng hợp số liệu tổn thất nhiệt độ ở nồi cô đặc ........................................ 12
Bảng 3.3 Bảng tổng hợp số liệu: ............................................................................... 15
Bảng 4.1 Số liệu theo nồng độ dung dịch. ................................................................ 17
Bảng 6.1 Số liệu của bích buồng bốc và buồng đốt .................................................. 45
Bảng 6.2 Số liệu bích nối buồng đốt và đáy ............................................................. 45
Bảng 6.3 Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp ...................................................... 46
Bảng 6.4 Bảng số liệu kích thước của tay treo ......................................................... 50

xi


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây ngành công nghệ thực phẩm phát triển rất mạnh, với

sự đa dạng và phong phú về nhiều loại sản phẩm. Sự phát triển không chỉ thể hiện về
mặt số lượng mà cả chất lượng. Mặc dù hiện tại nền kinh tế toàn cầu đang khủng
hoảng, nhưng không vì thế mà ngành công nghệ thực phẩm ngưng lại. Cũng như
không vì lẽ đó mà nhu cầu con người thay đổi.
Hiện nay nhờ các ngành cơ khí, điện lực, chất dẻo, v.v... phát triển mạnh, đã
làm cho công nghiệp đồ hộp được cơ khí, tự động hóa ở nhiều dây chuyển sản xuất.
Các ngành khoa học cơ bản như: hóa học, vi sinh vật học, công nghệ sinh học đang
trên đà phát triển: đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm nói chung và
đồ hộp nói riêng, làm cho giá trị dinh dưỡng cửa thực phẩm được nâng cao và cất giữ
được lâu hơn. Cà chua cô đặc là một trong những sản phẩm chính của công nghiệp
đồ hộp rau quả, được coi là bán chế phẩm vì nó được dùng để chế biến các loại đồ
hộp khác như đồ hộp xốt các loại, nước xốt của đồ hộp thịt, cá, rau, để làm nguyên
liệu nấu nướng. Cà chua cô đặc được chế biến bằng cách cô đặc thịt cà chua (theo
mức độ khác nhau) sau khi đã nghiền nhỏ và loại bỏ hạt, vỏ. Quả cà chua được chế
biến thành nhiều loại khác nhau và được dùng trong các bữa ăn hàng ngày của người
Việt Nam nhằm mục đích làm tăng thêm giá trị dinh dưỡng và tạo nên vẻ đẹp bắt mắt
trong việc trình bày các món ăn.
Trong bài đồ án này Em thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch cà chua 2 tấn
sản phẩm /giờ với nồng độ đầu 10% (khối lượng), nồng độ cuối 33% (khối lượng),
nhiệt độ nhập liệu 60oC, áp suất hơi đốt 2,9 at và áp suất chân không tại thiết bị ngưng
tụ 0,7 at. Là đồ án dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Thị Thùy Linh, Khoa công nghệ
thực phẩm và công nghệ sinh học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Cần thơ. Đồ
án này đề cập đến những vấn đề liên quan các kiến thức cơ bản về ngành cà chua
cũng như quá trình cô đặc, qui trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng
lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những
thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu.

xii



ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM
1.1.1 Nguyên liệu [11]
Cà chua là loại rau thuộc nhóm quả được sử dụng rộng rãi chẳng những như rau
quả mà còn như nước giải khát bổ dưỡng nhất. Cà chua có xuất xứ từ Nam Mỹ, nay
được trồng ở hầu hết các nước trên thế giới. Tuy nhiên, cà chua vùng ôn đới vẫn cho
chất lượng và sản lượng tốt nhất.
Có nhiều giống cà chua. Chúng khác nhau về hình dạng, độ lớn, màu sắc, chất
lượng quả, v.v... Mỗi giống có đặc tính công nghệ riêng thuận lợi cho nhu cầu sử
dụng đa dạng.
Thời vụ thu hái cà chua Việt Nam là khoảng tháng 11 đến tháng 2 năm sau,
trong khi các nước ôn đới thu hoạch vào khoảng tháng 7 đến tháng 9.
Thành phần hóa học: Độ khô 4,5÷8%, đường 3÷4% chủ yếu là đường fructoza
và glucoza, chỉ có khoảng 0,5% saccaroza, acid 0,2÷0,5%, vitamin C 20÷40mg%,
protein 1,0÷1,6%, khoáng chất 0,3÷0,6%.
Chất lượng cà chua được đánh giá qua các chỉ tiêu cơ bản sau:
- Độ chín: màu đỏ là đặc trưng cho độ chín của cà chua. Giống của cà chua được
đánh giá là tốt khi chín đỏ từ trong ra ngoài, từ phần thịt đến vỏ, khi đó đảm bảo tích
lũy tối đa đường, vitamin và các chất khác.
- Độ khô: độ khô cao hay thấp phụ thuộc vào giống, thời kì phát triển, kỹ thuật
chăm bón cà chua. Độ khô càng cao chứng tỏ chất lượng càng tốt.
1.1.2 Sản phẩm cà chua cô đặc [12]
Cà chua cô đặc là một trong những sản phẩm chính của công nghiệp đồ hộp rau
quả, được coi là bán chế phẩm vì nó được dùng để chế biến các loại đồ hộp khác như
đồ hộp xốt các loại, nước xốt của đồ hộp thịt, cá, rau, để làm nguyên liệu nấu nướng.
Cà chua cô đặc được chế biến bằng cách cô đặc thịt cà chua (theo mức độ khác

nhau) sau khi đã nghiền nhỏ và loại bỏ hạt, vỏ. Ở Liên Xô cà chua cô đặc được phân
loại như sau:
- Pure cà chua: có độ khô 12, 15 và 20%.
- Cà chua cô đặc loại độ khô 30, 35 và 40%.
- Cà chua cô đặc loại độ khô 50 – 70%.
- Bột cà chua: độ khô 88 – 95%.
Dạng cà chua cô đặc có độ khô 30% được chế biến nhiều hơn cả.

1


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

Ở Mỹ, cà chua cô đặc được phân loại như sau:
- Pure cà chua: cà chua chà mịn qua rây để loại bỏ vỏ, hạt.
- Pure cà chua miếng: cà chua xé tơi, qua sàng để loại bỏ vỏ, hạt.
- Cà chua cô đặc loại có độ khô 25 – 29%.
- Cà chua cô đặc có độ khô 29 – 33%.
- Cà chua cô đặc có độ khô trên 33%.
- Cà chua miếng cô đặc: cà chua xé tơi, loại bỏ vỏ và hạt, rồi cô đặc.
1.2 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó
trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay
không bay hơi trong quá trình đó) được tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi
hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng
cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.

1.2.2 Các phương pháp cô đặc
1.2.2.1 Phương pháp nhiệt độ (đun nóng)
Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp
suất bên ngoài lên mặt thoáng của dung dịch (tức dung dịch sôi). Để cô đăc các dung
dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường chứa nhiều vitamin) đòi
hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay
thường là ở chân không (p < 1 at). Đó là phương pháp cô đặc chân không.
1.2.2.2 Phương pháp nhiệt lạnh (kết tinh) [4]
Trong phương pháp nhiệt lạnh, khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu
nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường
là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất ta (trước khi xảy ra sự kết tinh otecti). Tùy
theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện áp suất bên
ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao
hay thấp và có phải dùng đến máy lạnh (như kết tinh nước để cô đặc nước quả ép giàu
sinh tố,...).
1.2.3 Bản chất thực sự của cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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
2


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, cần cung cấp
nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi 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 trên

bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí
và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc.
1.2.4 Phân loại thiết bị cô đặc nhiệt [9]
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ
dàng và tiêu biểu nhất để phân loại.
Thiết bị cô đặc được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây:
Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên) đối với nhóm này
thường có hai loại như sau:
- Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng đốt hơi); có thể có ống tuần hoàn
trong hay ống tuần hoàn ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi)
Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức) đối với nhóm này
thường có hai loại như sau:
- Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
- Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, loại này thường cũng có hai loại:
- Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt
ngoài.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài.
1.2.5 Yêu cầu thiết bị
Về cấu tạo thiết bị cô đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có ba bộ phận chính
sau:
- Bộ phận nhận nhiệt: ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước bộ phận nhận nhiệt là
dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống, truyền
nhiệt do dung dịch chuyển động bên trong các ống.
- Không gian để phân ly: hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên phải
có không gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt.
- Bộ phận ly tâm: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Những yêu cầu chung cần bảo đảm khi chế tạo các thiết bị cô đặc


3


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

- Thích ứng với tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như độ nhớt cao,
khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại…
- Có hệ số truyền nhiệt lớn, bởi vì khi nồng độ tăng hệ số truyền nhiệt giảm
mạnh.
- Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ
(không bám bẩn bề mặt ngưng) lấy nhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.
- Hơi đốt (hoặc hơi thứ cấp là hơi đốt) bảo đảm phân bố nhiều trong không gian
bên ngoài giữa các ống của dàn ống (bảo đảm nhiệt phân bố đều cho các ống).
- Bảo đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
- Dễ dàng cho việc làm sạch sẽ bề mặt bên trong các ống vì khi dung dịch bốc
hơi bên trong các ống sẽ làm bẩn bề mặt bên trong của ống (tạo cặn).
Chọn loại thiết bị cô đặc một nồi hoạt động liên tục có ống tuần hoàn trung tâm.
Nhằm mục đích giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quan trọng (tính
chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,...) nhờ nhiệt độ thấp và không
tiếp xúc oxy.
- Ưu điểm:
+ Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không
trong thiết bị.
+ Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác dễ dàng.
+ Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.
- Nhược điểm:
+ Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
+ Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.

+ Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.

4


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI LIÊN
TỤC
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục được thể hiện hình
2.1 được qua thiết bị gia nhiệt. Dung dịch từ thùng chứa nguyên liệu (2) được bơm
(1) bơm lên thùng cao vị (3) để ổn áp, sau đó chảy qua lưu lượng kế (4), qua thiết bị
gia nhiệt (11) rồi đi vào thiết bị cô đặc (5) thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khí
không ngưng đi qua phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ (6).
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ sẽ tụ lại
thành lỏng chảy qua ống Baromet ra bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách
giọt (7) để chỉ còn khí theo bơm chân không (8) ra ngoài. Dung dịch sau cô đặc được
bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa sản phẩm (9).
2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ỐNG TUẦN HOÀN
TRUNG TÂM
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp
lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với
ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt dung dịch truyền nhiệt lớn
hơn so với ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì
lý do trên khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở
ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dòng chuyển
động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên

xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành hai dòng.
Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra
khỏi dòng giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại
được hoàn lưu.
Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa
sản phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của
buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet.

5


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị

6


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 DỮ LIỆU BAN ĐẦU
Năng suất nhập liệu Gđ = 2000 kg/giờ
Nồng độ nhập liệu xđ = 10% (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm xc = 33% (khối lượng)

Nhiệt độ nhập liệu tđ = 60oC
Áp suất hơi đốt Pđốt = 2,9 at
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,7 at
3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
W
Gcxc

Gđxđ
Cô đặc
Với:

Gđ, Gc, W là khối lượng dung dịch ban đầu, cuối và tổng lượng hơi thứ (kg/h).
xđ, xc: là nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu và cuối (% khối lượng).
Khối lượng dung dịch cuối (Gc)
Cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô, ta có:
Gđ. xđ = Gc. xc
 Gc =

Gñ .xñ 2000.10
=
= 606,061 (kg/h)
xc
33

Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Cân bằng vật chất cho hệ thống:
Gđ = G c + W
 W = Gđ + Gc = 2000 – 606,061 = 1393,939 (kg/h)

7



ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Dung dịch

6

5

h
Hơi đốt

1

1

4
H
3
∆``` ∆`

2
t

∆``


∆t

Σ∆
∆T

Hình 2.1 Thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc (trang 146, [8])
1-2 - nhiệt độ hơi đốt; 3 - nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt;
4 - nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch; 5-6 - nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi thứ trên bề mặt
thoáng; 7 - nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ

Trên Hình 2.1 trục tung biểu diễn chiều cao của thiết bị còn trục hoành biểu diễn
nhiệt độ. Đoạn thẳng đứng 1-2 biểu thị nhiệt độ của hơi đốt ở bên ngoài ống truyền
nhiệt; ở đây coi hơi đốt ở trang thái bão hòa và nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ
hơi đốt. Điểm 3 là nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống (lớn nhất) và giảm dần đến
điểm 5 ở mặt thoáng do áp suất thủy tĩnh. Điểm 4 ứng với nhiệt độ giữa ống truyền
nhiệt gọi là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch. Điểm 6 là nhiệt độ của hơi thứ ở
sát mặt thoáng của dung dịch, điểm 7 là nhiệt độ của hơi thức ở trong thiết bị ngưng
tụ tnt.
3.3.1 Xác định nhiệt độ và áp suất
Ta có áp suất buồng đốt (Pđốt) là 2,9 at.

8


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

Tra bảng I.251, trang 315, [1], ta có nhiệt độ hơi đốt (tđốt) theo công thức nội suy là:

131,57oC.
Ta có áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at
 Áp suất tuyệt đối ở thiết bị ngưng tụ:
Pc = Pa – Pck = 1 – 0,7 = 0.3 at
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có tnt = 68,7 (oC)
Với:
tnt: nhiệt độ hơi thứ vào trong thiết bị ngưng tụ baromet (oC).
Pc: áp suất tuyệt đối ở thiết bị ngưng tụ (at).
Pa: áp suất khí quyển (at).
Chênh lệch áp suất chung của hệ thống:
P = Pđốt – Pnt = 2,9 – 0,3 = 2,6 at
Gọi ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ. Theo trang 147, [8], ’’’ = 1  1,5 , chọn ’’’ = 1oC.
Nhiệt độ hơi thứ ngay trên mặt thoáng (tsdm) bằng nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ
+ ’’’
tsdm = tnt + ’’’ = 68,7 + 1 = 69,7 oC
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ (oC)
65
70

Áp suất (at)
0,2550
0,3177

Theo công thức nội suy, tại nhiệt độ 69,7 oC:
Pthứ = 0,2550 +

0,3177 − 0,2550
. (69,7 – 65) = 0,3139 at

70 − 65

Với: Pthứ: áp suất hơi trên mặt thoáng dung dịch (at).
Tra bảng I.251, trang 314,315, [1], ta có:
Áp suất (at)
0.3
0.4

i (J/kg)
287,9.103
315.9.103

r (J/kg)
2336.103
2320.103

2

502,4.103

2208.103

3

558,9.103

2171.103

Theo công thức nội suy, tại áp suất (Pđốt) là 2,9 at.


9


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

558,9.103 − 502,4.103
iđốt = 502,4.10 +
. (2,9 – 2) = 553250 J/kg
3−2
3

rđốt = 2208.103 +

2171.103 − 2208.103
. (2,9 – 2) = 2174700 J/kg
3−2

Theo công thức nội suy, tại áp suất (Pthứ) là 0,3139 at.
315,9.103 − 287,9.103
ithứ = 287,9.10 +
. (0,3139– 0,3) = 293792 J/kg
0,4 − 0,3
3

rthứ = 2336.103 +

2320.103 − 2336.103
. (0,3139– 0,3) = 2336000 J/kg

0,4 − 0,3

Trong đó:
iđốt, ithứ: nhiệt lượng riêng của hơi nước tại áp suất Pđốt, Pthứ, J/kg.
rđốt, rthứ: nhiệt hóa hơi của hơi nước tại áp suất Pđốt, Pthứ, J/kg.
Bảng 3.1 Số liệu tổng hợp của hơi đốt và hơi thứ nồi cô đặc

P, at
2,9

Hơi đốt
t,
i, J/kg
131,5
553250
oC

r, J/kg
2174700

P, at
0,3139

Hơi thứ
t,
i, J/kg
r, J/kg
69,7 293792 2336000
oC


x%
33%

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (’)
Tra bảng VI.1, trang 59, [2], ta có:
Nhiệt độ (oC)
65
70

f
0,7899
0,8177

Dùng công thức nội suy, tại tsdm = 69,7oC, ta được:
f = 0,7899+

0,8177−0,7899
70−65

. (69,7 – 65) = 0,816

Với nồng độ cuối cùng của dung dịch là 33% thì o’ = 0,69 (Tra theo đồ thị VI.2,
trang 60, [2]. Bởi vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất,
tức ’, phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch.
 ’ = f.o’ = 0,816.0,69= 0,56 oC
Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (’) là 0,56 oC.
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’)
Theo công thức VI.13, trang 60, [2], ta có:


10


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

’’ = tsi - ti
Với
tsi là nhiệt độ sôi ứng với áp suất ptb (oC).
ti nhiệt độ sôi ứng với áp suất pthứ (oC).
Theo công thức VI.12, trang 60, [2] ta có áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa khối chất lỏng
cần cô đặc:
Ptb = Pthứ + [(h1 +

𝐻
2

) . ρdds. g], (N/m2)

Trong đó:
Pthứ: áp suất hơi thứ (N/m2); Pthứ = 0,3139 at = 30783,564 N/m2.
h1: chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
dung dịch (m).
H: chiều cao ống truyền nhiệt (m).
ρdds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3).
g: gia tốc trọng trường (m/s2); g = 9,81 m/s2.
Chọn h1 = 0,5m; H = 1,5 m.
Ta có: ρdds =


dd
2

Vì đây là quá trình cô đặc liên tục nên ρdds tra theo nồng độ trung bình của dung dịch:
xtb =

xñ − x c 10% + 33%
= 21,5 %
=
2
2

Tra bảng I.86, trang 59, [1] ta được: ρdd = 1089,58 kg/m3
1

 ρdds = ρdd = 544,79 kg/m3.
2

Ptb = Pthứ + [ (h1 +

𝐻
2

) . ρdds. g]



1,5 
2
 Ptb = 30783,564 +  0,5 +

 . 544,79 . 9,81 = 37464,051 (N/m ) = 0,382 (at)
2 


(1 Pa = 1 N/m2 = 10−5 bar = 10,197×10−6 at = 9,8692×10−6 atm)
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Nhiệt độ (oC)
68,7
75,4

Áp suất (at)
0,3
0,4

Theo công thức nội suy, tại áp suất 0,382 at, nhiệt độ sôi trung bình ứng với Ptb là:
11


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

ttb = tsi = 68,7 +

75,4 − 68,7
. (0,382 – 0,3) = 74,194 oC
0,4 − 0,3

Theo công thức ta có:
’’ = ttb - tsdd

Với:
ttb: nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (oC).
tsdd: nhiệt độ sôi của dung dịch (oC).
Mà ’ = tsdd - tsdm
 tsdd = ’ + tsdm
= 0,56 + 69,7 = 70,26 oC
 ’’ = 74,194 – 70,26 = 3,934 oC
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 3,934 oC.
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (thi)
Tổn thất nhiệt độ:
Σ = ’ + ’’ + ’’’= 0,56 + 3,934 + 1 = 5,494 oC
Hiệu số nhiệt đô giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi vào thiết bị
ngưng tụ là:
tch = tđ – tc = 131,57 – 68,7 = 62,87 oC (tc = tnt)
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
thi = tch - Σ = 62,87 – 5,494 = 57,376 oC
(Các công thức lấy từ trang 67,68 [2]).
Bảng 3.2 Tổng hợp số liệu tổn thất nhiệt độ ở nồi cô đặc

’ (oC)
0,56

’’(oC)
3,934

’’’(oC)
1

thi (oC)
57,376


tsi (oC)
74,194

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt lượng tiêu thụ do cô đặc (Q)
Theo công thức VI-3, trang 57, [2], ta có:
Q = Qđ + Qbh + Qtt

(3.1)

Trong đó:
Qđ: nhiệt lượng dùng đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (W).

12


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước (W).
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (W).
Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qđ)
Theo công thức VI.3, trang 57, [2], ta có:
Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ)
Trong đó:
Gđ = 2000 kg/h.
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ).
Theo trang 153, [1]: Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x (J/kg.độ)
- Ở t = 60oC, x = 10% thì:
C1 = 4190 – (2514 – 7,542.60).0,1
 C1 = 3983,852 J/kg.độ.
- Ở t = 69,7816 oC, x = 10% thì:
C2 = 4190 – (2514 - 7,542. 69,7816).0,1
 C2 = 3991,229 J/kg.độ.
Giải thích:
Trong quá trình đun nóng dung dịch tới nhiệt độ sôi, khi đó dung dịch chưa bốc hơi
nên nồng độ dung dịch không thay đổi và chính là nồng độ đầu của nguyên liệu bằng
10%.
Ở nồng độ 10%, tra theo đồ thị VI.2, trang 60, [2]:
’o = 0,1
’ = f.’o = 0,816.0,1 = 0,0816 oC
Mà: ’ = tsdd - tsdm
 tsdd = ’ + tsdm = 0,0816 + 69,7 = 69,7816 oC
Ctb =

C1 + C2 3983,852 + 3991,229
= 3987,5405 J/kg.độ
=
2
2

tsdd = 69,7816 oC
tđ = 60 oC
Qđ = Gđ.Ctb.(ts – tđ) = 2000. 3987,5405.( 69,7816 – 60) = 78009052,31 J/h (3.2)

13



ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)
Theo công thức VI-3, trang 57, [2], ta có:
Qbh = W.r
Trong đó:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 1393,939 kg/h
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,3139 at, J/kg
Tra bảng I.251, trang 314 [1]:
r.10-3 (J/kg)
2336
2320

P (at)
0,3
0,4
Dùng công thức nội suy, ta suy ra được:
r.10-3(0,3139at) = 2336 -

2320−2336
0,4−0,3

. (0,3139 – 0,3) = 2338,224 (J/kg)

 r(0,3139at) = 2338,224.103J/kg
Qbh = W.r = 1393,939. 2338,224.103 = 3259341624 J/h


(3.3)

Nhiệt lượng tổn thất (Qtt)
Chọn: Qtt = 5%Q

(3.4)

 thế (3.2), (3.3), (3.4) vào (3.1), ta được:
Q = Qđ + Qbh + Qtt = 78009052,31 + 3259341624+ 0,05Q
 Q = 3513000712 J/h = 975833,53 W = 975,83353 kW
Vậy nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc là 975,83353 kW.
3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc
Theo công thức VI-6a, trang 57, [2], ta có:
Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc:
D=

Q 3513000712
=
= 1615,395554 kg/h
r
2174,7.103

Trong đó:
Q: nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc (J/h); Q = 3513000712 J/h
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 2,9 at (J/kg); r = 2174,7.103 J/kg (theo
công thức nội suy dựa tra bảng I.251, trang 315, [1]).

14



ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo công thức VI-7, trang 58, [2], ta có:

d=

D 1614,395554
= 1,1589 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)
=
W
1393,939

Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,1589 kg hơi đốt.
Bảng 3.3 Bảng tổng hợp số liệu

G (kg/h)

x
(%)

2000,000
606,061

10
33

C

(J/kg.độ)
3987,5405

Cn
(J/kg.độ)

t
( C)

i
(J/kg)

4186,7

60,0
69,7

251,40
291,99

o

Giải thích:
Cn: tra bảng I.249 trang 310 [1]. (công thức nội suy)
i: tra bảng I.250 trang 312 [1]. (công thức nội suy)

15


o


( C)
131,5

W (kg/h)

1393,939


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: Trần Thị Thùy Linh

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC
4.1 NHIỆT TẢI RIÊNG PHÍA HƠI NGƯNG (q1)
Theo công thức V.101, trang 28, [2]:

 r 
1 = 2,04.A. 

 H.t1 

0,25

 q1 = 1.t1 (W / m 2 )

(4.1)

Trong đó:


1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng (W/m2).
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 2,9 at; r = 2174,7.103 (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt, với H = 1,5 m.
A: phụ thuộc nhiệt độ màn nước ngưng tm.
tm =

tD + tv
2

1

Với

t D , tv : nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ vách phía hơi ngưng.
1

A: tra bảng trang 29, [2]
4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)
Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi:
quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị,
hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.
Theo công thức VI.27 trang 71, [2]:

 
2 =  n .  dd 
 n 

0,565


   2  C     
.  dd  .  dd  .  n  
 n   Cn   dd  



0,435

(4.2)

Trong đó:

 n : hệ số cấp nhiệt của nước (W/m2.độ).
 n = 0,145.(t)2,33 .P 0,5 (công thức V.91, trang 26, [2]).
P = 0,3139 at = 30783,564 N/m2.
∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi (oC).
16

(4.3)