Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều liên tục.

Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học
Nha Trang, tập thể các thầy cô giảng dạy ở Khoa Công Nghệ Thực phẩm đã tận
tình truyền đạt cho nhóm em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong quá
trình học tập tại trường cũng như tạo cho nhóm em một trường học tập năng
động và hiện đại . Đặc biệt hơn nữa em xin cảm ơn đến cô Trần Thanh Giang,
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý trong quá trình em hoàn thành bài
tập lớn này. Em cũng xin cảm ơn đến Thư viện của trường đã tạo điều kiện cho
em được tiếp xúc và cung cấp những tài liệu, cần thiết, hữu ích cho em hoàn
thành tốt bài tập lớn. Trong thời gian làm bài tập lớn, mặc dù đã cố gắng trong
việc hoàn thiện bài nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên không
tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được sự góp ý của cô để
bài báo cáo của em được hoàn chỉnh hơn.
Em xin cám ơn rất nhiều.
.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 1
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH
Bảng 2.1. Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi 9
Bảng 2.2.
Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra 10 Bảng 2.3.
Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất 10 Bảng 2.4.
Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch 11 Bảng 2.5.
Thông số tính toán 15 Bảng 3.1.
Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng 18 Bảng 3.2.
Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng 22 Bảng 4.1.
Đường kính ống dẫn 32 Bảng 5.1.
Chọn bích nối nắp và buồng bốc 42 Bảng 5.2.
Chọn bích nối buồng đốt với đáy 43 Bảng 5.3.
Chọn thông số cho tai treo thiết bị thằng đứng 48 Bảng 5.4.

Tổng kết thiết bị chính 48
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ
NGUYÊN LIỆU
1.1. Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường
• 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 nhu cầu này. Tuy nhiên, đó
chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành
GVHD: Trần Thanh Giang Page 2
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
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, acid lactic…
• 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.
• 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 ở Bình Dương, Quãng
Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng với sự phát triển ồ ạt 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.
• Nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống cô
đặc 2 nồi ngược chiều liên tục.
- Năng suất sản phẩm: 3000kg/h
- Nồng độ ban đầu: 8%
GVHD: Trần Thanh Giang Page 3
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
- Nồng độ cuối: 25%
- Áp suất hơi đốt: 3at
- Áp suất ngưng tụ: Pck = 0.3at
1.2. Sơ lược về quá trình cô đặc:
o 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 với mục đích:
o Làm tăng nồng độ chất tan.
o Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
o Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
o Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc
hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
o Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.
o Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị
phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ
cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
o Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.

o Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch
nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung
môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong
dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên,
khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong
hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
o Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi
thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi
thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi
phụ.
o Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đọan hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp
GVHD: Trần Thanh Giang Page 4
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp
suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác
thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) 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.
o Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý
nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều
nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng
hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa
vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung
dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt
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 các nồi, nghĩa
là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì 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.
o Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này có
ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch
áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung
dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết
quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm
một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi
đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần phải tốn thêm một lượng
hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch
GVHD: Trần Thanh Giang Page 5
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước
ngưng tụ.
o Khuyết 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 hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến
nồi cuối.
o Cấu tạo thiết bị cô đặc: Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại
thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần
chính:
 Bộ phận đun sôi
- Dung dịch (buồng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi
dung dịch.
 Bộ phận bốc hơi (buồng bốc)
- Là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi
của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần
thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi
hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
o Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:

- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng,
loại nghiêng.
- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống
chùm. Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói
lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt.
- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng
bức,
o Lựa chọn thiết bị:
- Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc
liên tục, có ống tuần hoàn ngoài buồng đốt ngoài đối lưu tự nhiên.
- Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch.
Đồng thời, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 6
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
o 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.
- Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc
tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
o Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ:
- Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sử
dụng hơi thứ thay cho hơi đốt. Dung dịch ban đầu trong thùng chứa
được bơm ly tâm bơm lên thùng cao vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưu
lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt .Tại thiết bị gia
nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2. Dung dịch
sau đó được đưa vào buồng đốt ngoài của nồi. Tại nồi dung dịch
đường bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị
ngưng tụ ,được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được
bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt. Còn sản
phẩm được bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng

độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm. Ở nồi 1 hơi
đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi
thứ của nồi 1.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 7
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1. Dữ kiện ban đầu :
o Dung dịch nước mía. Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu chọn là 25oC
- Nồng độ đầu xđ = 8 %
- Nồng độ cuối xc = 25%.
- Năng suất Gc = 3000 (kg/h)
- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà với áp suất là: Phđ = 3 at.
- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet: P = 0,3 at.
2.2. Cân bằng vật chất:
2.2.1. Suất lượng nhập liệu.
- Áp dụng phương trình cân bằng vật chất:
ccdd
xGxG
=
= (CT.Tr 158-[5])
⇒
Suy ra:
9375
8
253000
.
=
×
==
d

cc
d
x
xG
G
(kg/h)
2.2.2. Tổng lượng hơi thứ
- Áp dụng công thức: (CT 5.17 Tr 158 [5]).
GVHD: Trần Thanh Giang Page 8
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm

)1(
c
d
d
x
x
GW −=
Σ
hay W=
cd
GG
−
(kg/h)
- Trong đó:
W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h).
Gd : Lượng dung dịch ban đầu (kg/h).
xd, xc : Nồng độ đầu, cuối của dung dịch % khối lượng.
Thay số vào ta có: W = Gđ – Gc = 9375 – 3000 = 6375 (kg/h).
2.2.3. Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi

- Gọi W1, W2, là lượng hơi thứ của nồi 1, 2 kg/h.
- Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau,
thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ
ở từng nồi thích hợp.
Ta chọn:
2
1
W
W
= 1.1
- Khi đó ta có hệ phương trình:
2
1
W
W
= 1,1

6375
21
=+
WW
- Giải hệ trên có kết quả: W1 = 3339 kg/h.
W2 = 3036 kg/h.
2.2.4. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1: (CT 5.26 Tr 162 [5]).
%25
)30363339(9375
89375
)(
21

.
1
=
+−
×
=
+−
=
WWG
xG
x
d
dd
c
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2: (CT 5.25 Tr 162 [5]).
GVHD: Trần Thanh Giang Page 9
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
33399375
89375
.
1
2
−
×
=
−
=
WG
xG
x

d
dd
c
=12,43%
2.3. Cân bằng nhiệt lượng
2.3.1. Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi
- Gọi: P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.
-
1
P∆
: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
-
2
P
∆
: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.
-
t
P∆
: hiệu số áp suất của cả hệ thống.
- Ta có: Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P
1
= 3 at.
- Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: P
nt
= 0,3 at.
- Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:
∆P
t
= P

1
- P
nt
= 3 - 0,3 = 2,7at.
- Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:
2
1
P
P
∆
∆
= 1,85.
- Kết hợp với phương trình: ∆P
1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 2,7at.
Suy ra: ∆P
1
= 1,75(at).
∆P
2
=0,95 (at).
P
2
= P
1
− ∆P

1
= 3 - 1,75=1,25 (at).
2.3.2. Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi
- Gọi: t
1hd
, t
2hd
, t
nt
là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
- t
1ht
, t
2ht
là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
- Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 1
C
°
t
ht1
= t
hd2
+ 1
GVHD: Trần Thanh Giang Page 10
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
t
ht2
= t
nt
+ 1

Tra bảng : I. 250, STQTTB, Trang 312 [1].
I.251, STQTTB, Trang 314 [1].
Bảng 2.1. Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi
Loại Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(oC)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(oC)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(oC)
Hơi đốt 3 132,9 1,25 105,4 0,3 68,6
Hơi thứ 1,3 106,4 0,31 69,6
2.3.3. Xác định tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do đường ống, tổn
thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.3.3.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (
'∆
)
- Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất.
- Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn
thất nhiệt do nồng độ gây ra.
- Ta có: ∆'= t
ο

sdd
- t
ο
sdmnc
(ở cùng áp suất)
- Áp dụng công thức Tisenco: (CT VI.10 Tr 59 [2]).

Cf
o
°∆=∆ ,.''
Với f = 16,2
r
T
s
2
×
(CT VI.11 Tr 59 [2]).
Trong đó:

o
'∆
: tổn thất nhiệt độ do t
sdd
> t
sdm
ở áp suất thường.
f: hệ số hiệu chỉnh.
T
s
: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (

K
°
).
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
Bảng 2.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra
Tra đồ thị VI.2, STQTTB, Trang 60 [2].
GVHD: Trần Thanh Giang Page 11
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
Nồi 1 Nồi 2
Nồng độ dung dịch (% khối
lượng)
25 12,43
o
'∆
0,5 0,18
Bảng 2.3. Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất
Tra bảng I.251, STQTTB Trang 314 [1].
Nồi 1 Nồi 2
Áp suất hơi thứ (at) 1,3 0,31
Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2243.10
3
2334,4.10
3
Nồi 1: ∆'
1
= ∆'
C
r
T
s

o
°=
×
+
××=
+
×× 52,0
102243
)2734,106(
2,165,0
)273(
2,16
3
2
1
2
Nồi 2: ∆'
2
=
⇨ Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
∆' = ∆'
1
+ ∆'
2
= 0,52+0,15 = 0,67
C
°
.
2.3.3.2. Tổn thất nhiệt 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 =
ops
Hg
2
1
ρ
(N/m
2
) (CT 4.19 ST VDBT T10-Tr 185).
Trong đó:

dds
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3) , = 0,5

dd
ρ
: Khối lượng riêng của dung dịch (kg/).

op
H
: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).

odmddop
HH )].(014.026,0[
ρρ
−+=⇒
(CT 4.20 ST VDBT T10-Tr 185).
GVHD: Trần Thanh Giang Page 12
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
- Từ
∆
P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi
thông qua công thức: P
tbi
= P’
i
+
i
P∆
( i ): nồi thứ i
Bảng 2.4. Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch
Tra bảng I.5 – I.86 STQTTB T1 – [Tr 11 – 58]
x
(%)
c
t,
C
°
3
/ mkg
dd
ρ

3
/ mkg
dds
ρ
Nồi 1 25 106,4 953,66 476,83
Nồi 2 12,34 69,6 978,03 489,015
- Coi
dd
ρ
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ
đang xét.
- Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H
o
= 1,5 m.
Nồi 1:
odmdd
p
o
HH )].(0014,026,0[
1
ρρ
−+=
= [0,26 + 0,0014(953,66-476,83)].1,5 = 1,26(m).
- Áp suất trung bình:
P
1tp
= P’
1
+
1

P∆
=1,3+
4
1081,9
26,181,983,4765.0
×
×××
at
- Tra sổ tay tại: P
1tb
= 1,3(at) ta có t”
1
= 106,45
C°
.

Ctt °=−=−=∆ 05,04,10645,106'""
111

Nồi 2:
odmddo
HH )].(0014,026,0[
ρρ
−+=

= [0,26 + 0,0014.( 978,03 -489,02)].1,5 = 1,3(m).
Áp suất trung bình:
=∆+=
222
' PPP

tb
0,31 +
4
1081,9
3,181,9015,4895,0
×
×××
= 0,34 at.
- Tra sổ tay tại: P
2tb
= 0,34 (at) ta có
2
"t
= 71,48.

=−=∆
222
'"" tt
71,48-69,6 = 1,88 .
Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là:
=∆+∆=∆
∑
21
"""
0,05 + 1,88 = 1,93.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 13
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
2.3.3.3. 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 kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là
C°1
.
Do đó:
.1'".1'"
21
CC
°=∆°=∆

C
°=∆+∆=∆⇒
∑
2'"'"'"
21
.
- Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống ∑∆= ∆'+∆"+∆"'=0,67+1,93+2=4,6 .
2.3.3.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống
- Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆
1i
t
=
1hd
t
-
2hd
t
-∑∆
1

=132,9-105,4-(0,52+0,05+1) = 25,93
C°
Nồi 2: ∆ = t
2hd
- t
nt
- ∑∆
2
=105,4–68,6-(0,15+1,88+1) = 33,77
C
°
- Nhiệt độ sôi thực tế:
Nồi 1:
111111 ihdsshdi
tttttt
∆−=⇒−=∆
= 132,9 – 25,93 = 106,97
C°

Nồi 2:
222222 ihdsshdi
tttttt ∆−=⇒−=∆
= 105,4 – 33,77 = 71,63
C
°
2.4. Cân bằng nhiệt lượng
2.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
C = 4190 - ( 2514 - 7,542.t ).x (J/Kg.độ) (CT I.50 ST T1 – Tr 153)
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 (t
d
= 106,97
C
°
, x = 8 %)
C
d
= 4190 - ( 2514 - 7,542.106,97 ).0,08 = 4053,42 (J/Kg.độ)
Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (t
1s
= 106,97
C
°
, x = 25 %)
C
1
= 4190 - ( 2514 - 7,542.106,97 ).0,25 = 3763,2 (J/Kg.độ)
Nồi 2: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (t
2s
= 71,63, x = 12,43 %)
C
2
= 4190 - ( 2514 - 7,542.71,63 ).0,1243 = 3944,66 (J/Kg.độ)
2.4.2. Nhiệt lượng riêng
GVHD: Trần Thanh Giang Page 14
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
- Gọi: D
1

, D
2
: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
- G
d
, G
c
lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
- W, W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)
- I
1
, I
2
: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2
- i
1
, i
2
: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)
- C
đ
, C
c
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)
- t
đ

, t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch
C
°
- θ
1
, θ
2
: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2
C
°
- C
1ng
,C
2ng
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC
- Q
1tt
,Q
2tt
: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: D
1
I
1
Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (G
đ
-W

2
).C
2
t
2s
Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W
1
i
1
= D
2
I
2
Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào:
đđđ
tCG
Nhiệt mang ra gồm:
Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W
1
i
1
Do dung dịch mang ra: (G
đ
- W)C
1
.t
1s
Do hơi nước ngưng tụ: D
1
C

1ng
θ
1
Do tổn thất chung: Q
1tt
= 0,05D(I
1
-C
1ng
θ
1
)
Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W
2
i
2
Do dung dịch mang ra: (G
d
-W
2
)C
2
t
2s
GVHD: Trần Thanh Giang Page 15
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
Do hơi nước ngưng tụ: D
2
C
2ng

θ
2
Do tổn thất chung: Q
2tt
=0,05D
2
(I
2
-C
2ng
θ
2
)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
- Nồi 1: D
1
I
1
+(G
đ
-W
2
).C
2
t
2s
=W
1
i
1

+(G
đ
-W).C
1
.t
1s
+D
1
C
1ng
θ
1
+
0,05.D.(I
1
-C
1ng
θ
1
) (1)
- Nồi 2: D
2
I
2
+
đđđ
tCG
= W
2
i

2
+(G
d
-W
2
)C
2
t
2s
+ D
2
C
2ng
θ
2
+
0,05D
2
(I
2
-C
2ng
θ
2
) (2) Với: D
2
I
2

= W

1
i
1
; W = W
1
+ W
2
(2)
Ta có: (2) W1(0,95i
1
-C
2
t
2s
+i
2
-0,95C
2ng
θ
2
) = Wi
2
+(G
đ
-W)C
2
t
2s
-G
đ

C
đ
t
2s
W1 =
222221
2222
95,095,0
)(
θ
ngs
sddsd
CitCi
tCGtCWGWi
−+−
−−+
Bảng 2.5. Thông số tính toán
Tra bảng: I. 249 STQTTB Trang 310 [1]
I. 250 STQTTB Trang 312 [1]
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t (0C) I (J/kg)
10
3
Cn(J/kg.độ) t (0C) i(J/kg) C(J/kg.độ) ts (0C)
Nồi 1 132,9 2730 4284,9 106,4 2689,5
2
3763,2 106,97
Nồi 2 105,4 2687,7
2
4227,02 69,6 2625,6 3944,66 71,63

Với: θ
1
= t
hd1
; θ
2
=t
hd2
⇨Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
GVHD: Trần Thanh Giang Page 16
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
)/(7,3321
4,10502,422795,0106,262563,7166,39441052,268995,0
63,7142,4053937563,7166,3944)63759375(106,26256375
33
3
1
hkgW =
××−×+×−××
××−××−+××
=
- Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:
2 1
W W W
= −
=6375-3321,7= 3053,3(kg/h)
- Tính sai số:
%52,0%100
7,3321
33397,3321

1
11
1
=×
−
=
−
=
W
WW
gt
η
<5%
%5%57,0%100
3,3053
30363,3053
2
22
2
<=×
−
=
−
=
W
WW
gt
η
5%
i

η
<
chấp nhận được.
- Lượng hơi đốt tiêu dùng
hkg /7,4070
)9,1329,4284102730(95,0
63,7166.3944)3,30539375(97.1062,3763)63759375(1052,26897,3321
3
3
=
×−××
××−−××−+××
=
−
−−−+
=
).(95,0
.).(.).(
111
2221111
1
θ
ng
sdsd
CI
tCWGtCWGiW
D
- Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
- Theo công thức 4.8, trang 182, [4]:
m = == 0,64 (kg

hơi đốt
/ kg
hơi thứ
)
trong đó: D: Lượng hơi đốt dung cô đặc 9kg/h)
W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/h)
GVHD: Trần Thanh Giang Page 17
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
3.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc.
3.1.1. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Nồi 1: Q
1
= D.r) = = 2536,27(kW)
Nồi 2: Q
2
= D.r(
2
) = = 2639,62 (kW)
3.1.2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
Công thức tổng quát:
K = (W/m
2
.K)
Hình 3.1. Truyền nhiệt qua tường phẳng.
- Công thức tính tổng nhiệt trở:
= + = 0,232.10
-3
+ + 0,387.10
-3

= 0,742.10
-3
(m
2
.K/W)
- Chọn:
là: nhiệt trở cặn bẩn hơi nước phía vách ngoài tường
Chọn là: 0,232.10
-3
(m
2
.K/W) (tra bảng V.I, trang 4, [2])
là: nhiệt trở cặn bẩn dung dịch đường phía vách trong tường
Chọn là: 0,387.10
-3
(m
2
.K/W) (tra bảng V.I, trang 4, [2])
= 2mm: bề dày ống truyền nhiệt
- Chọn loại ống truyền nhiệt là loại thép không rỉ X18H10T có =
16,3 (W/m.K)
- Nhiệt tải riêng trung bình:
Nồi I: q
tb1
=
- Trong đó: q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị.
- Ta có công thức tính q
1

= .(1)
- Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống
thẳng đứng được tính theo công thức của Nusselt
= 2,04A.(W/m
2
.độ) (*) (CT V.101 ST T2- Tr28)
r = r() = 2243.10
3
j/kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 18
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
H =1,5 m: chiều cao bề mặt truyền nhiệt.
A là trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước. A=
Bảng 3.1. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng
(Tra STQTTB T2/trang 29)
2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 104 120 139 155 169 179 188 194 197 199 199
Với =
Chọn = 2
= T- t
1
= 1 t
T1
= T- = 132,9 – 2,26= 130,64
(T+t
T1
) = (132,9 + 130,64) = 131,77


132,335

ta có: 191,7
- Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:
= 2,04 = 11153,46 (W/m
2
K)
- Thay vào côg thức (1) ta có:
q
1
= 11153,46 . 2,26 = 25206,82 (W/m
2
)
q
2
: nhiệt tải phía dung dịch sôi.
- Ta có công thức tính q
2
= .(2)
Với: t
2
là hệ số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch sôi
- Ta có công thức tính q
2
: q
2
= . (2)
Với: = t
w2
– t
2
là hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch sôi.

- Ta có: t
w1
-t
w2
= q
1
.r
∑
t
w2
= t
w1
–q
1
.r
∑
= 132,9 – 25206,82 . 0,742.10
-3

= 114,2

2
=114,2– 106,97 = 7,23
- Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
2
được tính bởi công
thức: [CT VI.27 STQTTB T2 – Tr71];
= (W/m
2
K)

Trong đó:
n
: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
n
= 0,145.
2,33
p
0,5
(CT V.91, trang 26, [2])
: là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m
2
)
GVHD: Trần Thanh Giang Page 19
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
= 0,1457,23
2,33
(1,3
4
)
0,5
= 5199,56(W/m
2
K)
C
dd
: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
⇨ C
dd
= C

1
= 3763,2 (j/kgK)
C
n
: nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
C
n
= 4284,9 (j/kgK)
độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
1
= 25%
Chọn t
1
= 60
0
C, ta có µ
1
= 1,102.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
1
= 16,32
Chọn t
2
= 40

0
C, ta có µ
2
= 1,707.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
2
= 1,41
0
C
Tra µ
1
, µ
2
dựa vào bảng I.112 STQTTB,T
1
/ trang 114
Tra θ
1,
θ
2
dựa vào bảng I.102 STQTTB,T
1
/ trang 94
k = = 1,34
Từ đó ta có:

⇨µ
dd
= 0,5369.10
-3
(N.s/m
2
)
: độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311
= 0,2027.10
-3
: khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
= 953,66 (kg/m
3
)
: khối lượng riêng nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
= 476,83 (kg/m
3
)
: độ dẫn điện dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
= AC
p
(W/mK) (CT 1.32 stt- trang 123)
= 3,58.10
-8
3763,2 953,66 = 0,273 (W/mK)
Trong đó:
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch = 3763,2 (j/kgK)

: khối lượng riêng của dung dịch = (kg/m
3
)
GVHD: Trần Thanh Giang Page 20
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
M: khối lượng mol trung bình của dung dịch
M = x.M
đường
+ (1-x).M
nước
= (kf/kmol)
= 0,25(g/mol)
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, đối với nước
A = 3,58.10
-8
(ST QTTB T1 – Tr123)

n
: độ dẫn điện nước:
0,6842 (Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311)
=
=
= 3498,38 (W/m
2
K)
q
2
=
dd
.t

2
= 3498,38. 7,23= 25293,29(W/m
2
)
- Kiểm tra độ sai số giữa q
1
và q
2
:
Có = 0,34 % (thỏa đk < 5%)
⇨Vậy nhiệt tải trung bình nồi 1 là:
== 25250,06 (W/m
2
)
Nồi II: (tương tự nồi 1)
Trong đó: q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị.
Ta có công thức tính q
1
: q
1
= (1)
- Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống
thẳng đứng được tính theo công thức của Nusselt
(W/m
2
.độ) (*)(CT V.101 ST T2 – Tr28)

3

(j/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.
chiều cao bề mặt truyền nhiệt.
A là trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước. A=
Bảng 3.1. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng
(Tra STQTTB T2/trang 29)
2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 104 120 139 155 169 179 188 194 197 199 199
GVHD: Trần Thanh Giang Page 21
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
Với =
Chọn =
= T- t
1
= 3,62 t
T1
= T- = 105,4 – 3,62 = 101,7
(T+t
T1
) = (105,4 + 101,78) = 103,59


ta có: 181,02275
- Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:
= 2,04 = 9455,99 (W/m
2
K)
- Thay vào công thức (1) ta có:
q
1
= 9455,99. 3.62 (W/m

2
)
q
2
: nhiệt tải phía dung dịch sôi.
- Ta có công thức tính q
2
= .(2)
- Với: t
2
là hệ số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch
sôi
Ta có công thức tính q
2
: q
2
= . (2)
- Với: = t
w2
– t
2
là hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của
dung dịch sôi.
Ta có: t
w1
-t
w2
= q
1
.r

∑
t
w2
= t
w1
–q
1
.r
∑
= 105,4 – 0,742.10
-3
= 80

2
= 80 – 71,63 = 8,37
- Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
2
được tính bởi công
thức: [CT VI.27 T2 – Tr71];
= (W/m
2
K)
Trong đó:
n
: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

n
= 0,145.
2,33
p

0,5
(CT V.91, trang 26, [2])
: là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m
2
)
= 0,1458,37
2,33
(0,31
4
)
0,5
= 3571,36 (W/m
2
K)
C
dd
: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
C
dd
= C
1
= 3944,66 (j/kgK)
C
n
: nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
GVHD: Trần Thanh Giang Page 22
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
C
n
= 4227,02 (j/kgK)

độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
→Lấy nước làm chất tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
2
= 12,43%
Chọn t
1
= 50
0
C, ta có µ
1
= 0,3920.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
1
= 73,38
0
C
Chọn t
2
= 40
0
C, ta có µ
2
= 0,4148.10
-3
(N.s/m

2
)
⇒
θ
2
= 68,46
0
C
k = = 2,03
Từ đó ta có:

⇒
µ
dd
= 0,3393.10
-3
(N.s/m
2
)
: độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
(Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311)
= 0,2696.10
-3
: khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
= 978,03
: khối lượng riêng nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
→= 489,015
: độ dẫn điện dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
= AC (W/mK) (CT 1.32 stt- trang 123)
= 3,58.10

-8
. 3944,66. 978,03 = 0,354
Trong đó:
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch = 3944,66 (j/kgK)
: khối lượng riêng của dung dịch = 978,03 (kg/m
3
)
M: khối lượng mol trung bình của dung dịch:
→ M = x.M
đường
+ (1-x).M
nước
= (kf/kmol) = 0,1243. 342 + (1-0,1243). 18
= 58,27 (g/mol)
A: hệ số phụ thuộc mức độ lien kết của chất lỏng, đối với nước
→A =3,58.10
-3
(ST QTTB T1 – Tr123)
GVHD: Trần Thanh Giang Page 23
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
n
: độ dẫn điện nước (Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311)
n= 0,683
= (W/m
2
K)
=
= 3953,37 W/m

2
K)
q
2
=
dd
.t
2
= 3953,37 . 8,37 = 33089,7(W/m
2
)
- Kiểm tra độ sai số giữa q
1
và q
2
:
Có = 3,33% (thỏa đk)
⇨Vậy nhiệt tải trung bình nồi 1 là:
= = 33660,19(W/m
2
)
- số truyền nhiệt mỗi nồi:
Nồi I: K
1
= 937,78 (W/m
2
.độ)
Nồi II: K
2
= 996,75(W/m

2
.độ)
3.2.3. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
3.2.3.1. Hiệu số nhiệt dộ hữu ích thực của mỗi nồi
- Công thức chung: (Tr 168 tập 5)
(
Trong đó:
i1
=
=
Q
1
=2536,27.10
3
(W)
Q
2
= 2639,62.10
3
W
= + = + = 5352,77
- Tính cho nồi 1:
- Tính cho nồi 2:
3.2.3.2. diện tích bề mặt truyền nhiệt.
GVHD: Trần Thanh Giang Page 24
Bài tập lớn Kỹ Thuật Thực Phẩm
Nồi 1: F
1
= = 89,67 m
2

Nồi 1: F
2
= = 89.67 m
2
- Như vậy dựa vào F
1
, F
2
ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi có
diện tích truyền nhiệt bằng nhau và bằng 89,67 m
2
CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
4.1. Tính buồng kính.
4.1.1. Đường kính buồng bốc.
- Do lượng hơi thứ bốc lên ở 2 nồi xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi 2
nhỏ hơn nên khối lượng riêng của hơi ở nồi 2 nhỏ hơn nồi 1 suy ra thể
tích hơi thoát ra ở nồi 2 sẽ lớn hơn nồi 1.Do vậy ta chỉ cần tính đại diện
nồi 2.
- Vận tốc hơi của hơi thứ trong buồng bốc phải không quá
70-80% vận tốc lắng ().
=m/s
; khối lượng riêng của giọt lỏng và hơi thứ (kg/m
3
).(69,6 C)
3
). (tra bảng I.5 STQTTB tập 1 trang 11)
3
) (tra bảng I.250. STQTTB tập 1 trang 312)
GVHD: Trần Thanh Giang Page 25