ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ   TÀI:  THIẾT   KẾ   THIẾT   BỊ   CÔ   ĐẶC   CHO 
DUNG DỊCH NƯỚC DỨA NĂNG SUẤT 3 TẤN/H


Thành phố Hồ Chí Minh 1/11/2016
LỜI MỞ ĐẦU
Mục tiêu của  đồ  án  “Thiết  kế  thiết  bị  cô  đặc  nước  dứa  năng  suất 
3 t ấ n /h” là thiết kế  hệ  thống cô đặc dứa từ  nồng độ  chất khô 15% đến 60% với 
năng suất 3 tấn/h đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.
Đồ án này đề  cập  đến  các  vấn  đề  liên  quan  đến  các  kiến  thức  cơ  bản  về 
quá  trình  cô  đặc dung dịch nước dứa,  quy  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.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống 
thiết  bị  phục  vụ  cho  nhiệm vụ  kỹ thuật là  một  yêu  cầu  không thể  thiếu đối  với 
một kỹ  sư công nghệ thực phẩm. Do đó để trở thành một người kỹ  sư thực thụ, 
cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ 
Hóa­ Thực phẩm. Ngoài ra,  việc  giải các  bài toán công nghệ, hay thực hiện công 
tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với 
một kỹ sư trong tương lai.
Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên 
có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ 
là nguồn động viên và khích lệ  đối với em, để  những lần thiết kế sau được thực 
hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cám ơn!


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...........................................................................................1

CHẤT......................................................................11
CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC........................................................19
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHI TIẾT THIẾT 
BỊ.......................................25
CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 
PHỤ................................................................40


THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHO DUNG DỊCH NƯỚC DỨA
NĂNG SUẤT THIẾT BỊ LÀ 3 TẤN/H
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về dứa
1.1. Nguồn gốc
Dứa có tên khoa học là Annas comusmin là loại quả  nhiệt đới.  Chi này có 
nguồn gốc từ khu vực Nam Mỹ và được đưa tới các đảo khu vực Caribe nhờ những  
thổ dân Anh điêng Carib. Năm 1493, Christopher Columbus lần đầu tiên đã nhìn thấy 
các loại cây của chi này tại Guadeloupe. Các cánh đồng trồng dứa thương phẩm 
được thành lập tại Hawaii, Philippines, Đông Nam Á, Florida và Cuba. Dứa đã trở 
thành một trong những loại cây ăn trái phổ biến nhất trên thế giới.  (Morton& Julia 
F, 2011 ).
Ở  nước ta dứa được trồng nhiều  ở  Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Giang, Bắc  
Ninh,   Tuyên   Quang,   Thanh   Hoá,   Nghệ   An,   Tây   Ninh,   Kiên   Giang.  
(khoahocchonhanong.com)
1.2. Những đặc tính chủ yếu
Dứa có các lá gai mọc thành cụm hình hoa thị. Các lá dài và có hình dạng  
giống mũi mác và có mép lá với răng cưa hay gai. Hoa mọc từ phần trung tâm của 
cụm lá hình hoa thị, mỗi hoa có các đài hoa riêng của nó. Chúng mọc thành cụm hình  
đầu rắn chắc trên thân cây ngắn và mập. Các đài hoa trở thành mập và chứa nhiều 
nước và phát triển thành một dạng phức hợp được biết đến như  là quả  dứa (quả 

giả), mọc ở phía trên cụm lá hình hoa thị.
1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam
Dứa Victoria (dứa tây, dứa hoa) có các giống:
Dứa hoa Phú Thọ: thuộc nhóm Queen, trồng được nơi đất chua xấu. Lá có 
nhiều gai và cứng, quả nhỏ, thịt quả vàng đậm, thơm, ít nước, giòn.
Dứa Na hoa: lá ngắn và to, quả  to hơn dứa hoa Phú Thọ, phẩm chất ngon,  
năng suất cao.
Dứa Cayen: lá chỉ có ít gai ở đầu mút lá, lá dài cong lòng máng, quả to, khi chưa  
chín quả màu xanh đen, khi chín chuyển màu da đồng. Quả nhiều nước, thịt vàng 
ngà, mắt dứa to và nông, vỏ mỏng, thích hợp với đóng hộp.

4


Dứa ta thuộc nhóm Red Spanish: chịu bóng rợp, có thể  trồng xen trong vườn  
quả, vườn cây lâm nghiệp. Dứa Cayen trồng phổ biến ở Tam Điệp, Ninh Bình.
Dứa ta (Ananas comosus var spanish hay Ananas comosus sousvar ­ red spanish) 
là cây chịu bóng tốt, có thể trồng ở dưới tán cây khác. Quả to nhưng vị ít ngọt
Dứa mật (Ananas comosus sousvar ­ Singapor spanish) có quả  to, thơm, ngon, 
trồng nhiều ở Nghệ An và Thanh Hóa
Dứa tây hay dứa hoa (Ananas comosus queen) được du nhập từ 1931, trồng nhiều 
ở các đồi vùng Trung du. Quả bé nhưng thơm, ngọt
Dứa  không   gai   (Ananas   comosus cayenne)   được   trồng   ở Nghệ   An, Quảng 
Trị, Lạng   Sơn.   Cây   không   ưa   bóng.   Quả   to   hơn   các   giống   trên. 
(khoahocchonhanong.com)
1.4. Giá trị dinh dưỡng
Trong 100g phần ăn được của dứa cung cấp:
Năng lượng: 202 kJ (48 Kcal)
Carbohydrates: 12,63g
Chất béo: 0.12 g

Protein: 0.54 g
Vitamins:
Thiamine (B1): 0.079 mg
Riboflavin (B2): 0.031 mg
Niacin (B3): 0.489 mg
Pantothenic acid (B5): 0.205 mg
Vitamin B6: 0.110 mg
Folate (B9): 15 µg
Vitamin C: 36,2 g
Chất khoáng:
Calcium: 13 mg
Sắt: 0.28 mg
5


Phospho: 8 mg
Magnesium: 12 mg
Kali: 115 mg
Kẽm: 0.1 mg
(Nutritiondata.com)

1.5. Lợi ích của dứa
Hỗ  trợ  hệ  miễn dịch: vitamin C  trong dứa  có chức năng chính như  một chất 
chống oxi hóa tan trong nước của cơ thể, giúp cơ  thể  chống lại các gốc tự  do.  
Điều này khiến cho dứa trở  nên vô cùng hữu dụng trong việc chống lại những 
bệnh lý như bệnh tim, xơ vữa động mạch và đau khớp.
Làm xương chắc khỏe: Dứa  chứa gần 75% lượng mangan (một khoáng chất 
quan trọng) cần thiết cho cơ  thể, có vai trò quan trọng trong việc phát triển 
xương và các mô liên kết. Do đó, dứa là một lựa chọn hoàn hảo cho những  
người lớn tuổi có xương đang ngày trở nên giòn hơn.

Thúc đẩy quá trình tiêu hóa: Giống như  nhiều loại rau và quả  khác, dứa chứa  
nhiều chất xơ  giúp tiêu hóa. Thêm vào đó, dứa  còn  chứa một lượng đáng kể 
bromelain, một loại enzym phân hủy protein, từ đó đẩy nhanh quá trình tiêu hóa.
Chống viêm: Bromelain cũng đã được chứng minh là có đặc tính chống viêm, có  
thể giúp làm giảm nguy cơ đau khớp và sưng tấy. Viêm quá mức có thể dẫn tới 
một loạt các bệnh nguy hiểm, bao gồm cả  ung thư, và theo một số  nhà dinh  
dưỡng   học   thì   bromelain   có   thể   giúp  phòng   ngừa   bệnh.   Tuy   nhiên,   chưa   có  
nghiên cứu cụ  thể  về  việc liệu bromelain trong dứa có kết quả  tương tự  hay  
không.
Giảm đông máu: Bromelain có thể  ngăn ngừa hình thành máu đông, khiến cho  
dứa trở thành món ăn cực tốt cho người có nguy cơ bị đông máu.  (Morton& Julia 
F, 2011 ).
6


1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc

7


2. Tổng quan về phương pháp 
2.1. Khái niệm cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất 
tan không bay hơi,  ở nhiệt độ  sôi và áp suất tương  ứng. Trong công nghệ  hoá học 
và thực phẩm cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích:
Làm tăng nồng độ chất tan
Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh)
Thu dung môi ở dạng nguyên chất
Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch  ở 
dạng hơi còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi. Do đó nồng độ của 

dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp này  
cùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ, ở mỗi nhiệt độ. Hơi của dung môi tách ra 
trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ  ở nhiệt độ  cao có thể  đun nóng một  
thiết bị khác.

8


Cô đặc được tiến hành  ở  nhiệt độ  sôi,  ở  mọi áp suất như: áp suất chân  
không, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô 
đặc một nồi, hay trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi. Quá trình cô đặc có thể 
gián đoạn hay liên tục.
Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị  một lần rồi cô đặc đến  
nồng độ  yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để  giữ  mức dung 
dịch không đổi đến khi nồng độ  dung dịch trong thiết bị  đã đạt yêu cầu sẽ  lấy ra 
một lần, sau đó lại cho dung dịch mới để cô đặc.
Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi, dung dịch và hơi 
đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể 
thực hiện  ở  áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ  thuật. Khi làm việc  ở  áp suất  
thường thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín 
cô đặc trong chân không vì có  ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ  sôi của 
dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa 
là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi. Với cô đặc một nồi 
thường được  ứng dụng khi năng suất nhỏ  và nhiệt năng không có giá trị  kinh tế.  
Còn cô đặc nhiều nồi là quá trình sử  dụng hơi thứ  thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa 
kinh tế cao về sử dụng nhiệt. (Nguyễn Tấn Dũng, 2015)

2.2. 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 bằng áp suất tác dụng  
lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ 
tách ra dạng tinh thể  đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để  tăng 
nồng độ  chất tan. Tùy 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 phải  
dùng đến máy lạnh.

9


2.3. Phân loại và ứng dụng
2.3.1. Theo cấu tạo
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc 
điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất.
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:
Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); Có thể  có  ống tuần  
hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài
Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi).
Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) đối với nhóm này 
thường có hai loại như sau:
Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. 
Loại 4: có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, loại này thường cũng có hai loại:
Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể  có buồng đốt trong hay buồng đốt 
ngoài.
Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài.
Phạm vi ứng dụng

a) Nhóm 1:

TBCĐ nhóm 1 chủ yếu dùng để cô đặc dung dịch khá loãng có độ  nhớt thấp, đảm 
bảo sự  tuần hoàn tự  nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề  mặt truyền nhiệt. Tỷ  số 
giữa chiều dài của  ống truyền nhiệt với đường kính của nó: H/d dưới 50. Đặc 
điểm loại ống ngắn H/d <30
b) Nhóm 2:

TBCĐ nhóm 2 có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch, tốc độ  chuyển động  
của dung dịch từ (1.5÷3.5) m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính của  
nhóm này là tăng cường hệ thống truyền nhiệt K; dùng được cho các dung dịch khá 
đặc sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần bề mặt  
truyền nhiệt. Có loại dùng cánh khuấy đặt  ở  trung tâm buồng đốt để  tuần hoàn 
dung dịch.
10


c) Nhóm 3:

TBCĐ nhóm này chỉ  cho phép dung dịch chảy màng (màng mỏng hay màng hơi 
mỏng) qua bề  mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để  tránh sự  tác dụng 
nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch (chẳng hạn như dung  
dịch sinh tố, nước quả ép, dung dịch lên men, sữa,..).(Nguyễn Tấn Dũng, 2015)
2.3.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị  hở): có nhiệt độ  sôi, áp suất không đổi. 
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ  mức dung dịch cố định để đạt năng 
suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ  dung dịch đạt 
được là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ  sôi dưới 100oC, áp suất 
chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.

Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi. 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 kết hợp điều 
khiển tự động.( Phạm Văn Bôn&Nguyễn Đình Thọ,2006).
2.4. Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều
Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ nhất của nồi này vào 
đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch 
đi vào lần lượt từ  nồi nọ  sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một  
phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt  
độ  giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là phải có chênh lệch áp suất 
giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi. Nghĩa là, áp suất làm việc trong các nồi phải 
giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. 
Cô đặc hai nồi có hiệu quả  kinh tế  cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi.  
Vì nếu ta giả thiết rằng cứ một kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được một  
kg hơi thứ. Như vậy cứ một kg hơi đốt đi vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg  
hơi thứ  tương  ứng với số  nồi trong hệ  thống cô đặc. Hay nói cách khác là lượng  
hơi đốt làm bốc hơi một kg hơi thứ  tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ, khi cô đặc hai  
nồi: một kg hơi đốt vào nồi đầu sẽ  làm bốc hơi một kg hơi đốt của nồi đầu: một  
kg hơi thứ  này sẽ  đưa sang nồi thứ  hai cũng làm bay hơi được 1 kg hơi thứ  nữa.  
Như vậy, đối với hệ thống cô đặc hai nồi, ta được 2 kg hơi thứ. Vậy lượng hơi đốt 
tính cho một kg hơi thứ là 0.5 kg.( Phạm Văn Bôn& Nguyễn Đình Thọ, 2006)
11


Ưu điểm: 
Dung dịch tự  di chuyển từ  nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất  
giữa các nồi.
Cô đặc hai nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. 

Khuyết điểm
Nhiệt độ của dung dịch  ở các nồi sau  thấp dần, nhưng nồng độ  của dung dịch sau  
lại tăng dần làm cho độ  nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả  là hệ  số  truyền  
nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
2.5. Vật liệu và phương pháp
Dứa là nguyên liệu có độ nhớt cao, có nhiều váng cặn, ta chọn thiết bị cô đặc  
có  ống tuần hoàn trung tâm, 2 nồi, làm việc liên tục. Thiết bị  cô đặc dạng này có  
cấu tạo đơn giản, dễ  sửa chửa, làm sạch. Đồng thời, có thể  tận dụng triệt để 
nguồn hơi. Quá trình cô đặc được tiến hành ở  áp suất chân không nhằm làm giảm 
nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi 
của chất tan. Nhưng tốc độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp.

I.

Dung dịch

II.

Sản phẩm

III.

Hơi đốt

IV.

Nước ngưng

V.


Hơi thứ

1. Phòng đốt
12


2. Ống truyền nhiệt
3. Ống tuần hoàn trung tâm
4. Phòng phân ly

5. Bộ phận tách bọt
3. Quy trình của hệ thống

Dung dịch từ  bể  chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ  bồn cao vị 
dung dịch chảy qua lưu lượng kế để  đo thể  tích cần qua thiết bị  gia nhiệt rồi vào 
nồi cô đặc I, sau khi đo xong tiến hành khóa van vào lưu lượng kế mở van khác dẫn  
dung dịch đi vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu và dòng dung dịch được gia nhiệt 
đến nhiệt độ  sôi rồi đi vào nồi cô đặc I để  thực hiện quá trình bốc hơi. Tại nồi  I 
nước trong dung dịch đường dưới tác dụng nhiệt độ  từ  từ  bốc hơi  ở  buồng bốc,  
nồng độ dung dịch đường trong hỗn hợp lỏng dần tăng lên khi đạt tới nồng độ  yêu 
cầu, thì dung dịch từ nồi I sẽ chảy qua nồi II do sự chênh lệc áp suất ở cả 2 nồi tạo 
ra ( áp suất có xu hướng đi từ  cao đến thấp). Hơi thứ  bốc lên ở  nồi  I là hơi nước 
bão hòa trong dung dịch đường sẽ  theo  ống dẫn đi vào buồng đốt của nồi cô đặc 
thứ  hai và trở  thành hơi đốt cho nồi thứ   II cung cấp nhiệt lượng cho nồi  II. Dòng 
dung dịch đi từ dưới đáy nồi  I vào nồi II, tại nồi II ta tiến hành hút chân không tạo 
áp suất thấp hơn môi trường để tiến hành quá trình cô đ ặc, dung dịch tiếp tục được 
cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bay hơi tiếp diễn cho đến khi nồng độ 
13



dung dịch đường đáp ứng yêu cầu. Sau khi sản phẩm đạt nồng độ ta dùng bơm bơm  
dung dịch ra ngoài bể  chứa sản phẩm . Hơi thứ  và khí không ngưng  ở  nồi   II  sẽ 
được hút vào thiết bị  ngưng tụ  Baromet, một phần ngưng tụ  thành lỏng chảy ra  
ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ  phận tách bọt để  tách các hạt lỏng ra  
khỏi khí và đi ra ngoài môi trường.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc trong hệ  thống: Phần dưới của thiết bị là 
buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch  
đi trong ống, hơi đốt sẽ đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt  
động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn  
hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt  
trên một đơn vị thể tích dung dịch trong đó sôi ít hơn ( có nhiệt độ thấp hơn) so với 
dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi đó dung dịch sẽ có khối lượng riêng lớn hơn  
và tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt, kết quả 
là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn của dung dịch trong thiết bị. Để  ống tuần 
hoàn trung tâm hoạt động hiệu quả  dung dịch chỉ  nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7  
chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi  
dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ  phận tách giọt để  tách những giọt lỏng ra  
khỏi hơi thứ.
Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 4 at. Hơi thứ ngưng tụ theo 
ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả 
ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng. (Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, 2006).

14


CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu

Năng suất nhập liệu: GD = 3000 kg/h
Nồng độ nhập liệu: xD = 15%

Nồng độ cuối của sản phẩm: xC = 60%
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất
             GD . xD = GC . xC
 GC = = = 750 (kg/h)

Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống
Áp dụng công thức: W = GD . (1 ­ ) , kg/h
 W = 3000.(1 ­ ) = 2250 (kg/h)

Giả thiết phân bố hơi thứ trong các nồi
Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : = 1,2
Khi đó ta có hệ phương trình 
= 1,2 (1)
W1 + W2 = W = 2250 (kg/h) (2)
Từ (1) và (2) giải hệ ta có:
W1 = 1227,27 kg/h
W2 = 1022,73 kg/h
Xác định nồng độ dung dịch từng nồi
15


Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
x'C = = =25,38
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
x"C =  = = 60 (%)
2. Cân bằng nhiệt lượng
2.1.

Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi


Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
Chọn áp suất trong thiết bị ngưng tụ Baromet :0,2  at
Ta có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ: Tng = 59,7 oC
Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là 4 at
Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt của nồi 1 và áp suất trong thiết bị ngưng 
tụ baromet là:
P = P1 – Png = 4 – 0,2 = 3,8 (at)
Giả sử chia đều tổng chênh lệch áp suất cho 2 nồi, mỗi nồi có chênh lệch:
pi = =1,9 (at)
Chọn hệ số f ở các nồi: f1=1,13; f2=0,98
Chênh lệch áp suất làm việc trong các nồi:
p1=f1. pi = 1,13×1,9=2,147 (at)
p2=f2. pi = 1,9×0,98= 1,862 (at)
Ở nồi 2: p2: 0,2 (at)
Ở nồi 1: p1=0,2+1,862=2,062 (at)
Áp suất hơi đốt nồi 1: 2,062+2,147=4
Theo bảng hơi nước ta xác định nhiệt độ hơi thứ bão hòa và ẩn nhiệt tạo thành  
hơi thứ của từng nồi:

16


Nồi i

Nhiệt độ hơi thứ bão hòa  Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg)
(oC)

Nồi 1

120,54


2205

Nồi 2

59,7

2357

Hơi đốt nồi 1

142,9

2131

2.2.

Loại

Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Nồi 1

Nồi 2

Tháp ngưng tụ

Áp   suất  Nhiệt   độ  Áp   suất  Nhiệt   độ  Áp 
(at)
(oC)

(at)
(oC)
suất 
(at)
Hơiđốt P1= 4

T1=142,9

P2=2,062

T2=120,54

Hơithứ P'1=2,062

T'1=120,54

P'2=0,2

T'2=59,7

2.3.

Nhiệt   độ 
(oC)

Png=0.2 Tng=59,7

Xác định nhiệt độ tổn thất

Tổn thất nhiệt độ  trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do  

áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ '

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ 
sôi của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi 
là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:
Theo Tiaxenko: ' = o'f
Mà f = 16.2.  (0C)
Trong đó:
17


0': tổn thất nhiệt độ do tsdd>tsdm ở áp suất thường
f: hệ  số  hiệu chỉnh vì thiết bị  cô đặc làm việc  ở  áp suất khác với áp suất 
thường
ri: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t’i, J/kg
t'i: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i, oC
Từ hình VI.2/60 sách sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2
Nồi 1: với nồng độ cuối là 25,38%=> 0' = 0,88
Nồi 2: với nồng độ cuối là 60%=> 0'= 2,6
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng 
độ  dung dịch sôi gần với nồng độ  cuối (xC) do đó ' lấy theo nồng độ  cuối dung 
dịch
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ '
Nồi 1: '1='0×16,2×  = 0,88×16,2×  = 1,001oC
Nồi 2: '2=2,6×16,2× = 1,978oC
Tổng 2 nồi Σ'='1+'2= 1,001+1,978=2,98oC

xC (% kl) o' (oC)


Ti '(oC)

η.10­3 
(J/kg)

i' (oC)

Nồi 1

25,38

0,88

120,54

2205

1,001

Nồi 2

60

2,6

59,7

2357


1,978

Tổng   2  Σ'=1' + 2' = 2,98 oC
nồi

2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (")

Theo bảng I.86 sách sổ  tay tập 1/59 xác định khối lượng riêng cua dung dịch 
đường tại 20oC
18


Nồng độ (%)

ρ1= (kg/m3)

25,38

1107,15

60

1288,73

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:
P = ρs.g.Hop (N/m2)
Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd
ρdd: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)
Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).
 Hop = [0,26 + 0,0014(ρdd – ρdm))].Htt


Chọn Htt=1,8m
Nồi 1:
Hop= [0,26+0,0014(1107,15­998)]×1,8= 0,743(m)
Ptb= P1'+0,5ρdd.g.Hop= 2,062 + =2,083 (at)
Ở p1'=2,062 at, ts= 120,54oC
ptb= 2,083 at, ts= 120,84oC
"1= 120,84 ­120,54= 0,3oC
Nồi 2:
Hop= [0,26+0,0014(1288,73­998)]×1,8= 1,2 (m)
Ptb= P2'+0,5ρdd.g.Hop=0,2 + =0,239(at)
Ở p2 = 0,2 at, ts= 59,7oC
Ptb=0,239 at, ts= 63,5oC
"2= 63,5­59,7=3,8oC
Tổng tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh:
Σ"= 0,3+3,8=4,1oC
19


2.3.3. Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ  trên các đoạn  ống dẫn dây thứ  từ  nồi này sang 
nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1oC. Do đó:
"'1 = 1oC
"'2=1 oC
 Σ"'='''1+'''2=2oC
2.3.4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc

Σi='+''+'''= 2,98 + 4,1+2= 9,08 oC
2.4.


Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở các nồi

Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống:
t= TD­tc=142,9­59,7=83,2oC
Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích của hệ thống là
Σti=t­Σi=83,2­9,08=74,12oC
2.5.

Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi

Nồi 2: t2= 59,7+1+1,978+3,8=66,478oC
Nồi 1: t1= 120,54+1+1,001+0,3=122,841oC
2.6.

Tính các hệ số truyền nhiệt của các nồi

Theo nhiệt độ sôi và nồng độ trong các nồi đã tính được, ta xác định các thông 
số vật lý và hóa lý của dung dịch (khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt  
dung riêng)
Chọn đường kính ống và chiều dài
Tính hệ số truyền nhiệt của các buồng đốt (một bên hơi nước ngưng tụ, một 
bên dung dịch sôi) có chú ý lớp cặn bám ở ống chừng 0,5 mm
2.7.

Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

C= 4190 – (2541 – 7,542.t).x (J/Kg.độ)
20



Trong đó t: nhiệt độ của dung dịch
x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng.
Ban đầu: Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td=114,806, x=15%)
Cd=4190 – (2541 ­7,542.114,806).0,15=3942,78 (J/kg.độ)
Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1=114,806, x= 20%)
C1= 4190 – (2514 – 7,542.114,806).0,2=3860,37 (J/kg.độ)
Nồi 2: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (ts2= 75,24,x=30%)
C2= 4190 – (2514 – 7,542.75,24).0,3=3606,04 (J/kg.độ)
2.7.1. Nhiệt lượng riêng

Gọi D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
Gđ, Gc lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)
I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2
i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2
Cd, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)
tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch oC
θ1,θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC
Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (W)
Nhiệt lượng vào gồm có:
Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D1I1
Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ­W2).C2.ts2
Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2
Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ
Nhiệt mang ra gồm:
21


Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W1i1

Do dung dịch mang ra: (Gd – W) C1.ts1
Do hơi nước ngưng tụ: D1Cng1θ1
Do tổn thất chung: Qtt1=0,05D(I1 – Cng1θ1)
Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W2i2
Do dung dịch mang ra: (Gd­W2)C2ts2
Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2θ2
Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2­Cng2θ2)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1: D1I1 + (Gđ­W2)C2ts2=W1i1 + (Gđ­W)C1ts1+D1Cng1θ1+0,05D1(I1­Cng1θ1) (1)
Nồi 2: D2I2+GđCđtđ = W2i2+(Gđ­W2)C2ts2+D2Cng2θ2+0,05D(I2­Cng2θ2) (2)
Với D2I2= W1i1; W=W1+W2
Ta có: (2) W1 (0,95i1­C2ts2+i2­0,95Cng2θ2)=Wi2+(Gđ­W)C2ts2­GđCđts2
W1= 
Thông số tính toán
Hơi thứ

Dung dịch

Hơi đốt
t(oC)

I (J/kg)

Cn 
(J/kg.độ
)

T (oC)

i(J/kg)


C(J/kg.độ
)

Ts (oC)

Nồi 1

142,9

2730,2

4284,9

109,42

2704

3860,37

114,806

Nồi 2

108,42

2594,8

4228,3


60,7

2647,6

3606,04

75,24

     Với θ1=thd1; θ2=thd2
  

Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
W1= 
= 762.401 (kg/h)

22


Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:
W2= W – W1 = 1500­762.401= 737.599 (kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu dùng:
= 1117.101(kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo công thức
m= = =0.745 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Trong đó: D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/h)
W: lượng hơi thứ thoát ra kh
i cô đặc (kg/h)

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Tính buồng bốc:

3.1.

Do lượng hơi thứ bốc lên ở hai nồi xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi II nhỏ hơn 
nên khối lượng riêng của hơi nồi II sẽ nhỏ hơn nồi I  thể thích hơi thoát ra ở nồi II 
sẽ lớn hơn nồi I, nên ta chỉ tính nồi II từ đó cũng chính là kích thước nồi I.
Vận tốc hơi (Wh ) của hơi thứ trong buống bốc phải thông qua 70­80% vận tốc 
lắng .
        W0 = (m/s)  (Công thức trong [5]  / 276).
Trong đó  và  là khối lượng riêng của giọt lỏng và hơi thứ (kg/m3).
Ở t0 = 75,4 = 974.56 (kg/m3 )
 = 0.2457 (kg/m3).
d là đường kính giọt lỏng, chọn d = 0.0003 .
ε là hệ số trở lực. 
0.2 < Re < 500 → ε = 0.44 
Với Re = 
23


Chọn đường kính buồng bốc Db = 1400mm. 
Diện tích buồng bốc: Fb = = = 1.54 m.
Lượng thể tích: Vb =  = 0.65 (m/s).
Vận tốc hơi: h = = = 0.422 (m/s).
Chuẩn số Re: = =2.83
Vì 0.2< Re =2.83  <500 → ε =  =  = 9.91
Vận tốc lắng:
W0 =  =  = 1.25 (m/s)
Wh = 0.422 (m/s), W0 = 1.25 (m/s) →thỏa điều kiện 
Chiều cao buồng lắng:

Ut’’  (1600 ­ 1700 m3 / m3h ) chọn  Ut’’=1600 (m3 / m3 h) : cường độ bốc hơi thể 
tích 
Áp suất của hơi thứ có ảnh đến cường độ bốc hơi thể tích Ut:
Ut= f * Ut’( 0.4 at)
Dựa vào đồ thị VI. 3 [2]/72 ở P = 0.4 at → f = 0.85 
Ut = f * Ut’= 0.85 * 1600=1360 (m3/ m3 h)
Thể tích không gian hơi: Vb= =  = 1.75 m3.
Chiều cao buồng bốc Hb = = = 1.1 (m).
Do quá trình cô đặc có hiện tượng dung dịch sôi nên chọn Hb cao hơn tính toán.
Hb’ = Hb + 0.6 = 1.1 + 0.6 = 1.7 m 
Chọn chiều cao buồng bốc Hb = 1.8 m =1800 mm. 
4.1.

Tính Buồng Đốt:

4.3.1.

Xác định ống truyền nhiệt:

n =
F: bề mặt truyền nhiệt. 
24


І = H = 1.5 m chiều dài ống truyền nhiệt. 
D: đường kính ống truyền nhiệt.
Chọn loại ống có đường kính 38 * 2mm → d = 38 ­ (2*2) = 34 mm.
Vậy số ống truyền nhiệt n =  == 124.89 ống.
Dựa vào bảng V 11.2 /48b (sắp xếp  ống theo hình sáu cạnh kiểu bàn cờ) chọn  
số ống = 127 ống .

4.3.2.

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:

Dth=
Trong trường hợp đối lưu tự nhiên ta chọn Fth = 0.3 FD
Với FD =là diện tích tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt .
Fth = 0.3 FD = 0.3 *= 0.3 * = 0.12 m2
Vậy Dth= =  = 0.39 m
Chọn Dth= 0.4 m = 400 mm.
4.3.3.

Đường kính buồng đốt:

Pbđ =2.6 + * 
2.6+
Trong đó Dbđ đường kính trong buồng đốt.
Dn  là đường kính ngoài buồng đốt.
hệ số thường  =1.3
Dth đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm. 
Dth = 400 +8*2 = 416 mm =0.416 m.
 F: diện tích bề mặt truyền nhiệt.
Thay vào ta có:
2.6+=
=21.61→ Dbđ = 21.61 *0.038 = 0.82 m 
25