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 ÉP XOÀI HAI NỒI
LIÊN TỤC XUÔI CHIỀU,
NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018


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 ÉP XOÀI HAI NỒI
LIÊN TỤC XUÔI CHIỀU,
NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H.

Giáo viên hướng dẫn: PHAN THẾ DUY
Sinh viên thực hiện:
Võ Thụy Quỳnh Trân

2005150262

Võ Ngọc Thanh Trang

2005150243

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................3
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................4
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC......................5
I.

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN.......................................................................................5

II. GIỚI THIỆU VỀ XOÀI...........................................................................................5
1. Đặc điểm chung về cây xoài.................................................................................5
2. Thành phần hóa học có trong quả xoài.................................................................5
3. Giá trị sử dụng của xoài trong cuộc sống..............................................................6
III.

KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC..................................................................................6

1. Định nghĩa............................................................................................................6
2. Các phương pháp cô đặc.......................................................................................7
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt............................................................................7
4. Ứng dụng của sự cô đặc........................................................................................7
5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc..........................................................8
IV.

LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC XOÀI ÉP.....................8

PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.................................................9
PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH...........................................11
I.


CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG....................................................11
1. Dữ kiện ban đầu..................................................................................................11
2. Cân bằng vật chất................................................................................................11
3. Cân bằng năng lượng..........................................................................................12
4. Cân bằng nhiệt lượng..........................................................................................17

II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH...........................................................................20
A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC..................................20
1. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp.................................................................20
2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi :..............................................................20
3. Diện tích bề mặt truyền nhiệt..............................................................................28
GVHD: Phan Thế Duy

Page 1


B. TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC.....................................................................................30
1. Tính buồng bốc...................................................................................................30
2. Tính buồng đốt....................................................................................................31
3. Tính kích thước các ống dẫn...............................................................................33
C. TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ...................................................36
1. Tính cho buồng đốt.............................................................................................36
2. Tính cho buồng bốc............................................................................................38
3. Tính nắp:............................................................................................................. 41
4. Tính đáy:............................................................................................................. 42
5. Tính bích:............................................................................................................ 44
6. Bộ phận nối buồng đốt với buồng bốc:...............................................................45
7. Tính vỉ ống:........................................................................................................45
8. Tính tai treo:.......................................................................................................46
9. Tổng kết thiết bị chính........................................................................................49

D. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ................................................................................50
1. Thiết bị ngưng tụ Baromet..................................................................................50
2. Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu:.........................................................................55
3. Tính bồn cao vị:..................................................................................................58
4. Tính Bơm............................................................................................................60
5. Tính bơm tháo liệu ( ở nồi 2):.............................................................................64
6. Bề dày lớp cách nhiệt :........................................................................................65
KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT:.........................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................68

DANH MỤC BẢNG BIỂ

GVHD: Phan Thế Duy

Page 2


Bảng1. Thành phần hóa học có trong quả xoài..................................................................6
Bảng 2. Bảng tổng kết áp suất, nhiệt độ của hơi đốt, hơi thứ ở mỗi nồi...........................15
Bảng 3. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ tm.....................................................................22
Bảng 4. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ tm.....................................................................26
Bảng 5. Đường kính ống dẫn...........................................................................................36

GVHD: Phan Thế Duy

Page 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 nước ép quả đang dần phát triển mạnh mẽ. Theo nghiên cứu
mới nhất của Công ty Nghiên cứu Thị trường W&S, người tiêu dùng lựa chọn nước ép
thay cho nước ngọt có gas. Chính vì thế các cơ sở sản xuất nước ép lớn nhỏ trong nước
được xây dựng để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.
Bên cạnh đó, về phía nông nghiệp cây xoài đang được chú trọng tăng sản lượng để
cung cấp cho thị trường trong và ngoài nước. Việt Nam đứng thứ 13 về sản xuất xoài trên
thế giới.
Trong tương lai, ngành công nghiệp sản xuất nước ép quả sẽ còn có thể phát triển
hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây xoài 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: Phan Thế Duy

Page 4


PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
I.


NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

-

Thiết kế thiết bị cô đặc nước xoài ép hai nồi liên tục xuôi chiều.
 Năng suất nhập liệu: 2500 kg/h.
 Nồng độ đầu: 8% khối lượng
 Nồng độ cuối: 25% khối lượng
 Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu: 25oC
 Nhiệt độ của hơi thứ nồi cuối: 75oC
 Nhiệt độ của hơi nước bão hòa: 130oC

II.

GIỚI THIỆU VỀ XOÀI

1. Đặc điểm chung về cây xoài
-

Xoài – Mangifera indica L.

-

Thuộc họ Đào lộn hột – Anacardiaceae.

-

Xoài là cây ăn quả nhiệt đới, nguồn gốc ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp

ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia.

2. Thành phần hóa học có trong quả xoài
-

Quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B, C chiếm từ 2

-3%, đường chiếm 20% (là loại đường đơn được hấp thu hoàn toàn), Acid citric, Carotene
(tiền sinh tố A) 15%.
-

Qủa chứa nhiều carotene và vitamin B1, B2 và C. Hạch quả chứa nhiều tinh bột,

dầu và tanin. Lá chứa nhiều tanin và một số hợp chất flavonoid là mangiferin. Vỏ thân
chưa 3% tanin và mangiferin.
Bảng1. Thành phần hóa học có trong quả xoài
Giống xoài

Thành phần
%
Chất khô

1
18.80

GVHD: Phan Thế Duy

2
16.76

3
22.30


Page 5

4
12.67

5
20.07


Đường khử

3.72

3.56

3.27

-

3.16

Sacaroza

8.81

10.06

12.6


-

12.09

Acid

1.44

0.39

0.27

-

0.42

Protein

-

0.43

0.73

0.69

0.71

Lipid


-

-

-

0.08

0.15

Xenluloza

-

-

-

0.93

0.59

Tro

0.32

0.47

0.86


0.83

0.39

3. Giá trị sử dụng của xoài trong cuộc sống
Trong 100g phần ăn được của xoàn chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO,1976):
nước 86,5g ; glucid 12,9g ; protein 0,6g ; lipid 0,3g ; tro 0,5g ; các chất khoáng: Ca
10mg, P 15mg, Fe 0,3mg ; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0,06 mg, C 36 mg; cung
cấp 62 calo. 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, làn da
và thị lực; 46% nhu cauaf vitamin C. Quả xoài xanh thái mỏng, phơi khô hoặc sấy khô là
nguồn vitamin C thiên nhiên dồi dào.
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.
Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh

GVHD: Phan Thế Duy

Page 6



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.
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.

GVHD: Phan Thế Duy


Page 7


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.
IV.

LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC XOÀI ÉP
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng

em lựa chọn thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, có buồng đốt trong, sử dụng 2
nồi xuôi chiều liên tục.

 Ưu điểm của hệ thống
-

Thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch, sửa chữa

-

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm thích hợp dùng để cô đặc các dung

dịch có độ nhớt lớn, có thể có nhiều váng cặn.
-


Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục tận dụng được lượng hơi thứ, tiết kiệm

năng lượng và trong hệ xuôi chiều các nồi sau có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn các nồi
trước nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất. Giảm ảnh hưởng của
nhiệt độ đến sản phẩm cô đặc.

 Nhược điểm của hệ thống
-

Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ tăng dần làm cho

độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm dần từ nồi đầu
đến nồi cuối.

GVHD: Phan Thế Duy

Page 8


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
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

GVHD: Phan Thế Duy

Page 9


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.
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: Phan Thế Duy

Page 10


PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Dữ kiện ban đầu
Dung dịch nước xoài ép


-

Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu chọn là 25OC.

-

Nồng độ đầu xđ = 10%, nhiệt độ đầu của nguyên liệu chọn là 30oC

-

Nồng độ cuối xc = 60%.

-

Năng suất nhập liệu Gđ = 2500kg/h.

-

Áp suất hơi đốt vào nồi 1: P1 = 3,5 at.

-

Áp suất hơi ngưng tụ baoromet: Png = 0,5 at.

-

Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,5 at

 Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,5 = 0,5 at

Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1,8 at
2. Cân bằng vật chất
Suất lượng tháo liệu (Gc)
-

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất
Gđ.xđ = Gc.xc

 Gc = (kg/h)
 Năng suất Gc = 416.6 (kg/h).
Tổng lượng hơi thứ bốc lên ()
= Gđ (1- (kg/h).
-

Trong đó:
W: Lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h.
Gđ, Gc: Lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h.
xđ, xc: Nồng độ dung dịch đầu và nồng độ cuối dung dịch, % khối lượng.

GVHD: Phan Thế Duy

Page 11


Đối với từng nồi



Giả thiết lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và nồi 2: m =
 W1= W2 x 1,1

Mà W1+ W2 = 2083,3
 W1 = 1091,3
 W2 = 992

 Nồng độ cuối của dung dịch tại các nồi:

- Nồi 1:
=
- Nồi 2:
=
-

Trong đó:
x1, x2: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng.
W1, W2: Lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h
xđ: Nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng.
Gđ: Lượng dung dịch đầu, kg/h.

 Suất lượng dung dịch ở các nồi:
-

Nồi 1: Gd1 = Gd= 2500 kg/h

-

Nồi 2: Gd2 = Gc1 = Gd – W1 = 2500 – 1091,3 = 1408,7 kg/h
Gc2 = Gd2 – W2 = Gd - = 2500 – 2083,3 = 416,7 kg/h
3. Cân bằng năng lượng

 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:
-

Ta có: Áp suất hơi đốt vào nồi 1: P1 = 3,5 at.

-

Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,5 at.

GVHD: Phan Thế Duy

Page 12


Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống cô đặc:
3,5 – 0,5 = 3 at
Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi
-

Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là :

-

Trong đó
: Chênh lệch áp suất nồi 1 với nồi 2 và nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ; at.

- Kết hợp với phương trình:




 Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt:

Pi = Pi-1 - i-1
-

Nồi 1: P1= 3,5 at

-

Nồi 2: P2= P1 - = 3,5 – 1,85 = 1,65
Với P1, P2: áp suất hơi đốt nồi 1và nồi 2, at
Tra bảng I.251 [4-314] (Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất)

và nội suy ta có:
-

Nồi 1: P1= 3,5 at ta được:
 Nhiệt độ hơi đốt: T1= 137,9

-

Nồi 2: P2= 1,65 at ta được:
 Nhiệt độ hơi đốt: T2= 113,6
Png = 0,5 suy ra Tng= 80,9

 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:
Gọi ti’: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ I (1,2)
: tổn thất mhiệt độ do trở lực đường ống (chọn oC)
Theo công thức: tI’ = Tt+1 + [oC]
 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1: t1’ = T2 + = 113,6 +1 = 114,6

 Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1: t2’= Tng + = 80,9 + 1 = 81,9

GVHD: Phan Thế Duy

Page 13


Bảng 2. Bảng tổng kết áp suất, nhiệt độ của hơi đốt, hơi thứ ở mỗi nồi
Nồi 1
Hơi đốt
Hơi thứ

Nồi 2
o

P (at)
P1=3,5
P1’=1,7

T ( C)
t1=137.9
t1’= 114.6

P (at)
P2=1.65
P2’=0,52

o

T ( C)

t2=113.6
t2’=81.9

TBNT
P (at)
T (oC)
0,5

80.9

(Chú thích: tra bảng I.251 trang 314)

 Xác định tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do
áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’:
-

Ở cùng 1 áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của

nước.
-

Áp dụng công thức của Tiaxenko:

-

Trong đó
: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.
: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường


Mà
-

Trong đó
ti’: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i.
ri: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ ti’.

-

Từ các dữ liệu trên ta lập được bảng sau: Tra biểu đồ VI – 2 trang 60 - Sổ tay quá
trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2.
xC (%k.l)

-

’o (0C )

t’ ( 0C )

r.10-3(j/kg )

’i (0 C )

Nồi I

17,75

0,2


114,6

2221,04

0,22

Nồi II

60

3

81,9

2304,6

2,66

Từ đây ta có tổng tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao :
Σ’ = ’1 +’2 = 0,22+2,66 = 2,88 0C

GVHD: Phan Thế Duy

Page 14


Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
-

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:

P = S.g.Hop (N/m2)

-

Trong đó:
s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3; [s =0,5 dd]
dd : 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(dd-dm)].Ho

-

Từ P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công

thức:
Ptbi= Pi’ + Pi
-

Tra sổ tay ta có được bảng sau:
Nồi I
Nồi II

xC (%)
17.75
60

t’ (0C)
114,6
81,9


 dd (kg/m3)
1072,95
1288,73

 dm (kg/m3)
947,32
970,62

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 1,5 m.
Nồi 1:
Hop1 = [0,26 + 0,0014.(dd-dm)].Ho = [0,26 + 0,0014.(1072,95 – 947,32)].1,5
= 0,65 (m)
-

Áp suất trung bình:
Ptb1= P’1+ P1=1,76 + 0,5 x 0,5 x 1072,95 x 9,81 x 0,5249 x 10-5 = 1,72 at

-

Tra sổ tay tại Ptb1 = 1,72 (at) ta có t”1=114,86 0C.
Suy ra : ”1 = t”1 – t’1 = 114,86 – 114,6 = 0,26 0C
Nồi 2:
Hop2 = [0,26 + 0,0014(dd - dm)]Ho = [0,26 + 0,0014 (1288,73 - 970,2)]1,5
=1,06 (m)

GVHD: Phan Thế Duy

Page 15



-

Áp suất trung bình:
Ptb2= P’2 + P2=0,52 + 0,5 x 0,5 x 1288,73 x 9,81 x 1,0580 x 10-5 = 0,55 at

-

Tra sổ tay tại Ptb2 = 0,55 (at) ta có t”2= 83,2 0C.
Suy ra : ”2 = t”2 – t”2 = 83.2 – 81.9 =1.3 0C

Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là:
” =”1+”2 =0,26 + 1,3 = 1,56 0C
Tổn thất do trở lực thuỷ lực ()
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi nọ
và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 10C. Do đó:
”’1 =1 0C
”’2 =1 0C
”’ =”’1+”’2 = 2 0C
 Tổng tổn thất
 = ’ + ” + ”’ = 2,88 + 1,56 + 2 = 6,44 0C

 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
-

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:
Nồi I:

ti1 = T1 – (T2 + 1) =137,9 – (113,6 + 0,22 + 0,26 + 1) = 22,82 0C


Nồi II: ti2 = T2 – (tng + 2) =113,6– (80,9 + 2,66 + 1,3 + 1) = 27,74 0C
-

Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:
Nồi I: t1 = T1 – tS1 suy ra tS1 = T1 + t1 = 137,9 – 22,82 = 115,08 0C
Nồi II: t2 = T2 – tS2 suy ra tS2 = T2 - t2 = 113,6 – 27,74 = 85,86 0C

4. Cân bằng nhiệt lượng

 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
C = 4190 - ( 2514 - 7,542.t ).x (J/Kg.độ)
GVHD: Phan Thế Duy

Page 16


-

Trong đó:
t: nhiệt độ của dung dịch
x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng.

-

Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td = 115,08 oC, x = 10%)
Cd = 4190 - ( 2514 - 7,542 x 115,08 ) x 0,10 = 4025,39 (J/kg.độ)

-

Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1 =115,08 oC, x = 17,75%)

C1 = 4190 - ( 2514 - 7,542 x 115,08 ) x 0,1775 = 3897,82 (J/kg.độ)

-

Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (t = 85,86 oC, x = 60%)
C2 = 4190 - ( 2514 - 7,542 x 85,86 ) x 0,6 = 3070,13 (J/kg.độ)

 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h
Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/h
i1,i2,i1’,i2’: Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1 và nồi 2, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg.
tđ, t1, t2: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 của dung dịch, oC.
Cđ, C1, C2: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 của dung dịch; J/kg.độ.
: Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1, nồi 2, oC.
Cng1, Cng2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.
Qtt1, Qtt2: Nhiệt tổn thất ra môi trường, J.
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
-

Với nồi 1:
 Lượng nhiệt mang vào:
Do dung dịch đầu: Gđ x Cđx tđ
Do hơi đốt: D x i1
 Lượng nhiệt mang ra:
Do sản phẩm mang ra: (Gđ – W1) x C1 x ts1
Do hơi thứ: W1 x i1’
Do nước ngưng: D x Cng1 x
Do tổn thất Qtt1: Qtt1 = 0,05 x D x (i1 – Cng1.)

GVHD: Phan Thế Duy


Page 17


 Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
D x i1 + Gđ x Cđ x tđ = W1 x i1’ + D x Cng1 x + (Gđ – W1) x C1 x ts1 + Qtt1
-

(1)

Với nồi 2:
 Lượng nhiệt mang vào:
Do hơi đốt: W1 x i2
Do dung dịch từ nồi 1: (Gđ – W1) x C1 x ts1
 Lượng nhiệt mang ra:
Do dung dịch mang ra: (Gđ – W) x C2 x ts2
Do hơi thứ: W2 x i2’
Do nước ngưng: W1 x Cng2 x
Do tổn thất Qtt2: Qtt2 = 0,05 x W1 x (i2 – Cng2x)
 Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 2:

W1 x i2 + (Gđ – W1) x C1 x ts1 = W2 x i2’ + (Gđ – W) x C2 x ts2 + W1 x Cng2 x + Qtt2 (2)
Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hòa, các thông số tra được ở bảng I.250/312, Tra
bảng I.249 và nội suy.[4]
Đầu vào
tđ = 115.08

Đầu ra nồi 1
ts1 = 115,08


Đầu ra nồi 2
ts2 = 85,86

i1= 2737060 j/kg

i1’= 2703200 j/kg

i2’ = 2647420 j/kg

Cđ = 4025,39

C1 = 3897.82

C2 = 3070.13

Gđ = 2500 kg/h

Gc = 416,7 kg/h

= 137,9oC

= 113,6oC

Cng1 = 4270 [J/kg.độ]

Cng2 = 4230 [J/kg.độ]
W1=1091,3 kg/h

Mà W = W1 + W2 (3)
Từ (2) và (3) suy ra


GVHD: Phan Thế Duy

Page 18

W2= 992 kg/h





 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi
-

Với nồi 1:
Với nồi 2:
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận giả thiết
Lượng hơi thứ nồi I là : W1 = 1062,3 kg/h
Lượng hơi thứ nồi II là : W2 = 1021 kg/h

 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc
Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:
D= kg/h
Lượng hơi đốt nồi 1 là: D = 1174,12 kg/h

 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo công thức 4.8, trang 182, [4] :
(kg hơi đốt / kg hơi thứ).
-


Trong đó:
D : lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/mẻ)
W : lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ)

II.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
-

Nồi 1:
Q1 = D x r(1) = = 703,27 (kW)

-

Nồi 2:
Q2 = W1 x r(2) = = 656,44 (kW)

GVHD: Phan Thế Duy

Page 19


2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi :
t
m
1


q
T2
TT
tT2
1
q t2
1
qT
m
2
-

Công thức tổng quát:
W/m2.K

K=

-

Nhiệt tải riêng trung bình
rc1: nhiệt trở cặn bẩn phía vách ngoài (nước sạch).
 rc1=0,232.10-3 (m2.độ/W)

(Tra bảng V.1 trang 4 [2])

rc2: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch.
 rc2 = 0,387.10-3 [m2.độ/W] (Tra bảng V.1 trang 4 [2])
: nhiệt trở thành thiết bị [m2.độ/W]
-


Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không gỉ X18H10T có

[W/m.độ]. Bảng VII.7 trang 313 STQTTBHC 2
-

Chọn bề dày thành ống là

-

Nhiệt trở thành thiết bị: W/m.độ].

-

Tổng nhiệt trở của tường là:
[W/m*độ]

 Nhiệt tải riêng trung bình:
GVHD: Phan Thế Duy

Page 20

= 16,3


-

Nồi I :
qtb1 =

-


Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:
q1=

-

(1)

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được

tính theo công thức Nusselt:
1 = 2.04Ax (W/m2.độ)

(*)

r = r () = 2156300 [J/kg] là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.
H= 1.5m: Chiều cao bề mặt truyền nhiệt.
A: Trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nướ c.

Giá trị của A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm như sau:
Bảng 3. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ tm
tm(0C)

0

20

40

60


80

100

120

140

160

180

200

A

104

120

139

155

169

179

188


194

197

199

199

Với tmi= 0,5x(tWi + ti) (Trang 29 [2])
-

Chọn: t1 = 1.740C
t1 = T – tT1 = 1.74  tT1 = T - t1 = 137.9 – 1.74 = 136,16 0C
 tw1 = = = 137,03 0C
tm = = 137.465 0C
 A = 193,55

-

Thay giá trị vào công thức (*)
1 = 2.04x193.55 = 11903.93 (W/m2K)

-

Thay 1 vào công thức (1) ta có:
q1 = 11903.93x1.74 = 20712.84 ( W/m2 )

-


Với : q2 là nhiệt tải phía dung dịch sôi. Ta có công thức tính q2:
q2=2xt2 (2)

GVHD: Phan Thế Duy

Page 21


-

Với : t2 = tw2 – t2 là hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch sôi.
Ta có tw1 – tw2 = q1 xr  tw2 = tw1 – q1xr
= 137,03 – 20712,84 x 0,742.10-3 = 121,66 0C.
 t2 = 121,66 – 115,08 = 6,58 0C.

-

Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch 2 được tính bởi công thức:

(Theo công thức VI.27, trang 71, [2] )
(W/m2K)
-

Trong đó:
: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
= 0,145 x ∆t22,33 x p0,5

( Theo công thức V.91, trang 26, [2])

 = 0,145 x 6,582,33 x (1,7 x 9,81.104)0,5 = 4774,12 (W/m2K)

p: Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2 )
Cdd : Nhiệt dung riêng của dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung dịch lấy
gần đúng theo nhiệt dung riêng của đường khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
 = C1 = 3851.3 (J/kgK)
Cn : Nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch lấy gần đúng
theo nhiệt dung riêng của đường khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
 Cn = 4236.12 (J/kgK)
µdd : Độ nhớt dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung dịch lấy gần đúng
theo độ nhớt dung dịch đường khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
 µdd = 0.338x10-3 (Ns/m2)
µn : độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
 µn = 0.243x10-3 (Ns/m2)
: khối lượng riêng dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung dịch lấy gần
đúng khối lượng riêng của dung dịch đường khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
 = 1072,95

(kg/m3)

: khối lượng riêng nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
 = 947,32
GVHD: Phan Thế Duy

(kg/m3)
Page 22


: độ dẫn điện dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
 (W/mK)
-


Trong đó:
Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung

dịch lấy gần đúng theo nhiệt dung riêng dung dịch đường khi cô đặc theo nồng độ dung
dịch.
 Cp = 3897,82 (J/kgK)
: Khối lượng riêng của dung dịch xoài ép khi cô đặc theo nồng độ dung dịch lấy
gần đúng theo khối lượng riêng dung dịch đường khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
 = 1072,95

(kg/m3)

M: Khối lượng mol trung bình của dung dịch xoài ép lấy gần đúng khối lượng mol
trung bình của dung dịch đường.
Ta có: M = x.Mđường + (1-x).Mnước
= 0,1775 x 342 + (1- 0,1775) x 18 (kg/mol) = 75,51 (g/mol)
A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, đối với nước A =3,58.10-8



(W/mK)

: độ dẫn điện nước
 = 0.691 (W/mK)


(W/m2K)
 q2 = αdd. ∆t2 = 3092,64 x 6,58
= 20349,57 (W/m2 )


GVHD: Phan Thế Duy

Page 23