Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập liệu 1500 kg mẻ Đồ án Kĩ thuật thực phẩm

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

ĐỒ ÁN
KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
NƯỚC MUỐI (TỪ 10% ĐẾN 27%), NĂNG
SUẤT NHẬP LIỆU 1500 Kg/MẺ

GVHD: TS. PHAN THẾ DUY
SVTH:
TÔ THÀNH ĐẠT

MSSV:

TP HỒ CHÍ MINH, 2022
i


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

Thiết Kế Hệ Thống Thiết Bị Cô Đặc Nước Muối (Từ
10% Đến 27%), Năng Suất Nhập Liệu 1500 Kg/Mẻ

GVHD: TS. PHAN THẾ DUY
SVTH:
TƠ THÀNH ĐẠT

MSSV:2005208158

TP HỒ CHÍ MINH, 2022
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Sinh viên thực hiện: Tô Thành Đạt _ 2005208158_11DHTP12
ii


Sinh viên thực hiện
Cán bộ hướng đẫn. Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Điểm:………………………………

Chữ ký: ……………………………

Hội đồng chấm Đồ án. Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Điểm:………………………………

Chữ ký: ………………………………..

Điểm tổng kết:……………………………

MỤC LỤC

iii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN......................................................................................2
1.1. Nhiệm vụ...............................................................................................2
1.2. Tổng quan nguyên liệu..........................................................................2
1.2.1. Ngun liệu....................................................................................2
1.2.2. Các biến đổi trong q trình cơ đặc:............................................2
1.3. Cơ đặc và q trình cơ đặc.....................................................................3
1.3.1. Định nghĩa......................................................................................3
1.3.2. Các phương pháp cô đặc................................................................3
1.3.3. Phân loại.........................................................................................3
1.4. Ứng dụng...............................................................................................5
1.5. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn:..................5
1.5.1. Ưu điểm..........................................................................................5
1.5.2. Nhược điểm....................................................................................5
CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ...................................................6
2.1. Thuyết minh quy trình cơng nghệ:.........................................................6
2.2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình cơng nghệ...........................7
2.2.1. Bơm:...............................................................................................7
2.2.2. Thiết bị cơ đặc:...............................................................................7
2.2.3. Thiết bị ngưng tụ:...........................................................................7
2.2.4. Thiết bị tách lỏng:...........................................................................8
2.2.5. Các thiết bị phụ trợ khác:...............................................................8

CHƯƠNG 3. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG
LƯỢNG...................................................................................................................... 9
3.1. Dữ kiện ban đầu.....................................................................................9
3.2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn......................................................9
iv


3.3. Cân bằng năng lượng...........................................................................10
3.3.1. Các tổn thất nhiệt độ:....................................................................11
3.3.2. Cân bằng năng lượng cho các nồng độ.........................................14
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CƠ ĐẶC19
4.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)......................................................19
4.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2).......................................................19
4.3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv).............................................................21
4.4. Tiến trình tính nhiệt tải riêng...............................................................22
4.5. Hệ số truyền nhiệt K cho q trình cơ đặc...........................................24
4.6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt...............................................................24
CHƯƠNG 5. TÍNH THIẾT BỊ CƠ ĐẶC....................................................25
5.1. Tính buồng đốt....................................................................................25
5.1.1. Tính chọn đường kính buồng đốt.................................................25
5.1.2. Đường kính ống tuần hồn:..........................................................25
5.1.3. Tính kích thước đáy, nón của buồng đốt:.....................................27
5.1.4. Tổng kết.......................................................................................27
5.2. Tính kích thước buồng bốc..................................................................27
5.2.1. Đường kính buồng bốc (Db).........................................................27
5.2.2.

Tính chiều cao buồng bốc Hb...........................................................29

5.2.3. Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc.............................30

CHƯƠNG 6. TÍNH CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHÍNH.............................34
6.1. Tính cho buồng đốt..............................................................................34
6.1.1. Sơ lược cấu tạo.............................................................................34
6.1.2. Tính tốn......................................................................................34
v


6.2. Tính cho buồng bốc.............................................................................35
6.2.1. Sơ lược cấu tạo.............................................................................35
6.2.2. Tính tốn......................................................................................36
6.3. Tính cho đáy thiết bị............................................................................37
6.3.1. Sơ lược cấu tạo.............................................................................37
6.3.2. Tính tốn......................................................................................38
6.4. Tính nắp thiết bị...................................................................................38
6.4.1. Sơ lược cấu tạo.............................................................................38
6.5. Tính mặt bích.......................................................................................40
6.5.1. Sơ lược cấu tạo.............................................................................40
6.5.2. Chọn mặt bích..............................................................................41
6.5.3. Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt..........................................41
6.6. Tính tai treo:........................................................................................43
6.6.1. Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ...................................................43
6.6.2. Thể tích các bộ phận thiết bị.........................................................43
CHƯƠNG 7. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ...............................................47
7.1. Tính thiết bị ngưng tụ Baromet............................................................47
7.1.1. Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ.................................47
7.1.2. Thể tích khơng khí và khí khơng ngưng cần hút ra khỏi thiết.......47
7.1.3. Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ:..............................48
7.2.2. Kích thước tấm ngăn:..................................................................49
7.2. Bơm chân khơng..................................................................................49

DANH MỤC BẢNG BIỂU
vi


Y

Bảng 3. 1. Bảng tóm tắt cân bằng vật chất......................................................10
Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ và nhiệt độ sôi của dung dịch ở các nồng độ......11
Bảng 3. 3. Nhiệt độ sơi dung dịch có tổn thất ∆ ’’.............................................13
Bảng 3. 4. Nhiệt dung riêng của dung dịch theo nồng độ...............................15
Bảng 4. 1. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng......................19
Bảng 4. 2. Bảng tóm tắt các thơng số dung dịch theo từng nồng đ
Bảng 5. 1. Các kích thước của buồng đốt........................................................27
Bảng 5. 2. Kích thước đường kính các ống.....................................................33

YBảng 6. 1. Số liệu của bích nối buồng bốc và buồng đốt..............................41
Bảng 6. 2. Số liệu bích nối buồng đốt và đáy..................................................42
Bảng 6. 3. Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp...........................................43
Bảng 6. 4. Bảng số liệu kích thước của tai treo...............................................46

vii


LỜI MỞ ĐẦU
“Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập
liệu 1500 kg/mẻ” là đồ án nhóm chúng em được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy
Phan Thế Duy, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm, trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm
TP. Hồ Chí Minh.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về q trình
cơ đặc, quy trình cơng nghệ, tính tốn cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho

thiết bị cơ đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu
cầu.
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 còn chất rắn tan khơng bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng
lên theo yêu cầu mong muốn.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết bị
phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư cơng
nghệ thực phẩm. Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các
kiến thức về mơn học Kỹ thuật thực phẩm. Ngồi ra, việc giải các bài tốn cơng nghệ,
hay thực hiện cơng tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần
thiết đối với một kỹ sư trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Thế Duy cũng như các thầy của bộ môn Kỹ
thuật thực phẩm đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em trong quá trình thiết kế.
Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể
có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ là nguồn động
viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hồn
thiện hơn.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nhiệm vụ
Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập liệu 1500
kg/mẻ.
- Nồng độ nhập liệu: 10%
- Nồng độ sản phẩm: 27%
- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at

- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 3 at
- Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu 25oC
1.2. Tổng quan nguyên liệu
1.2.1. Nguyên liệu
- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion
- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày
- Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m3) (bảng 1.57, trang 45 [1]).
- Nguyên liệu đem đi cô đặc là dd NaCl 10% với dung môi là nước.
1.2.2. Các biến đổi trong q trình cơ đặc:
Trong q trình cơ đặc, tính chất cơ bản của ngun liệu và sản phẩm biến đổi
không ngừng. Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất
dung dịch thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền
nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng
độ, nhiệt độ sôi.
2


Yêu cầu chất lượng sản phẩm:
Đạt nồng độ yêu cầu
Thành phần hóa học chủ yếu khơng thay đổi.
1.3. Cơ đặc và q trình cơ đặc
1.3.1. Định nghĩa
Cơ đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong
dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng
bay hơi trong q trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn)
bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cô đặc được tiến hành ở các nhiệt độ sôi và áp suất như: áp suất chân không, áp

suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi
hay nhiều nồi. Q trình cơ đặc có thể là gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong q
trình cơ đặc thường là hơi nước, gọi là “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi
lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng
ngồi dây chuyền cơ đặc thì gọi là “hơi phụ”. [1]
1.3.2. Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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
thống chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ
tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ
chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình
kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
1.3.3. Phân loại
Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cơ đặc dung dịch
khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
3


- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hồn trong hoặc ngồi.
- Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ
1,5– 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng
cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Gồm:
- Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
- Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu
làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi tạo
bọt khí khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương pháp thực hiện q trình.
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại
và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao.
Cô đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100 oC. Dung dịch tuần
hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử
dụng hơi thứ cho các q trình khác.
Cơ đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu
cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến
khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung
4


dịch mới để tiếp tục cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên lớn q
vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cơ đặc chân khơng, cơ đặc áp lực hay phối
hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao
hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển
tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.4. Ứng dụng
Công nghệ cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất hoá chất và
thực phẩm. Trong sản xuất hố chất ứng dụng cơ đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2,
các muối vô cơ… Trong sản xuất thực phẩm người ta ứng dụng cô đặc để cô đặc dung
dịch đường (syrup), đường dung dịch nước trái cây, dung dịch sữa, dung dịch cà phê,…

Quá trình cơ đặc có thể là cơng đoạn chế biến chính, tạo ra sản phẩm hoặc có thể
là giai đoạn phụ, phục vụ cho các công đoạn chế biến tiếp theo.
1.5. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn:
1.5.1. Ưu điểm
- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.
- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản.
- Thao tác dễ dàng.
- Có thể cơ đặc đến các nồng độ khác nhau.
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
1.5.2. Nhược điểm
- Q trình khơng ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ,
thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.

5


CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
2.1. Thuyết minh quy trình công nghệ:
2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi.
- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,7 at.
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu có nồng độ 10% 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 sơi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt
thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. 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 gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cơ đặc để thực hiện q trình bốc
hơi. Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không. Hơi thứ

bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngồi
bồn chứa, phần khơng ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ cịn khí theo bơm chân khơng
ra ngồi. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm.
2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cơ đặc ống tuần hồn trung tâm
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các 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 khơng gian ngồi ống.
Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là
buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt
và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt. Dung dịch được đun sôi,

6


tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch
giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống.
Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn
hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn. Vì vậy khối lượng riêng của
hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt. Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên
xuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hồn tạo nên
dịng tuần hồn tự nhiên.
Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên
qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi
thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng
độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung
thêm một lượng dung dịch thiết bị.
Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% thì ngưng cấp hơi. Mở van thơng
áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
2.2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình cơng nghệ

2.2.1. Bơm:
Bơm được sử dụng trong quy trình cơng nghệ gồm:
Bơm ly tâm và bơm chân không
 Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng
dịng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm nước muối từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đăc.
 Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm
việc.
2.2.2. Thiết bị cơ đặc:
Đây là thiết bị chính trong quy trình cơng nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc
và buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần
hồn trung tâm có đường kín lớn hơn.
7


Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp
lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần
hoàn được sử dụng để tạo một dịng chảy tuần hồn trong thiết bị.
2.2.3. Thiết bị ngưng tụ:
Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình cơng nghệ là loại thiết bị ngưng tụ
trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng
thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân khơng nên nó phải được đặt ở một độ
cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà không cần máy bơm.
2.2.4. Thiết bị tách lỏng:
Thiết bị tách lỏng được đặc sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử
bay hơi cịn sót lại chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không.
2.2.5. Các thiết bị phụ trợ khác:
Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.

8

CHƯƠNG 3. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG
LƯỢNG
3.1. Dữ kiện ban đầu
Các số liệu ban đầu:
Dung dịch NaCl có:
- Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 10%.
- Nồng độ cuối 27%.
- Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
- Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,7 at.
- Năng suất nhập liệu Gđ = 1500 kg/mẻ
3.2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5 [3]:
Gđ = G c + W
Gđ.xđ = Gc.xc
Trong đó
Gđ, Gc
W
xđ, xc

:lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg/h)
:lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg/h)
:nồng độ đầu và nồng độ cuối của mỗi giai đoạn (%)

Gđ.xđ, Gc.xc : Thể tích đường trong dung dịch

9

a. Giai đoạn 10% đến 15%
Gđ = 1500 kg/h. xđ = 0,1 . xc = 0,15
xđ xđ

0,1

Gc= Gđ. x c x c = 1500 . 0,15 = 1000 kg/h.
W= Gđ-Gc=1500 – 1000 = 500 kg/h.

b. Giai đoạn 15% đến 20%
Gđ = 1000 kg/h. xđ = 0,15 . xc = 0,2
Gc = Gđ.

xđ
0,15
= 1000.
= 750 kg/h
xc
0,2

W= Gđ - Gc = 1000 – 750 = 250 kg/h
c. Giai đoạn 20% đến 27%
Gđ = 750 kg/h. xđ = 0,2 . xc = 0,27
Gc= Gđ.

xđ
0,2
= 750 .
= 555, 56 kg/h
xc

0,27

W= Gđ-Gc = 750 – 555,56 = 194,44 Kg/h
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi:
Wt= 500 + 250 + 194,44 = 944,44 Kg/h
Bảng 3. 1. Bảng tóm tắt cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, % ng độ dung dịch, % dung dịch, % ch, %

10

Khối lượng dung dịch, kg/hi lượng dung dịch, kg/hng dung dịch, % ch, kg/h
1500
Lượng dung dịch, kg/hng hơi thứ đã bốc hơi, kg/hi thứ đã bốc hơi, kg/h đã bối lượng dung dịch, kg/hc hơi thứ đã bốc hơi, kg/hi, kg/h 0
Khối lượng dung dịch, kg/hi lượng dung dịch, kg/hng riêng dung dịch, % ch,
1073
kg/m3

3.3. Cân bằng năng lượng
Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3 at.
10

2

15

20

1000
500

750
250

7
555,56
194,44

1110

1150

1205


Tra bảng 57, Sách Ví dụ và bài tập - tập 10 [4], trang 443; nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at
Áp suất làm việc trong buồng bốc thiết bị cô đặc Pc = 0,3 at.
Nhiệtt độ hơii thứ ở buồngng bốcc t1 = 68,7 oC (Bảngng I.251 trang 314 Tài liệtu [1]).
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung mơi (nước) trên mặt thống của dung dịch
t

sdm(P0)

= 68,7 oC

Gọi Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên dường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, (theo
QT TBTN T5, trang 184) chọn Δ’’’ = 1oC
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ : tc = 68,7 - 1 = 67,7 oC.

3.3.1. Các tổn thất nhiệt độ:

a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (Δ’ ):
Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có:
∆ ’= f . ∆ 0’

[0C]

Trong đó:
∆ ’: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.
∆ 0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.

f : hệ số hiệu chỉnh
f = 16,14.

T2
r

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K].
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra từ bảng: ∆ 0’ VI 2, sổ tay tập 2, trang 66 [2].
f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển.
Với f tra ở bảng tài liệu [3], bảng 5.3 trang 184
t

sdm(P0)

= 68,7 o C tra được f = 0,81
11


Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ và nhiệt độ sôi của dung dịch ở các nồng độ.

Nồng độ dung dịch, % ng độ dung dịch, % dung dịch, % ch, %

10

15

20

27

∆ 0’ , oC

1,9

3,25

4,85

8

1,54

2,63

3,9

6,48

70,2

71,3

72,6

75,2

Tổn thất
Tổn thất n thất t ∆ ’ oC

Nhiệt độ sôi dung dịch, oC

b) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ ”):
Theo Sách Ví dụ và bài tập - tập 10, ví dụ 4.8, trang 207 [4].
Δ ” = Tsdd(Po+Δ p) - Tsdd(Po)
Trong đó:
Tsdd(Po) : nhiệt độ sơ dung dịch ở mặt thống.
Tsdd (Po+Δ p) : nhiệt độ sơi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất
lỏng, đặt là tstb
Theo Sách Ví dụ và bài tập - tập 10, trang 184: [4]
Δ ’= Tsdd(P0) - Tsdm(P0)
⇒ Tsdd(P0) = Tsdm(P0) + Δ’
-Tính Tsdd (P0 + Δ P ):
Ptb = P0 + 0,5.ρhh.g.Hop = P0 + Δ p
Trong đó:
Δ p = 0,5.ρhh.g.Hop
ρhh = 0,5*ρdd
ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đang xét ở nhiệt độ t
kg/m3.
g: 9,81 m/s2
Hop: chiều cao lớp lỏng sôi (m).

12

sdd (P1 + Δ p)


Với Hop = [0,26 + 0,0014.( ρdd –ρdm)].Ho, m
Ho: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn Ho = 1,5 m.
ρdd: Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, kg/m3
ρdm : khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 76,4 oC.
Ta có ρdm = 999 (kg/m3) [1]

Tính cho trườngng hợpp dung dịchch NaCl 10 %
Do trong khoảngng nhiệtt độ nhỏ,, hiệtu sốc ρdd - ρdm thay đổn thất i không đáng kể nên :


ρdm = 999 (kg/m3)
ρdd = 1073 (kg/m3.)
Hop = [0,26 + 0,0014.( ρdd –ρdm)].Ho
= [0,26 + 0,0014.(1073 - 999)] * 1,5 = 0,5454 (m)
Δ p = 0,5.ρhh.g.Hop = 0,5 . 0,5 . 1073 . 9,81. 0,5454 = 1435,24N / m2 = 0,015
at
Ptb = P0 + Δ p = 0,3 + 0,015 = 0,315 at
Nhiệtt độ sôi củaa H2O ở 0,315 at là 69,7 oC ( Bảngng I.251 trang 314 Tài liệtu [1])
Độ tăng nhiệtt độ sôi do cột thủay tĩnh
Δ ” = Tsdm(P0+Δ p) – T sdm (P0) = 69,7 – 68, 7 = 1 oC
Nhiệt độ sôi dung dịch NaCl 10 % ở áp suất P0 + Δ p
t sdd(P0+Δ p) = 70,2 +1 = 71,2 oC
Tương tự ta tính được:
Bảng 3. 3. Nhiệt độ sơi dung dịch có tổn thất ∆ ’’

Nồng độ dung dịch, % ng độ dung dịch, % dung dịch, % ch, %
Tổn thất n thất t ∆ ’’ ,oC
t sdd(P0+2Δ p)

10

15

20

27

1

1,14

1,34

1,7

72,2

73,6

75,3

78,6

13