Đồ án quá trình thiết bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ CNSH - CNTP

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC BA NỒI
XI CHIỀU CƠ ĐẶC DỊCH ĐƯỜNG MÍA

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:
MSSV:

Th.s Phan Minh Thụy
Đô Phương Đưc
Thực Phẩm 2 – K61
20161063


Hà Nội, tháng 05 năm 2019
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................ ..........
........................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................
Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện: ..................................................................................................................................
Nội dung thực hiện: .............................................................................................................................
Hình thức trình bày: .............................................................................................................................
Tổng hợp kết quả: ................................................................................................................................
Điểm bằng số: ........................................ Điểm bằng chữ: ................................................................
Hà Nội, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

Giáo viên hướng dẫn

năm 2019


Mục lục


LỜI NĨI ĐẦU
Trong cơng nghiệp thực phẩm cũng như hóa chất, để nâng cao nồng độ của dung dịch
theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi
dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi dung mơi cịn chất rắn
hịa tan khơng bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cơ đặc ống tuần hồn trung tâm, tuần hồn cưỡng

bức, phịng đốt ngồi,… Trong đó thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn được dùng phổ biến vì
thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất sử dụng cao…
Dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm
theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để
có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư là thiết kế một thiết bị hay hệ
thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ án mơn học: “Q trình
và thiết bị”. Trong đồ án môn học này, em cần “Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi
chiều để cô đặc dịch đường mía năng suất 600kg/h, từ nồng độ 20 Bx lên 60 Bx”.
Cấu trúc của đồ án gồm những phần sau:
• Chương 1: Tổng quan
• Chương 2: Quy trình cơng nghệ
• Chương 3: Tính tốn và thiết kế thiết bị chính
• Chương 4: Tính bền cơ khí cho thiết bị
• Chương 5: Tính tốn thiết bị phụ
Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà em đảm nhận nên thiếu sót
và hạn chế trong q trình thực hiện là điều khơng thể tránh khỏi. Do đó, em rất mong
nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô và bạn bè để em có thể củng cố và mở rộng
kiến thức chun mơn. Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy Phan
Minh Thụy cũng như các thầy cô trong bộ mơn Q trình và thiết bị đã nhiệt tình giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện.
Em xin chân thành cảm ơn.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặc điểm nguyên liệu
Nước mía đã được làm sạch, loại bỏ các tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi thường có pH
trong khoảng 6,5 - 6,8.

Thành phần chính của nước mía là đường saccharose, một phần nhỏ là các đường đơn
(glucose, fructose, ...) và một số các chất vô cơ, hữu cơ khác (axit amin, HNO 3, NH3,
protein, ...).
Đường saccharose có cơng thức phân tử C 12H22O11, không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao và
pH axit dễ bị biến đổi thành các đường đơn, các hợp chất có màu.
1.2 Q trình cơ đặc
1.2.1 Khái niệm chung
Q trình cơ đặc là q trình làm mất nước (dung mơi) trong dung dịch (dung dịch là
hỗn hợp giữa các dung mơi và chất rắn hịa tan trong dung mơi) để thu được dung dịch có
nồng độ chất rắn cao.
1.2.2 Các phương pháp cô đặc
1.2.2.1 Cô đặc bằng lạnh đông
Nguyên lý của phương pháp này là: khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước sẽ kết
tinh và lớn dần lên tạo thành khối băng, tách khỏi dung dịch ban đầu. Q trình cơ đặc
này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ lạnh đông, số lượng tinh thể đá tạo thành. Quá trình
đóng băng khơng chỉ làm kết tinh nước, mà cịn làm đông tụ các chất hữu cơ như protein,
pectin, chất nhờn,... nhờ đó mà dịch quả trong hơn.
Ưu điểm: ít mất mát chất hòa tan do tác dụng của nhiệt độ; khơng gây mất vitamin và
các chất thơm. Nói cách khác, chất lượng sản phẩm thu được là rất cao.
Nhược điểm: tốn nhiều năng lượng; trang thiết bị tương đối phức tạp, vì thế giá thành
phẩm thường cao. Nhược điểm này đã hạn chế khả năng ứng dụng của phương pháp.
1.2.2.2 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược
Khi ta ngăn hai dung dịch khác nhau về nồng độ bằng tấm màn bán thấm, dưới tác
dụng của áp suất thẩm thấu, nước sẽ đi từ dung dịch có nồng độ chất hịa tan thấp đến nơi
có nồng độ chất hịa tan cao để hai bên đạt nồng độ cân bằng. Trong phương pháp này,
5


dưới tác dụng cơ học của dung dịch có nồng độ cao hơn áp suất thẩm thấu, làm nước đi
theo chiều ngược lại từ nơi có nồng độ chất hịa tan cao đến nơi có nồng độ chất hịa tan

thấp, nhờ vậy mà nồng độ dung dịch tiếp tục tăng cao.
Ưu điểm: hạn chế tối đa mất chất thơm, giữ được phần lớn các thành phần cơ bản của
dung dich.
Nhược điểm: làm mất một số muối khoáng và các axit có phân tử nhỏ; khơng thể cơ
đặc đến độ khơ đủ cao để không phải thanh trùng bổ sung.
1.2.2.3 Cô đặc bằng bốc hơi nước nhờ nhiệt độ
Phương pháp này hiện là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.
Nhờ nhiệt độ, dung dịch được đun sôi và lúc này, nước trong dung dịch diễn ra quá
trình chuyển pha từ lỏng sang hơi và tách ra khỏi dung dịch còn chất hịa tan trong dung
dịch khơng bay hơi, do đó nồng độ của chất tan sẽ tăng dần lên.
Ưu điểm: phương pháp này được dùng phổ biến, trang thiết bị tương đối đơn giản.
Nhược điểm: do sử dụng nhiệt độ nên không tránh khỏi tổn thất một số chất dinh
dưỡng dễ bị phân hủy bởi nhiệt. Ngồi ra, trong q trình bốc hơi, hơi nước cuốn theo
các chất thơm và các chất dễ bay hơi khác của dung dịch.
1.2.3 Những biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm dung môi (nước) và các chất tan gồm nhiều
cấu tử, phụ thuộc vào loại, thành phần và chất lượng của sản phẩm cần cô đặc. Các chất
này không bay hơi trong q trình cơ đặc. Trong các chất hịa tan có chất chủ yếu (là
dung dịch cần cơ đặc, ví dụ: đường, cà chua, glutamic,…) và các chất khác như pectin,
xơ, vitamin, chất màu, chất thơm, tinh bột, protit,…
Trong quá trình cơ đặc, tính chất cơ bản của ngun liệu và sản phẩm thay đổi khơng
ngừng.
1.2.3.1 Biến đổi về tính chất vật lý và hóa lý
Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất hịa tan tăng làm tính chất của dung dịch cũng
thay đổi như: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và hệ số cấp nhiệt của dung dịch giảm;
trong khi đó thì các chỉ số về độ nhớt, khối lượng riêng, tổn thất do nồng độ của dung
dịch tăng.

6

Với sự biến đổi của các thông số trên, khi nồng độ tăng có hiện tượng keo tụ protit,
phân hủy chất pectin, caramen hóa đường và hàng loạt các biến đổi lý hóa khác.
1.2.3.2 Biến đổi về tính chất hóa học
Sự tăng nồng độ chất hòa tan cũng dẫn đến một số thay đổi hóa học như: thay đổi pH
mơi trường, đóng cặn, phân hủy chất cơ đặc làm tăng tổn thất, tăng màu, một số vitamin
có thể bị phân hủy (ví dụ vitamin C),...
1.2.3.3 Biến đổi về tính chất sinh học
Việc sử dụng nhiệt độ trong q trình cơ đặc làm hạn chế khả năng hoạt động của vi
sinh vật hoặc tiêu diệt một số loài vi sinh vật giúp sản phẩm được bảo quản trong thời
gian dài.
1.2.3.4 Chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa tăng
Yêu cầu của q trình cơ đặc là phải thực hiện với một chế độ nghiêm ngặt để bảo
đảm các cấu tử quý của sản phẩm, vị và mùi đặc trưng được giữ nguyên đồng thời; đạt
được nồng độ yêu cầu và các thành phần hóa học chủ yếu khơng thay đổi.
1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cơ đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái
cây,… Trong sản xuất hố chất, ta cần cơ đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các
muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng
thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù
cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của
nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cơ đặc
là một tất yếu. Nó địi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an tồn và hiệu suất
cao. Do đó, u 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.
1.3 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
1.3.1 Yêu cầu công nghệ
- Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định
- Giảm tổn thất chất khô
- Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi

- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt
7


1.3.2 Yêu cầu về thiết bị
Về cấu tạo, thiết bị cơ đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phận chính sau:
- Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun 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
cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.
- Không gian để phân ly: Hơi dung mơi tạo ra cịn chứa cả dung dịch nên phải có
khơng gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt.
- Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cơ đặc:
- Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần cơ đặc: độ nhớt cao, khả
năng tạo bọt lớn, tính ăn mịn kim loại…
- Có hệ số truyền nhiệt lớn 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 lấy nhiệt
cho cấp cô đặc tiếp theo.
- Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong khơng gian bên ngồi giữa các ống của dàn
ống.
- Đảm bảo tách các khí khơng ngưng cịn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
- Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơi bên trong
các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn).
1.3.3 Phân loại thiết bị cô đặc
- Theo nguyên lý làm việc: thiết bị làm việc gián đoạn, thiết bị làm việc theo chu kỳ
và thiết bị làm việc liên tục.
- Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: thiết bị làm việc ở áp suất dư, thiết bị làm
việc ở áp suất khí quyển và thiết bị làm việc ở chân không.
- Theo nguồn cấp nhiệt: nguồn hơi nước; nguồn nước nóng, dầu nóng; nguồn khói;
nguồn điện.

1.3.4 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống
- Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực.

8


- Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điều kiện chân
không.
- Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm việc ở áp suất cao, thiết bị cuối
làm việc ở áp suất chân không.
1.3.5 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc
1.3.5.1 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 khơng ngưng
1.3.5.2 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 vào bồn cao vị
Bơm tháo liệu
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Bơm chân không
Các van

Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

9


CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ
Q trình cơ đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều
nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa
kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cơ đặc nhiều nồi có thể tóm tắt
như sau: Ở nồi thứ 1, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt , hơi thứ của nồi này đưa
vào đun nồi thứ hai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba…. Hơi thứ nồi cuối cùng
đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi
đều bốc hơi một phần, nồng độ dần tăng 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
chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi
nồi phải giảm dần và hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường nồi đầu
làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
2.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình cơng nghệ

10


Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống cơ đặc ba nồi xi chiều
Dịch đường mía ban đầu nồng độ 20 Bx được bơm đưa vào thùng cao vị , từ thùng
chứa sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị trao đổi nhiệt . Ở thiết bị trao đổi nhiệt
dung dich được đun nóng sơ bộ rồi đi vào nồi. Ở nồi này dung dich tiếp tục được đun
nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt.
Hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí khơng ngưng

được đưa qua của tháo khí khơng ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng
cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sơi, dung mơi bốc lên trong phịng bốc gọi là hơi thứ.
Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung
dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
Dung dịch từ nồi 1 được đi vào nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất giữa các nồi.
Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ
cao hơn nhiệt độ sơi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm
bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Dung dịch từ nồi 2 được đi vào nồi thứ 3 do có sự chênh lệch áp suất giữa các nồi.
Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi thứ 3 có nhiệt độ
cao hơn nhiệt độ sơi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm
bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Dung dịch sản phẩm của nồi thứ ê được đưa vào thùng chứa sản phẩm. Hơi thứ bốc ra
khỏi nồi thứ 3 được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet. Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm
lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet
ra ngồi cịn khí khơng ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi đi vào bơm hút chân không
Hệ thống cô đặc xuôi chiều (dung dịch và hơi đốt đi cùng chiều nhau từ nồi này sang
nồi kia) được dùng khá phổ biến trong cơng nghiệp. Loại này có ưu điểm là dung dịch tự
chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ chêch lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ của nồi
trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ sơi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi
thêm 1 lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ sơi của dung dịch thì cần phải dung nóng dung dịch do đó tiêu tốn
thêm một lượng lượng hơi đốt. Vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi
đầu cần được đun nóng sơ bộ.

11


Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần

nhưng nồng độ của dung dịch 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.

12


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
3.1 Dữ liệu ban đầu
- Dung dịch đường mía
- Dung dịch vào có nồng độ: xđ = 20 Bx
- Dung dịch sản phẩm có nồng độ: xc = 60 Bx
- Năng suất đầu ra: Gc = 600 kg/h
3.2 Tính cân bằng vật chất và năng lượng
Năng suất tính theo đầu vào:
Gđ = = = 1800 (kg/h)
3.2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Áp dụng công thức (VI.1/[2 - 55]):
W = Gđ(1 - ) W= 1800(1 - ) = 1200 (kg/h)
3.2.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi
W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1 (kg/h)
W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2 (kg/h)
W3 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 3 (kg/h)
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:
W1 : W2 : W3 = 1 : 1 : 1
Mà: W1 + W2 + W3 = W = 1200 (kg/h)
Do đó: W1 = 400 (kg/h)
W2 = 400 (kg/h)
W3 = 400 (kg/h)
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1: x1 = = = 25,7%

Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 2: x2 = = 36%
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 3: x3 = = 60%
13


3.2.3 Xác định áp suất và nhiệt độ ở mỗi nồi
Chọn: Áp suất hơi đốt nồi 1: p1 = 3 at
Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet: pnt = 0,3 at
Δp1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2
Δp2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với nồi 3
Δp3: hiệu số áp suất của nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ
Δp : hiệu số áp suất của toàn bộ hệ thống
⇒ Δp = p1 – pnt = 3-0,3 = 2,7 (at)
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa hai nồi là:
= = 1,5
Mà: Δp1 + Δp2 + Δp3= 2,7
Do đó: Δp1 = 1,27 at
Δp2 = 0,86 at
Δp3 = 0,57 at
Áp suất hơi đốt nồi 2:
p2 = p1 - Δp1 = 3 – 1,27 = 1,73 (at)
Áp suất hơi đốt nồi 3:
p3 = p2 - Δp2 = 1,73- 0,86 = 0,87 (at)
Theo bảng (I.251/[1 – 314]): Dựa vào áp suất hơi đốt, ta tra được nhiệt độ hơi đốt.
Dựa vào nhiệt độ hơi thứ, tra được áp suất hơi thứ. Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ
hơi thứ nồi trước –1ºC (tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống). Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối
bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ +1ºC.

Bảng 3.1. Các thông số của hơi đốt và hơi thứ
Nồi 1

Hơi đốt

Nồi 2

Nồi 3

P(at)

T(

P(at)

T(

P(at)

T(

3

132,9

1,73

115,04

0,87

95,24

14

Thiết bị
ngưng
tụ
P=0,3


Hơi thứ

1,79

116,04

0,9

96,24

0,345

69,7

at
T=68,7

3.2.4 Xác định tổn thất nhiệt độ trong hệ thống
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc gồm:
- Tổn thất do nồng độ (Δ')
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh (Δ'')

- Tổn thất do trở lực đường ống (Δ''')
3.2.4.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ (Δ')
Nhiệt độ sơi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi chất tan, đặc biệt là
nồng độ của chất tan. Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất ở cùng áp suất. Khi nồng độ chất tan tăng thì nhiệt độ của dung dịch càng
tăng.
Tổn thất nhiệt do nồng độ là hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sơi
của dung mơi ngun chất.
Δ' được tính theo công thức gần đúng của Tensico:
Δ' = Δ'o . f (ºC)

(VI.10/[2 – 59])

f = 16,2

(VI.11/[2 – 59])

Trong đó:
Δ' : Hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên
chất ở áp suất bất kì (ºC)
Δ'o : Hiệu số giữa nhiệt độ sơi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên
chất ở áp suất thường (ºC)
f : Hệ số hiệu chỉnh
T : Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (K)
r’ : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (J/kg)
Tra đồ thị (VI.2/[2 – 60]) kết hợp bảng (I.250/[1 – 312]), ta có:
Bảng 3.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ ở áp suất thường.

Nồi 1

Nồng độ (%)

Δ'o (ºC)

T (K)

r’ (J/kg)

Δ' (ºC)

25,7

0,39

389,04

2218,09.103

0,43

15


Nồi 2

36

0,8

369,24

2270.103

0,8

Nồi 3

60

3

342,7

2333,72.103

2,45

3.2.4.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (Δ'')
Áp suất ở khoảng giữa dung dịch:
Ptb = p' + (at)
Trong đó:
p' : Áp suất hơi thứ trên mặt thống dung dịch (at)
h : Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)
h = [0,26 + 0,0014(dd – dm)]. H (m) , chọn H=2m
: Khối lượng riêng của dung dịch đường khi sôi (kg/m3),
Bảng 3.3: Tổn thất do áp suất thủy tĩnh (

(3)

(3)

h
(m)

Ptb
(at)

p’

T1(Ptb)

(at)

(

T2(p’)

Nồi 1

1110,6

946,23

0,98

1,82

1,79

116,63

116,04

0,59

Nồi 2

1159,1

961,64

1,07

0,93

0,9

97,07

96,24

0,83

Nồi 3

1289,9

977,98

1,4

0,4

0,345

75,4

69,7

5,7

3.2.4.2 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống (Δ''')
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi 1 sang nồi 2 ,từ nồi 2
sang nồi 3 và từ nồi 3 sang thiết bị ngưng tụ là 1ºC.
Do đó:
Δ'''1 = Δ'''2 = Δ'''3= 1 (ºC)
⇒ Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống:
Δ''' = Δ'''1 + Δ'''2 + Δ'''3= 1 + 1+1 = 3 (ºC)
Vậy: Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là:
∑ Δ = Δ' + Δ'' + Δ''' = 3,68+7,12+3 = 13,8(ºC)
3.2.5 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống
Hiệu nhiệt độ hữu ích của hệ thống được tính theo cơng thức (VI.17/[2 – 67]):
16


Δthi = Δtch – ∑ Δ
Δtch = t1 – tnt

(VI.18/[2 – 67])

Trong đó:
Δtch : Hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi 1 và nhiệt độ hơi ở thiết bị ngưng tụ (ºC)
t1 : Nhiệt độ hơi đốt của nồi 1 (ºC)
tnt : Nhiệt độ hơi đang ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ (ºC)
⇒ ∑ Δthi = t1 – tnt – ∑ Δ = 132,9-68,7-13.8=50,4 (
Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi:
ts1 = t'1 + Δ'1 + Δ''1 = 116,04+0,43+0,59= 117,06 (ºC)
ts2 = t'2 + Δ'2 + Δ''2 = 96,04+0,8+0,83 = 97,87 (ºC)
ts3 = t’3+ Δ'3 + Δ''3 = 69,7+2,45+5,7 = 77,85 (ºC)
Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
ΔT1 = t1 – ts1 = 132,9-1117,06=15,84(
ΔT2 = t2 – ts2 = 115,04-97,87=17,17(
ΔT3 = t3 – ts3 = 95,24-77,85= 17,39(
Bảng 3.4. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi.
Nồi

Δ' (ºC)

Δ'' (ºC)

Δ''' (ºC)

ts (ºC)

ΔT (ºC)

1

0,43

0,59

1

117,06

15,84

2

0,8

0,83

1

97,87

17,17

3

2,45

5,7

1

77,85

17,39

3.2.6 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt Di và
lượng hơi thứ Wi ở từng nồi
Thiết lập sơ đồ:

17


Trong đó:
D : Lượng hơi đốt vào (kg/h)
i1 , i2 , i3 : Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg)
i'1 , i'2 , i’3 : Hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg)
θ1 , θ2 , θ3: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (ºC)
Cđ : Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg.độ)
Cnc1 , Cnc2 , Cn3 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.độ)
C1 , C2, C3 : Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.độ)
Qm1 , Qm2, Qm3 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (W)
Gđ : Lượng dung dịch đầu đi vào thiết bị (kg/h)
W1 , W2, W3 : Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h)
3.2.6.1 Nhiệt lượng vào
Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D.i1
Nhiệt do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.ts0
Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào: W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang: (Gđ – W1).C1.ts1
Nồi 3: Nhiệt do hơi thứ mang vào: W2.i3
Nhiệt do dung dịch từ nồi 2 chuyển sang: (Gđ – W1-W2).C2.ts2

18

3.2.6.2 Nhiệt lượng ra
Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W1.i'1
Nước ngưng: D.θ1.Cnc1
Dung dịch mang ra: (Gđ – W1).C1.ts1
Nhiệt mất mát: Qm1 = 0,05D(i1 – Cnc1.θ1)
Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W2.i'2
Nước ngưng: W1.θ2.Cnc2
Dung dịch mang ra: (Gđ – W1 – W2).C2.ts2
Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2 – Cnc2.θ2)
Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W3.i'3
Nước ngưng: W2.θ3.Cnc3
Dung dịch mang ra: (Gđ – W1 – W2-W3).C3.ts3
Nhiệt mất mát: Qm3 = 0,05W2(i3 – Cnc3.θ3)
3.2.6.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
Nồi 1:
Gđ.Cđ.ts0 + D.i1 = (Gđ – W1).C1.ts1 + W1.i'1 + D.θ1.Cnc1 + 0,05D(i1 – Cnc1.θ1) (1)
Nồi 2:
W1.i2+(Gđ–W1).C1.ts1=W2.i'2+(Gđ–W1–W2).C2.ts2 +W1.θ2.Cnc2 +0,05W1(i2 – Cnc2.θ2)

(2)

Nồi 3:
W2.i3+(Gđ–W1-W2).C2.ts2 = W2.i'2+(Gđ–W1–W2-W3).C3.ts3 +W2.θ3.Cnc3 +0,05.W2.(i3-Cnc3.θ3)
(3)
Mà: W1 + W2+W3 = W

(4)

3.2.6.4 Tính tốn
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường được tính théo cơng thức (I.50/[I – 153]):
C = 4190 – (2514 – 7,542.tdd).x (J/kg.độ)
Trong đó:
tdd: Nhiệt độ của dung dịch (ºC)
x: Nồng độ của dung dịch (%)
19


Giả sử dung dịch đường ban đầu được gia nhiệt đến 100ºC
Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1 là:
Cđ = 4190 – (2514 – 7,542.100).0,2 = 3838,04 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 là:
C1 = 4190 – (2514 – 7,542.117,06).0,257 = 3770,8 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 là:
C2 = 4190 – (2514 – 7,542.97,87).0,36 = 3550,7 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 là:
C3 = 4190 – (2514 – 7,542.77,85).0,6 = 3033,9 (J/kg.độ)
Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt:
θ1 = 132,9 (ºC) ; θ2 = 115,04 (ºC) ; θ3 = 95,24 (ºC)
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
ts1 = 117,06 (ºC) ; ts2 = 97,87 (ºC) ; ts3 = 77,85 (ºC)
Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra bảng (I.249/[I-310])
θ1 = 132,9(ºC) ⇒ Cnc1 = 4272,09 (J/kg.độ)
θ2 = 115,04 (ºC) ⇒ Cnc2 = 4241,6 (J/kg.độ)
θ3 = 95,24 (ºC) ⇒ Cnc3 = 4216,2 (J/kg.độ)
Từ các phương trình (1), (2), (3),(4) ta có:
W1=383,5(kg/h); W2 = 404,4(kg/h); W3=412(kg/h)
Bảng 3.5. Kiểm tra giả thiết phân bố hơi ở các nồi

Nồi

W (kg/h)

Sai số

Giả thiết

Tính tốn

Ε

1

400

383,5

4,3%

2

400

404,4

1,1%

3

400

412

3%

20


Sai số giữa lượng hơi thứ các nồi được tính từ phần cân bằng nhiệt lượng và sự giả
thiết trong cân bằng vật chất < 5%. Vậy giả thiết về sự phân bố hơi thứ ở các nồi là phù
hợp.
Ta có: W1tb = 391,8 (kg/h) ; W2tb = 402,2 (kg/h); W3tb=406(kg/h)
D = = 487 (kg/h)
3.2.7 Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt độ trung bình từng nồi
3.2.7.1 Tính hệ số cấp nhiệt α phía hơi ngưng tụ
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt là Δt 1
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ được tính theo cơng thức (V.101/[2 – 28]):
α1 = 2,04A. (W/m2.độ)
Trong đó:
r: Ẩn nhiệt ngưng (J/kg)
H: Chiều cao ống truyền nhiệt (H = 2m)
A = : hệ số phụ thuộc tm ; tra bảng ([2 – 29]). Với:
tm = 0,5(tt1 + t) ; Δt1 = t – tt1 ⇒ tt1 = t – Δt1
tm : Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng (ºC)
tt1 : Nhiệt độ của bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt (ºC)
t: Nhiệt độ của hơi đốt (ºC)
3.2.7.2 Tính nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ
q1 = α1.Δt1 (W/m2)
Giả thiết: Nồi 1: Δt11 = 1,1℃

Nồi 2: Δt12 = 0,9℃
Nồi 3: Δt13 = 0,94℃
Bảng 3.6. Tính nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ
Nồi

Δt1 (℃)

t (℃)

tt1 (℃)

tm (℃)

A

q1 (W/m2)

1

1,1

132,9

131,8

132,35

191,7

13558,11

2

0,9

115,04

114,14

114,6

185,6

11357

21


3

0,94

95,24

94,3

84,77

176,4

11216

3.2.7.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dung dịch được tính theo cơng thức (VI.27/[2 –
71]):
α2 = αn. (W/m2.độ)
Trong đó:
αn: Hệ số cấp nhiệt của nước (W/m2.độ)
λ: Hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ)
ρ: Khối lượng riêng (kg/m3)
C: Nhiệt dung riêng (J/kg.độ)
μ: độ nhớt (N.s/m2)
Ta có: αn = 45,3. (p')0,5. Δt22,33
Trong đó:
p': Áp suất hơi thứ (at)
Δt2: Hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt trong của ống và dung dịch sơi (℃)
Cơng thức tính tổng nhiệt trở:
∑ r = r1 + r2 + r3

Trong đó:
r1 : nhiệt trở của lớp hơi nước (m2.độ/W)
r2 = : nhiệt trở của tường (m2.độ/W)
δ : bề dày ống truyền nhiệt (mm). Chọn δ = 3mm
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (W/m.độ)
r3 : nhiệt trở của lớp cặn bẩn (m2.độ/W)
Tra bảng (V.I/[2 – 4]) có: r1 = 0,232.10-3(m2.độ/W); r3 = 0,387.10-3(m2.độ/W)
Chọn vật liệu ống truyền nhiệt là thép không gỉ 12MX, tra bảng (XII.7/[2 – 313]) ta
có: λ = 50,2 (W/m.độ)
⇒∑ r = (0,232 + + 0,387).10-3 = 0,679.10-3 (m2.độ/W)

22


Hiệu nhiệt độ giữa 2 bề mặt ống truyền nhiệt:
Δtt = q1.∑ r (℃)
Nhiệt độ bề mặt trong ống truyền nhiệt:
tt2 = tt1 – Δtt (℃)
Hiệu nhiệt độ giữa thành ống tuyền nhiệt và dung dịch sôi:
Δt2 = tt2 – ts (℃)
Bảng 3.7. Tính hiệu nhiệt độ giữa thành ống tuyền nhiệt và dung dịch sôi
Nồi

q1 (W/m2)

Δtt (℃)

tt1 (℃)

tt2 (℃)

ts (℃)

Δt2 (℃)

1

13558,11

9,2

131,8

122,6

117,06

5,54

2

11357

7,7

114,14

106,44

97,87

8,57

3

11216

7,6

94,3

86.7

77,85

8,85

Tra khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và độ nhớt của nước lần lượt
theo bảng (I.5/[1 – 11]), bảng (I.129/[1 – 133]), bảng (I.148/[1 – 166]), bảng (I.102/[1–
94]) và (I.104/[1 – 96]).
Tra cứu khối lượng riêng và độ nhớt của dung dịch theo bảng (I.87/[1 – 64]) và bảng
(I.112/[1 – 114]). Nhiệt dung riêng của dung dịch đã tính ở trên. Xác định hệ số dẫn nhiệt
của dung dịch theo công thức (I.32/[1 – 123]):
λdd = A.Cdd.ρdd.
Trong đó:
A: hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10-8
M: khối lượng mol của dung dịch (g/mol)
M = nđường.Mđường + (1 – nđường).Mnước
nđường =
x1 = 25,7% ⇒ M1 = 23,79 (g/mol)
x2 = 36% => M2 = 27,32 (g/mol)
x3 = 60% ⇒ M2 = 41,707 (g/mol)
Bảng 3.8. Kết quả tra các thông số của nước và dung dịch.

23


Nồi

ρn
μn

ρdd
μdd
λn
Cn
Cdd
λdd
3
2
3
2
(kg/m ) (W/m.độ) (J/kg.độ) (N.s/m ) (kg/m ) (N.s/m ) (J/kg.độ) (W/m.độ)

1

945,4

4274,5

0,24.10-3

1110,6

0,4.10-3

3770,8

0,54

2

959,85 68,15.10-2 4218,3

0,29.10-3

1159,1

0,9.10-3

3550,7

0,5

67,3.10-2

0,36.10-3

1289,9

5,7.10-3

3033,9

0,44

3

970

68,5.10-2

4193,3

Thay các số liệu đã tra cứu được vào các cơng thức trên,
Bảng 3.9. Tính nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi.
Nồi

p'
(at)

Δt2
(℃)

αn
(W/m2.độ)

α2
(W/m2.độ)

q1
(W/m2)

q2 (W/m2)

Sai số
ε (%)

qtb
(W/m2)

1

1,79

5,54

3281

2493,6

13558,11

13814,5

1,9

13686,3

2

0,9

8,57

6359,7

1302,8

11357

11112,9

2,2

11235

0,345 8,85

4267,76

1249

11216

11028,67

1,7

11122,34

3

Vậy sai số trong phạm vi cho phép.
3.2.8 Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu
Hệ số truyền nhiệt được xác định bởi công thức:
K = (W/m2.độ)
Nồi 1:
K1 = = = 864 (W/m2.độ)
Nồi 2:
K2 =

=

K3 =

= = 639,58 (W/m2.độ)

= 684,34 (W/m2.độ)

Nồi 3:

24


3.2.9 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi
Nhiệt lượng cung cấp cho nồi 1:
Q1 = = 293674,53 (W)
Nhiệt lượng cung cấp cho nồi 2:
Q2 = = 241707,95 (W)

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi 3:
Q3 = = 253877,58 (W)
Ta có các tỉ số:
= 340 (m2.độ)
= 369,4 (m2.độ)
= 396,6 (m2.độ)
Tính hiệu số nhiệt hữu ích trong từng nồi với sự phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích
sao cho bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:
ΔT* = ∑ ΔT.

(VI.20/[2 – 68])

Trong đó:
ΔT: nhiệt độ hữu ích trong các nồi (℃)
Q: nhiệt lượng cung cấp từng nồi (W)
K: hệ số truyền nhiệt từng nồi (W/m .độ)
2

Bảng 3.10. Kiểm tra giả thiết hiệu nhiệt độ hữu ích ở các nồi.
Nồi

K (W/m2.độ)

Q (W)

ΔT (℃)

ΔT* (℃)

Sai số

1

864

293674,53

15,84

15,5

2,2%

2

684,34

241707,95

17,17

16,83

2,02%

253877,58

17,39

18,08

3,8%

3

639,58

3.2.10 Tính bề mặt truyền nhiệt
Theo phương pháp phân bố nhiệt độ hữu ích với điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi
bằng nhau:
25