TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC,
NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 20 TẤN/H.

Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN HỮU QUYỀN
Sinh Viên Thực Hiện:
Nguyễn Huỳnh Xuân Vi

2005150076

Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh

2005150172

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8, NĂM 2018.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

1


MỤC LỤC

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

2

DANH MỤC BẢNG BIỂU

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và
Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công
nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua
việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể,
thông dụng.
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu
cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã
được thiết lập nhằm đáp ứng nhu cầu này. Tuy nhiên nó chỉ là các hoạt động sản xuất một
cách đơn lẻ, năng suất thấp các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau
đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta, ngành công nghiệp mía đường
đã có bước nhảy vọt rất lớn. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho
các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa.... đồng thời tạo ra phế liệu quý với giá rẻ cho
các ngành sản xuất như rượu.... Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn
nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và
tiêu thụ sản phẩm. Vì tính quan trọng vấn đề được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảo
bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Vì những lý do trên việc cải tiến sản xuất nâng cao,
mở rộng nhà máy đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu suất của các quá trình
là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị ngay từ bây giờ.
Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một sinh viên đảm nhận nên
thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất

mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức
chuyên môn. Chúng em chân thành cảm ơn.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

4


PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I.
-

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch nước mía.
+ Năng suất nhập liệu 20000kg/h
+ Nồng độ đầu: 20% khối lượng
+ Nồng độ cuối: 40% khối lượng
+ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,76 at
+ Áp suất hơi bão hòa P = 2 ati

- Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.
- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (chọn)
II.
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu
cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được
thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn
lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây
khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía
đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp
các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm
nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phế liệu là
nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu…
Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu
tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất phát
từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ
và không chế biến kịp thời.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

5


Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả
sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất
nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưng với sự
phát triển rộng của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc cung
cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu,
thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi
mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp
bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu
tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể
xem thường.
III.
KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC
1. Định nghĩa


Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung
dịch gồm 2 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 – hóa lý. Tùy 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.
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 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. 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 ta phải
dùng máy lạnh.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

6


3. 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 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.
4. 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 hóa chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối
vô cơ.... Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa 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.
5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

Hiện nay phần lớn các nhà máy sản xuất hóa 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 chỉ là một
hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với
sự phát triển 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. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc
chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

7



IV.
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1. Phân loại và ứng dụng
1.1 Theo cấu tạo
- 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)
-

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:
+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

-

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 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.
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.

1.2 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.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

8


-

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 đặc chân không, cô đặc áp
lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ

-

cho mục đích khác để nâng cao hiểu 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 nay chưa có cảm biến đủ tin cậy.
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. Tùy 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.
2. Các thiết bị và chi tiết 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
+ 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 và bồn cao vị.
+ Bơm tháo liệu.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

9


+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.
+ Bơm chân không.
+ Các van.
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất...

LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH MÍA ĐƯỜNG

V.

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta
lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn
trung tâm.
Mục đích
-

Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (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, khống chế 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.
Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

10


Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Phân bố hơi đều.
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.

-

PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn
cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và

được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ,
đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các
đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là
hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới
lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp
nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau
khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi
nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra
ngoài.
 Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống
tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong
khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho
dung dịch đang chuyển dộng trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên
xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dung
môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài.
 Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

11


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 truyền nhiệt lớn hơn so với
trong 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 2 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 (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất
làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn
dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành
lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên
trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi
thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ
giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không duy trì áp suất
chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được
lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không
cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn
theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

12


Bơm chân không có nhiệm vụ hút không ngưng ra ngoài đế tránh trường hợp
khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong
thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.


GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

13


PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÊ THIẾT BỊ CHÍNH
I.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Dữ kiện ban đầu

Dung tích đường mía
Nồng độ nhập liệu xđ = 20% (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng)
Năng suất nhập liệu Gc = 20 tấn/h = 20000 kg/h
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,76 at
⇒ Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,76 = 0,24 at.
− Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 2,0 ati.
−
−
−
−

Vậy Pdư = 2,0at
⇒ Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,0 = 3,0 at.
− Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC
2. Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (Gc)
Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:
Gđ.xđ = Gc.xc

⇒
Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
Gđ = G c + W
⇒ W = Gđ – Gc = 20000 – 10000 = 10000 (kg/h)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

14


3. Tổn thất nhiệt độ
- Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c= 0,24 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta

có:
Áp suất tuyệt đối (at)

Nhiệt độ sôi (0C)

0,2
0,3

59,7
68,7

⇒ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 63,150C.
-

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị


-

ngưng tụ. Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296 [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm( P0) – tc =
Trong đó
tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng).
Mà tsdm( P0) =+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)
 tsdm( P0) = 63,15+1 =64,15 0C
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ (0C)
60
65

Áp suất (at)
0,2031
0,2550

Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 64,15 0C
P0 0,245 at

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

15


3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’)

Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có:
’ ’


[0C]

=

Trong đó:
’

’

: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.

f : hệ số hiệu chỉnh
f = 16,2.
Với
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K].
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất(at)
0,2
0,3

R
2358
2336

Tại P0 = 0,245at. Ta nội suy được: r = 2348,07 (J/Kg)
Với nồng độ cuối của dung dịch là 40% thì ’=1,3 ( vì khi cô đặc có tuần hoàn dung

dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch - Tra
theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] ).
’

= f.’= 0,7813.1,3 = 1,01

Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (’ ) là 1,010C.
⇒ tsdd(po)= tsdm(po) +∆’=64,15+ 1,01= 65,160C

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

16


3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

∆p=Hop N/m2
Trong đó:
ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m3
ρs=0,5. ρdd
ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Chọn tsdd. (p0+∆p) = 66oC, C% = xc = 40%, ta có = 1179,4 kg/m3( trang 60 [1])
⇒ ρs=0,5. 1179,4 = 589,7
⇒ Hop= [0,26+ 0,0014. ( pdd+ )]. ho
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2])
- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 660C
Tra bảng I.249 trang 311, [1], = 979,96 kg/m3
Hop= [0,26+ 0,0014. ( 1179,4 − 979,96)]. 1,5 = 0,809 m
∆p = . 589,7. 9,81.= 0,0239N/m2
⇒ ptb=p0+ ∆p= 0,245+ 0,0239= 0,269 at

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất (at)
0,2
0,3

Tsdm
59,7
68,7

Tại ptb=0,269at. Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) = 65,770C
Ta có:
∆’’ = tsdm(p0+∆p) − tsdm(p0) = 65,77− 64,15 = 1,620C
∆’’= tsdd(p0+∆p) − tsdd(p0)
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

17


⇒ tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 65,16 + 1,62 = 66,780C
Sai số chấp nhận. Vậy tsdd(ppt) = 660C
Sản phẩm lấy ra ở tại đáy ⇒ tsdd(p0+2∆p) = 65,16+ 2.1,01 = 67,20C
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 1,01 +1,62 +1 = 3,630C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3at, t D = 132,90C (bảng I.251,
trang 315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
Δthi = tD – (tc + ΣΔ)
⇒ Δthi = 132,9 – 63,15 – 3,63 = 66,120C
Thông số


Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ đầu

xđ

%wt

20

Nồng độ cuối

xc

%wt

40

Năng suất nhập liệu

Gđ

kg/h

20000


Năng suất tháo liệu

Gc

kg/h

10000

HƠI THỨ
Suất lượng

W

kg/h

10000

Áp suất

Po

at

0,245

Nhiệt độ

tsdm(po)


oC

64,15

Enthalpy

Iw

kJ/kg

2612,84

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rw

kJ/kg

2348,07

HƠI ĐỐT
Áp suất

pD

At

3

Nhiệt độ


tD

oC

132,9

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rD

kJ/kg

2171

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

18


TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po

tsdd(po)

oC

65,16

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ


Δ’

oC

1,01

Áp suất trung bình

At

0,269

oC

65,77

Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh

Ptb
tsdm(ptb
)
Δ’’

oC

1,62

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb


tsdd(ptb)

oC

66

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

Δ’’’

oC

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

ΣΔ

oC

3,63

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Δthi

oC

66,12


Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb

Bảng 1. Tóm tắt cân bằng vật chất
4. Cân bằng năng lượng
4.1 Cân bằng nhiệt lượng

Dòng nhiệt vào (W):
•

Do dung dịch đầu

•

Do hơi đốt

Gđcđtđ
Di "

•

Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

φDctD

D

Dòng nhiệt ra (W):
•

Do sản phẩm mang ra


•

Do hơi thứ mang ra

Gccctc
Wi "

•

Do nước ngưng

Dcθ

•

Nhiệt cô đặc

Qcđ

•

Nhiệt tổn thất

Qtt

W

Nhiệt độ của dung dịch đường mía 20% trước và sau khi qua thiết bị gia nhiệt:
•


tvào = 300C

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

19


•

tra = tsdd(po) = 65,160C
⇒ Nhiệt độ của dung dịch đường mía 20% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 65,16 0C
⇒ Nhiệt độ của dung dịch đường mía 40% đi ra đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po) + 2. ∆’’ = 65,16 + 2. 1,01 = 67,20C
(công thức 2.15, trang 107, [3])
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía ở các nồng độ khác nhau được tính theo

công thức (I.43) và (I.44) trang 153 [1]:
C = 4190 – (2514 – 7,542t)x, J/kg. độ
Trong đó:
t: nhiệt độ của dung dịch
x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng
•

xđ= 20%, tđ= 300C
⇒ Cđ= 4190 – ( 2514 – 7,542.30).0,2=3732,452 J/kg. độ

•


xc= 40%, tđ= 67,20C
⇒ Cc= 4190 – ( 2514 – 7,542.67,2).0,2=3387,13 J/kg. độ

4.2

Phương trình cân bằng nhiệt

 Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc QD

Theo công thức VI-3, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,
trang 57, ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt
Trong đó:
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

20

(1)


Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W.
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W.
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.
Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (QS)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ)

(2)


Trong đó:
Gđ = 20000 kg/h.
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ.
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ
Ở t = 30oC, x = 20% thì:

•

C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,2
⇒ C1 = 3732,452 J/kg.độ.

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 20%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang
60 [2]

0

C

Mà (tại áp suất P0)
0

•

C

Ở t = 64,3840C, x = 40% thì:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN


21


C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 64,384).0,4
⇒ C2 = 3378,63 J/kg.độ
⇒ Ctb = = = 3555,54 J/kg. độ

Thay tất cả vào (2) ta được:
⇒ Qđ = 1,223. 109 (J/h)

(3)

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Qbh = W. r = 10000. 2348,07.103 = 2,348.1010 (J/h)

(4)

Trong đó:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 10000 kg/h
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,245 at, J/kg
Tra bảng I.251, trang 314 [1]
Áp suất (at)
0,2
0,3

r. 10-3 (J/kg)
2358
2336


Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2348,07. 10-3 (J/kg).
Nhiệt lượng dùng để khử nước (QKN)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4,
trang 57:

Trong đó:
: nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng
độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W
: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W.
Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

(5)
22


Nhiệt lượng tổn thất (Qtt)
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295:
Chọn Qtt = 5%. QD

(6)

Thay (3), (4), (5) và (6) vào (1), ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt
QD = 1,223.109 + 2,348.1010 + 5%. QD
⇔ (1 – 0,005). QD = 2,47.1010
⇔ QD = 2,48.1010 (J/h) = 6888888,89(J/s)

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 6888888,89 J/s

 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức 5.22a, trang 295 [6]
,W
Do không có quá lạnh sau khi ngưng tụ nên

Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3 at, r = 2171.10 3 J/kg (tra bảng
I.251, trang 315 [1]).
Ta có QD = 6888888,89 (J/s)
ϕ: độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt
tập 5, quyển 1, trang 295.
⇒ (kg/s)
 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập5, quyển 1, trang 295 :

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

23


Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,15 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị


Nhiệt độ vào buồng bốc

Tđ

0C

65,16

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

Tc

0C

67,2

Nhiệt dung riêng dung dịch 18%

Cđ

J/(kg.K)

3732,45

Nhiệt dung riêng dung dịch 30%

Cc

J/(kg.K)


3387,13

Nhiệt tổn thất

Qtt

W

344444,44

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD

W

6888888,89

Lượng hơi đốt biểu kiến

D

kg/s

3,19

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

D


kg/kg

1,15

Bảng 2. Tóm tắt cân bằng năng lượng
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

II.

A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào
bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước
chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hòa
tinh khiết trên bề mặt đứng.
Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,
trang 28:
, W/(m2.K)

Trong đó
α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2.K).
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at, r = 2171.10 3 J/kg
(tra bảng I.251 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 315).
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

24



H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5m).
A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.
A: tra ở Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 29.
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 126,3250C⇒ =
129,6130C
Tra A ở [2] trang 28:
tm, 0C

100

120

140

A

179

188

194

⇒ A = 190,861
∆t1 = tD – tv1 = 132,9 – 126,325 = 6,5750C
⇒ , W/(m2.K) (1)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1 = α1.Δt1 = 8433,65.6,575 = 55451,25 W/m2.
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi


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]
W/(m2.K)
Trong đó:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

25

(2)