Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ hai nồi xuôi chiều liên tục, loại ống dài

Đồ án môn học
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan....................................................................................2
I. Nhiệm vụ đồ án ............................................................................2
II. Lựa chọn thiết bị ..........................................................................2
III. Quy trình công nghệ ....................................................................3
Chương 2: Thiết bị cô đặc ............................................................................7
I. Sơ lược về thiết bị cô đặc ............................................................7
II. Cân bằng vật chất năng lượng .....................................................7
III. Kích thước thiết bị .......................................................................10
Chương 3: Thiết bị phụ ................................................................................29
I. Thiết bị ngưng tụ baromet ...........................................................29
II. Thiết bị gia nhiệt ..........................................................................34
III. Tính và chọn bơm ........................................................................35
Chương 4: Kiểm sốt và điều khiển quá trình .............................................41
Tổng kết....................................................................................................................45
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................47
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
1
Đồ án môn học
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ hai nồi xuôi chiều liên tục, loại ống
dài
• Năng suất nhập liệu: 3500 Kg/h
• Nồng độ đầu: 8% khối lượng
• Nồng độ cuối: 25% khối lượng
• Aùp suất ngưng tụ: 0,3at
• Aùp suất hơi đốt: 3at
II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ:
1. Khái niệm:

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung
dịch 2 hay nhiều cấu tử . Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách
một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng
phương pháp làm lạnh kết tinh.
Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt. Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của
nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần
của nó bằng áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống của dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để
cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc
ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thống thấp.
2. Sơ lược về nguyên liệu:
Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc là nước mía đã được làm sạch, loại bỏ các tạp chất, tẩy
màu, tẩy mùi. Sau công đoạn làm sạch, nước mía có pH 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
, NH
3
, protein,...)
Do có hàm lượng đường cao, nước mía là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển nên
trong quy trình sản xuất đường, nước mía phải được chứa đựng, vận chuyển, xử lý trong các
thiết bị kín, liên tục.
Đường saccharose không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axit, nó dễ bị biến đổi thành các
đường đơn, các hợp chất có màu làm giảm hiệu suất thu hồi đường và giảm giá thành sản
phẩm. Vì vậy trong quá trình sản xuất, người ta luôn tìm cách giảm nhiệt độ vẫn bảo và giảm
thời gian dung dịch tiếp xúc với nhiệt độ cao.
3. Phân loại thiết bị cô đặc:
Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:
- Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hồn tự nhiên. Thiết bị dạng này
dùng để cô đặc các dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn tự nhiên của dung
dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hồn cưỡng bức. Thiết bị trong nhóm
này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn hay kết tinh từng
phần trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi
xuống. Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt
một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.
Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngồi. Tuỳ theo
điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường
hay áp suất dư.
4. Lựa chọn thiết bị cô đặc:
Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên ta
chọn loại thiết bị ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngồi, sử dụng hai
nồi xuôi chiều liên tục.
Ưu điểm của hệ thống:
2
Đồ án môn học
Dùng thiết bị cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dịch vào và ra khỏi dàn ống một lần, không
có tuần hồn trở lại, nên thời gian dung dịch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt truyền nhiệt ngắn,
thích hợp với sản phẩm dễ bị biến tính vì nhiệt độ.
Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi
thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi
trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp.
Sử dụng buồng đốt ngồi nhằm giảm bớt chiều cao thiết bị, tách bọt triệt để do buồng đốt
cách xa không gian hơi.
Nhược điểm:
Hệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có độ nhớt
cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy ra.
Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết tinh vì dung
dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống.
Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chịu sự dãn nở vì nhiệt nhiều.

III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:
Thuyết minh quy trình công nghệ:
• Nguyên liệu đầu tiên là nước mía đã qua làm sạch có nồng độ 8% ở nhiệt độ 30
o
C được
bơm từ bồn chứa vào thiết bị gia nhiệt với suất lượng 3500kg/h để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi
là103
o
C.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Về mặt cấu tạo thiết bị có dạng
thân hình trụ, đặt đứng, bên trong là dàn ống 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. Hơi
nước bão hồ có áp suất 3 at đi bên ngồi ống (phía vỏ), dung dịch nước mía được bơm vào thiết
bị và được cho đi bên trong cácông1. Hơi nước bão hồ sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngồi của
ống và cấp nhiệt cho dung dịch nước mía nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi.
• Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ được chảy qua nồi 1 của thiết bị cô đặc.
Về mặt cấu tạo thiết bị cô đặc có dạng thân hình trụ, đặt đứng, gồm 3 bộ phận chính: bộ
phận nhận nhiệt (còn gọi là buồng đốt), không gian phân ly, bộ phận phân ly.
-Buồng đốt: bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ. Các ống được bố trí theo
đỉnh hình tam giác đều, các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống. Trong đó hơi nước (còn gọi
3
Đồ án môn học
là hơi đốt ) sẽ ngưng tụ bên ngồi ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển
động bên trong ống. Dung dịch nước mía sẽ được cho chảy thành màng mỏng bên trong ống từ
trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hố hơi một phần dung
môi. Phần hơi sẽ được tạo ra ở vùng trung tâm ống, dung dịch sẽ được chảy thành màng mỏng
sát thành ống.
Điều kiện cần thiết để quá trình truyền nhiệt xảy ra là phải có sự chênh lệch nhiệt độ
giữa hơi đốt và dung dịch đường; tức là phải có sự chênh lệch áp suất của hơi đốt và hơi thứ
trong nồi.

Các đại lượng, thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của buồng đốt là:
Nhiệt độ và áp suất trong nồi vì nó liên quan mật thiết đến nhiệt độ sôi trong nồi đó. Nếu
áp suất trong nồi càng thấp thì điểm sôi càng thấp, áp suất hơi càng lớn, dung dịch đường sôi
càng mạnh. Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì độ nhớt của dung dịch lớn, ảnh hưởng đến đối
lưu và truyền nhiệt. Và nếu áp suất thấp thì nhiệt độ của hơi thứ bốc lên cũng thấp, làm giảm
khả năng truyền nhiệt cho các nồi sau nếu như lượng hơi thứ này được sử dụng làm hơi đốt cho
nồi sau.
Nhiệt độ nhập liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Nếu nhập liệu ở trạng thái
chưa sôi thì khi vào buồng đốt phải tốn thêm một lượng nhiệt để đưa nó đến trạng thái sôi.
Nhưng do dung dịch được nhập liệu vào nồi với tốc độ không đổi, và nó chảy từ đầu ống đến
cuối ống không có tuần hồn trở lại nên nếu nhập liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi đi hết ống nó
chưa nhận đủ lượng nhiệt cần thiết để đạt đến nồng độ yêu cầu.
• Hỗn hợp hơi-lỏng đi qua khỏi dàn ống, đến không gian phân ly và bộ phận phân ly, gọi
chung là buồng bốc.
-Không gian phân ly: là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai dòng,
dòng hơi thứ cấp đi lên phía trên của buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch còn lại được
bơm qua nồi 2. Quá trình phân ly ở đây sử dụng chủ yếu là lực trọng trường, nhờ lực trọng
trường các hạt chất lỏng to, nặng sẽ rơi xuống và tách khỏi dỏng hơi thứ và chảy xuống dưới,
còn dòng hơi sẽ tiếp tục đi lên trên.
4
Đồ án môn học
-Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo thành khi tách
khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo một lượng nhất định các hạt chất lỏng dung dịch. Nếu
dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dịch sẽ lắng đọng làm
bẩn bề mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Mặt khác nếu kéo theo nhiều dung dịch sẽ gây
tổn thất dung dịch. Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là phải tách các hạt chất lỏng
dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ cấp. Ta sử dụng 3 phương pháp vật lý sau để phân ly hơi thứ
cấp:
 Sử dụng lực trọng trường:
 Dùng lực dính ướt của chất lỏng: khi các hạt chất lỏng chạm vào bề mặt vách

rắn, lực dính ướt sẽ dính các hạt lỏng trên bề mặt và sau đó chảy xuống dưới.
 Dùng lực ly tâm: khi cho dòng hơi thứ cấp quay tròn, nhờ lực ly tâm các hạt
chất lỏng bị văng ra, chạm vách rắn chảy xuống.
Để quá trình phân ly đạt hiệu quả cao thì chiều cao của không gian phân ly phải đủ lớn.
• Sau khi ra khỏi buồng bốc hơi thứ của nồi 1 theo ống dẫn hơi thứ và được dẫn vào phía
vỏ của buồng đốt 2 để làm hơi đốt cho nồi 2, còn dung dịch thì được bơm qua nồi 2 và cho
chảy từ trên xuống.
• Các quá trình ở nồi 2 xảy ra tương tự như ở nồi 1. Dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2 đạt
đến nồng độ mong muốn 25% và được bơm vào bồn chứa để chuẩn bị cho công đoạn tiếp theo.
Hơi thứ của nồi 2 có áp suất 0,3 at được tách lỏng rồi đi vào thiết bị ngưng tụ baromet.
Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh là nước
được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm cuối của thiết bị.
Hai dòng lỏng và hơi đi ngược chiều với nhau để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. Dòng hơi thứ
đi lên gặp nước giải nhiệt nên nó sẽ ngưng tụ thành lỏng rơi trở xuống. Khi ngưng tụ chuyển từ
hơi thành lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bị áp suất
sẽ giảm. Vì vậy thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, nó duy trì áp suất chân
không trong hệ thống. Dòng hơi thứ đi từ dưới lên, ngưng tụ, chảy xuống, khí không ngưng tiếp
tục đi lên trên và được dẫn qua bình tách. Bình tách là một vách ngăn, nó có nhiệm vụ là tách
những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng,
còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngồi. Quá trình tách nước ra khỏi khí
không ngưng để tránh trường hợp nước bị hút vào bơm chân không gây va đập thủy lực, nó
được thực hiện bằng cách sử dụng lực dính ướt của chất lỏng và lực trọng trường. Aùp suất làm
việc của thiết bị baromet là áp suất chân không do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần
thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà không cần dùng máy bơm. Bơm chân
không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngồi để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại
trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều (vì hệ thống làm việc liên tục), làm cho áp suất của thiết bị
ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi 2.
• Nước ngưng sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ sẽ được thải vào hệ thống nước thải .
5
Đồ án môn học

CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
I. SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dịch nước mía.
 Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:
- Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng không chết.
- Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn .
- Hơi đốt phải đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngồi giữa các ống của dàn ống
(đảm bảo nhiệt phân bố đều cho các ống của dàn ống).
- Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để cho ngưng tụ (không làm bẩn bề
mặt ngưng) lấy nhiệt cấp cho nồi tiếp theo.
- Đảm bảo thốt khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thốt ra bình
thường. Sự tồn tại của khí không ngưng trong phòng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơi và
do đó giảm năng suất bốc hơi.
- Đảm bảo thốt nước ngưng tụ dễ dàng. Việc thốt nước ngưng tụ có liên quan chặt chẽ đến
tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thốt nước ngưng không tốt, nước ngưng đọng lại nhiều
trong phòng đốt, làm giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi.
- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hố dễ dàng.
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:
Kí hiệu các đại lượng:
Kí hiệu đơn vị ý nghĩa
G kg/h, kg/s suất lượng dung dịch
W kg/h, kg/s suất lượng hơi thứ
D kg/h, kg/s suất lượng hơi đốt
x %KL nồng độ dung dịch đường
x
%KL nồng độ trung bình của dung dịch đường
Q kJ/kg,W nhiệt lượng có ích

i” kJ/kg entanpi của hơi
r kJ/kg ẩn nhiệt ngưng tụ
c kJ/kg.độ nhiệt dung riêng
Q
tt
kJ/kg nhiệt lượng tổn thất
Q
cđ
kJ/kg nhiệt cô đặc
P at áp suất
ΔP at chênh lệch áp suất
t
o
C nhiệt độ
Δt
o
C chênh lệch nhiệt độ
6
Đồ án môn học
s
t
o
C nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch
t
s
o
C nhiệt độ sôi của dung dịch
θ
o
C nhiệt độ nước ngưng

φ % độ ẩm của hơi bão hồ
“
1
” kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 1
“
2
” kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 2
“
đ
” kí hiệu ứng với nhập liệu
“
W
” kí hiệu ứng với hơi thứ
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
1) Cân bằng vật chất:
Đối với cả hệ thống:
Năng suất nhập liệu: G
đ
= 3500kg/h
Nồng độ dung dịch nhập liệu: x
đ
= 0,08
Nồng độ dung dịch sản phẩm: x
c
= 0,25
Lượng hơi thứ tạo thành của cả hệ: W
Σ
= G

đ
(1-
c
d
x
x
) =
∑
=
ì
i
i
W
1
(1)
Đối với từng nồi:
-Giả thiết tỉ lệ hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và nồi 2:
2
1
W
W
m
=
,
2,11
≤≤
m
(2)
-Nồng độ x
i

của sản phẩm tại các nồi:
Nồi 1:
1
1
WG
G
xx
d
d
d
−
=
(3)
Nồi 2:
21
2
WWG
G
xx
d
d
d
−−
=
(4)
Suất lượng dung dịch ở các nồi :
Nồi 1:
3500
1
==

dd
GG
kg/h
Nồi 2:
112
WGGG
dcd
−==
(5)

Σ
−=−=
WGWGG
ddc 222
(6)
2) Cân bằng năng lượng:
Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:
-Hiệu số áp suất của cả hệ thống:

ngDt
PPP
−=∆
= 3 -0,3 =2,7 at
-Giả thiết phân phối hiệu áp suất giữa các nồi:
5,22,1
2
1
÷=
∆
∆

P
P
(7)
-Tính áp suất hơi thứ trong các nồi:

11
221
2
21
PPP
PPP
PP
PPP
D
ng
t
∆+=
∆+=
=
∆=∆+∆
(8)
-Từ giả thiết áp suất trong các nồi, xác định nhiệt độ hơi thứ trong từng nồi.
-Hơi thứ của nồi 1 là hơi đốt của nồi 2, nên: t
D2
= t
w1
-Δ”’ (9)
Xác định tồn thất nhiệt độ:
7
Đồ án môn học

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ(
'
∆
)
Tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn hơi thứ
'''
∆
=1
o
C (chọn theo trang161- [1])
-Tổn thất của từng nồi:
'''"'
iii
i
∆+∆+∆=∆
(10)
-Tổng tổn thất chung của tồn hệ thốùng:
21
∆+∆=Σ∆=∆
Σ
i
(11)
-Hiệu số nhiệt độ hữu ích:

ngD
ch
ttt
tt
−=∆
∆−∆=∆

Σ
(12)
-Nhiệt độ sôi của dung dịch từng nồi:

'
∆+=
ws
tt
(13)
-Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
11 sDh
ttt
−=∆
(14)
Nồi 2:
212
1
swh
ttt
−−=∆
(15)
Cân bằng năng lượng:
Cân bằng năng lượng đối với hệ thống cô đặc liên tục: (CT 5.18, trang 158-[1])
ttcdcccwDddd
QQtcGDcWiDitcG
+±++=+
θ
"

(16)
Dung hơi hơi nước dung nhiệt tổn
dịch đốt thứ ngưng dịch cô thất
vào ra đặc
Giả thiết:
-Không có quá lạnh nước ngưng (nước ngưng ở trạng thái lỏng sôi):
DD
rci
=−
θ
"
-Trong hơi nước bão hồ bao giờ cũng có 1 lượng nước đã ngưng bị lôi cuốn theo khoảng
φ = 0,05
Như vậy nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

))(1(
"
θϕ
ciDQ
DD
−−=
-Giả sử tổn thất nhiệt :
Dtt
QQ 05,0
=
-Nhiệt cô đặc rất nhỏ so với các phần nhiệt lượng khác nên có thể coi:
Q
cđ
= 0
Phương trình CBNL trở thành:

cccwdddD
DcccwdddD
tcGWitcGDr
QtcGWitcGDr
+=+⇒
++=+
9,0
05,095,0
-Phương trình cân bằng năng lượng đối với hệ thống 2 nồøi xuôi chiều liên tục trở thành:
Nồi 1:
11111
)(9,0 tcWGiWtcGDr
dwdddD
−+=+
(17)
Lượng hơi thứ của nồi 1 là lượng hơi đốt của nồi 2
Nồi 2:
222111111
)()()(9,0 tcWGiWWtcWGrW
dwdw
−+−=−+
(18)
8
Đồ án môn học
-Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1 là:

1121
11222
1
9,0

)(
tcìr
tcGtcWGWi
W
dd
−+
−−+
=
(19)
Nồi 2:
12
WWW
−=
(20)
Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là:

D
dddd
r
tcGtcWGiW
D
9,0
)("
11111
−−+
=

(21)
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường có nồng độ x tại nhiệt độ t:
C = 4190-(2514-7,542.t).x (J/kg.độ) (22)

III. KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:
Kí hiệu các đại lượng
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
q W/m
2
cường độ dòng nhiệt
M
Sac
khối lượng phân tử đường saccharose
M
dm
khối lượng phân tử nước
M
khối lượng phân tử trung bình của dung dịch đường mía
K W/m
2
.độ hệ số truyền nhiệt tổng quát
r
D
kJ/kg ẩn nhiệt ngưng tụ
r m
2
.độ/W nhiệt trở
g m/s
2
gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s
2
)
H m chiều cao thiết bị
D m đường kính thân thiết bị

F m
2
diện tích bề mặt truyền nhiệt
d m đường kính ống truyền nhiệt
d
m đường kính trung bình ống truyền nhiệt
n ống tổng số ống truyền nhiệt
m ống số ống truyền nhiệt trên đường chéo chính
V m
3
thể tích thiết bị
v m/s vận tốc lưu chất
U
tt
m
3
/m
3
.h cường độ bốc hơi thể tích
f hệ số điều chỉnh cho cường độ bốc hơi thể tích
α
W/m.độ hệ số cấp nhiệt
t m bước ống truyền nhiệt
δ
m chiều dày ống truyền nhiệt
λ
W/m.độ hệ số dẫn nhiệt
µ
Pas độ nhớt tuyệt đối
ρ

kg/m
3
khối lượng riêng
θ
m kích thước hình học đặc trưng
“
L
” ký hiệu ứng với dung dịch đường mía
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
“w” kí hiệu ứng với hơi thứ
“n” kí hiệu bên ngồi ống truyền nhiệt
“t” kí hiệu bên trong ống truyền nhiệt
“v” kí hiệu ứng với vách ống truyền nhiệt
“đ” kí hiệu ứng với buồng đốt
9
Đồ án môn học
“b” kí hiệu ứng với buồng bốc
“ô” kí hiệu ứng với ống truyền nhiệt
Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt:
-Nhiệt lượng hữu ích do hơi đốt cung cấp:
Nồi 1:
111111
"9,0 tcGtcGiWDrQ
dddWD
+−==

(23)
Nồi 2:

22211122112
"9,0 tcGtcGiWrWQ
ww
+−==

(24)
-Tính hệ số truyền nhiệt của các nồi:
Theo nhiệt độ sôi và nồng độ trong các nồi, ta xác định các thông số vật lý của dung dịch
(khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng…)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Vì
5,0
>
t
n
d
d
nên hệ số truyền nhiệt tổng quát có thể tính theo công thức tường phẳng:

i
s
nt
i
D
i
rr
K
αλ
δ
α

11
1
++++
=
(W/m
2
.độ) (25)
Hệ số cấp nhiệt phía hơi bão hồ ngưng tụ:

25,0
1
32
)(
15,1








−
=
vDDo
DDD
D
ttH
gr
µ

λρ
α
(W/m
2
.độ) (26)
r
D
: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hồ tại nhiệt độ t
D
các thông số vật lý khác ( ρ
D
, μ
D
, λ
D
) là số liệu của nước sôi tại nhiệt độ trung bình phía hơi
đốt:
2
1vD
D
tt
t
+
=
−
,
o
C (27)
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi:

θ
λ
α
L
s
Nu.
=
(28)
Với :
3/1
Pr).(Re01,0
=
Nu
(29)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch mía đường (CT I.32 trang 123- [5] )

3
_
8
10.58,3
M
c
L
LpL
ρ
ρλ
−
=
(30)
Trong đó:

1
_
1
−








−
+=
dmct
M
x
M
x
M
(31)

xtCp )..542,72514(4190
−−=
, (j/kg.độ) (32)
Nhiệt độ trung bình phía dung dịch:
2
2
_
vs

L
tt
t
+
=
(33)
Kích thước hình học đặc trưng:
3/1
2
2








=
g
L
L
ρ
µ
θ
(34)
Chuẩn số Pr:
L
Lp
c

λ
µ
=
Pr
(35)
10
Đồ án môn học
Chuẩn số Re:
Lt
L
nd
G
µπ
....3600
.4
Re
=
(36)
Cường độ dòng nhiệt:
Phía hơi đốt:
DvDDDD
tttq
αα
).(.
1
−=∆=
(37)
Phía dung dịch:
ssvsLL
tttq

αα
).(.
2
−=∆=
(38)
Dòng nhiệt truyền qua vách:
v
vv
r
tt
qv
Σ
−
=
21
(39)

λ
δ
++=Σ
ntv
rrr
(40)
Bỏ qua mất mát nhiệt, ta có: q
D
= q
L
= q
v
(41)

Các bước tính:
Bước 1: Đầu tiên ta cố định tỉ lệ
2
1
P
P
∆
∆
=1,35 ; ta thay đổi tỉ lệ
2
1
W
W
từ 1-1,2
Bước 2: Tính lại lượng hơi thứ ở mỗi nồi bằng công thức (19), (20)
Bước 3: Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
Sau khi tính được lượng hơi thứ trong các nồi theo (19) và (20), ta tiến hành kiểm tra bằng
cách so sánh kết quả tính tốn được với giả thiết ban đầu.
Nếu
%5%100.
),max(
≤
−
=∆
ici
ici
WW
WW
W
là được. ( 42)

Nếu không phải giả thiết lại tỉ số hơi thứ ở các nồi và tính lại cân bằng vật chất, năng
lượng.(lặp lại các bước 1 đến bước 3).
Bước 4: Sau đó ta cố định tỉ số
2
1
W
W
vừa tìm được ở trên (thoả điều kiện), và thay đổi tỉ lệ
chênh lệch áp suất giữa các nồi.
Bước 5: Tính chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức (14), (15).
Bước 6: Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt và các thông số về kích thước thiết bị: H
ô
, d
t
, d
n
,
n, δ.
Bước 7: Chọn 2 giá trị nhiệt độ phía hơi đốt Δt
D
rồi suy ra nhiệt độ phía vách ngồi tương
ứng.
Bước 8: Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía hơi đốt (α
D
và q
D
).
Bước 9: Tính nhiệt độ vách trong tương ứng t
v2
:

vvv
rtt
Σ−=
12
(43)
Bước 10: Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía dung dịch khi sôi (α
L
và q
L
).
Bước 11: Coi gần đúng cường độ dòng nhiệt phụ thuộc tuyến tính vào Δt
D
, ta dựng 2 đường
thẳng qD = f(Δt
D
) và qL = f(Δt
D
), giao điểm của 2 đường thẳng này ứng với giá trị Δt
D
cần xác
định. Lặp lại các bước 8, 9, 10 với giá trị Δt
D
vừa xác định.
Bước 12: Kiểm tra điều kiện:
%5
),max(
≤
−
=∆
LD

LD
qq
qq
q
(44)
Nếu không thoả ta lặp lại các bước 7-11. Nếu thoả ta tiếp tục bước tiếp theo.
Bước 13: Tính hệ số truyền nhiệt K.
Bước 14: Phân phối chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho các nồi theo phương pháp diện tích bề
mặt truyền nhiệt các nồi F = const:

∑
=
∆=∆
2
1
/
/
.*
i
ii
ii
chhi
KQ
KQ
tt
(45)
11
Đồ án môn học
Bước 15: Kiểm tra điều kiện:
%5%100.

)*,max(
*
≤
∆∆
∆−∆
hi
i
h
hihi
tt
tt
(46)
Nếu thoả thì tiếp tục bước tiếp theo.
Nếu không phải giả thiết lại tỉ lệ chênh lệch áp suất
2
1
P
P
∆
∆
và lặp lại các bước 4-15.
Bước 16: Tính bề mặt truyền nhiệt F:
hi
tK
Q
F
*.
∆
=
(47)

Bước 17: Tính lại số ống truyền nhiệt n:
^o
dH
F
n
π
=
(48)
Với
2
nt
dd
d
+
=
(49)
Kiểm tra điều kiện:

%5
),max(
≤
−
=∆
tínhchon
tínhchon
nn
nn
n
(50)
Nếu chưa thoả điều kiện thì chỉnh lại các thông số về kích thước thiết bị đã chọn ở trên.

Nếu thoả điều kiện, ta quy tròn diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống truyền nhiệt theo
các trị số đã qui chuẩn hố.
Bảng 1: Thông số pha hơi
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vị
Giá trị
Nồi 1 Nồi 2
Chênh lệch áp suất ΔP at 1,886 0,82 Tỉ lệ 2,3:1
Hơi thứ
Suất lượng W kg/h 1190 1190 Tỉ lệ 1:1
Aùp suất P
W
at 1.12 0.3 (8)
Nhiệt độ t
W
o
C 102.16 68.7
Tra bảng I.251-[3]
theo Pw


Entanpi i"
W
kJ/kg 2682.46 2624.01
ẩn nhiệt ngưng tụ r
W
kJ/kg 2254.82 2336.17

Hơi đốt
Nhiệt độ t
D
o
C 132.9 101.16
Aùp suất P
D
at 3 1,12
Suất lượng D Kg/h 1371,6 1213,2 (21)
ẩn nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2171 2257.22 Tra bảng I.250-[3]
Bảng 2: Thông số pha lỏng
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vị
Giá trị
Nồi 1 Nồi 2
Suất lượng
Dung dịch vào G
đ
kg/h 3500 2310 (5)
Dung dịch ra G
c
kg/h 2310 1120 (6)
12
Đồ án môn học
Nồng độ

Dung dịch vào x
đ
0.08 0.1212 (3)
Dung dịch ra x
c
0.1212 0.25 (4)
Trung bình
x
0.1006 0.1856
Bảng 3: Kết quả tính cân bằng vật chất và năng lượng
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn vị Giá trị
Nồi 1 Nồi 2
Độ tăng phí điểm
Dung dịch vào Δ'
đ
o
C 0.08 0.131
Dung dịch ra Δ'
c
o
C 0.185 0.4
Trung bình
'
∆
o
C 0.1325 0.2655
Nhiệt độ sôi

Dung dịch vào t
sđ
o
C 103.24 69.831
Dung dịch ra t
sc
o
C 103.345 70.1
Trung bình
s
t
o
C 103.293 69.9655
Nhiệt dung riêng
Dung dịch vào c
đ
J/kg.độ 4051.17 3949.11
(22)


Dung dịch ra c
c
J/kg.độ 3979.75 3693.67
Trung bình
c
J/kg.độ 4015.45 3821.33
Suất lượng hơi thứ W kg/h 1201.22 1178.78 (19), (20)
sai số ΔW % 0.94275 0.94275
Chênh lệch nhiệt độ hữu
ích Δt

hi
o
C 29,61 31,19 (14), (15)
Bảng 4: Kết quả tính hệ số truyền nhiệt tổng quát và diện tích bề mặt truyền nhiệt
Đại lượng Kí hiệu Đơn vị Giá trị
nồi 1 nồi 2
Ống truyền nhiệt
Vật liệu Thép X18H10T
Hệ số dẫn nhiệt λ W/m.độ 16,3
Tra bảng
XII.7-[4]
Chiều cao H
ô
m 5
Đườngkính trong d
t
m 0,031
Đường kính ngồi d
n
m 0,038
Chiều dày
δ
m 0,0035
Nhiệt trở lớp nước
ngưng r
n
m
2
.độ/W 1,16.10
-4

Tra bảng
V.1-[4]Nhiệt trở lớp cặn bẩn r
t
m
2
.độ/W 3,87.10-4
13
Đồ án môn học
Phía hơi đốt
Nhiệt độ hơi t
D

o
C 132,9 101,16
Nhiệt độ vách t
v1

o
C 129,2 97,75
Nhiệt độ trung bình
D
t

o
C 131,05 99,455 (27)
Aàn nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2171 2257,2
Tra bảng
I.250-[3] theo t

D
Khối lượng riêng ρ
D
kg/m
3
933,9 958,8
Tra bảng
I.249-[3] theo
D
t
Hệ số dẫn nhiệt λ
D
W/m.độ 0,684 0,681
Độ nhớt tuyệt đối μ
D
10
-4.
Pa.s 2,16 2,18
Hệ số cấp nhiệt α
D
W/m
2
.độ 7140,11 6949,79 (26)
Cường độ dòng nhiệt q
D
W/m
2
26418,4 23698,8 (37)
Phía dung dịch
Suất lượng dung dịch G

đ
Kg/h 3500 2310
Nồng độ trung bình

x
% 0,1006 0,1856
Nhiệt độ sôi trung
bình

s
t

o
C 103,29 69,97
Phân tử lượng trung
bình
M
19,79 21,61 (31)
Nhiệt độ vách t
v2

o
C 110,24 80,74 (43)
Nhiệt độ trung bình

L
t

o
C 106,77 75,35 (33)

Khối lượng riêng ρ
L
kg/m
3
1040,1 1076,9
Tra bảng
I.87-[3]
Hệ số dẫn nhiệt λ
L
W/m.độ 0,560 0,543 (30)
Độ nhớt tuyệt đối μ
L
10
-4.
Pa.s 3,81 7,0
Bảng I.112-
[3]
Nhiệt dung riêng C
p
J/kg.độ 4018,09 3828,86 (32)
Chuẩn số Re Re 1546,3 554,1 (36)
Chuẩn số Pr Pr 2,73 4,94 (35)
Chuẩn số Nu Nu 0,1616 0,1399 (29)
Kích thước hình học
đặc trưng θ m 2,4.10
5
3,5.10
5
(34)
Hệ số cấp nhiệt αL W/m

2
.độ 3789,34 2165,79 (26)
Cường độ dòng nhiệt qL W/m
2
26324,6 23338,3 (38)
SS cường độ dòng
nhiệt Δq/q % 0, 355 1,5 (44)
Kiểm tra ĐK
%5
≤
∆
q
q
Đạt Đạt
Hệ số truyền nhiệt K W/m 748,92 650,18 (26)
Nhiệt lượng có ích Q W 743641 684027 (23), (24)
Chênh lệch nhiệt độ
hữu ích tính Δt
hitính

o
C 30,02 31,78 (45)
Chênh lệch nhiệt độ Δt
hichọn

o
C 29,61 31,19 Bảng 3
14
Đồ án môn học
hữu ích chọn

So sánh % 1,37 1,86 (46)
Diện tích bề mặt
truyền nhiệt F m
2
33,18 33.18 (47)
Số ống truyền nhiệt n ống 58,3 58,3 (48)
SS số ống truyền
nhiệt % 4,43 4,43
Kiểm tra ĐK Đạt Đạt
Chọn thông số chung cho cả 2 nồi.
Ta chọn dư bề mặt truyền nhiệt 20%.
Số ống truyền nhiệt là: n = 91 ống (làm tròn theo bảng V.11-[4])
Chiều cao ống truyền nhiệt là : H
ô
= 5m
Chiều cao thân buồng đốt lấy bằng chiều cao ống truyền nhiệt: H
đ
= 5m
KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT VÀ BUỒNG BỐC:
Kích thước buồng đốt:
Oáng được bố trí trên vỉ ống theo đỉnh hình tam giác đều, ống được lắp vào mạng bằng
phương pháp nong ống, với bước ống t =1,4.d
n
Đường kính vỏ buồng đốt: (CT 2.85,trang 58 – [1])
D
đ
= t (m-1) + 4d
n
(51)
Số ống trên đường chéo: (CT2.86-[1])

)1(
3
4
1
−+=
nm
(52)
Kích thước buồng bốc:
Nhiệm vụ chủ yếu của buồng bốc là tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi xuống
dưới, còn hơi đi lên phía trên.
Đường kính buồng bốc tính từ điều kiện phân ly được những giọt lỏng có đường kính từ 0,3
mm trở lên.
Ta chọn đường kính buồng bốc theo dãy chuẩn sao cho D
b
> D
đ
.
Kiểm tra điều kiện: vận tốc của hơi thứ trong buồng bốc không quá 70 – 80% vận tốc lắng
của giọt lỏng:
%8070
÷≤
L
w
v
v
(53)
Vận tốc của hơi thứ trong buồng bốc:

2

3600
4
bw
w
D
W
V
πρ
=
(54)
Vận tốc lắng của giọt lỏng:

ξρ
ρρ
w
LwL
L
dg
V
3
)(4
−
=
(55)
Với: d
L
= 0,3 mm =0,0003 m.
Hệ số trở lực
ξ
đưởc tính như sau:

Nếu 0,2 < Re < 500 thì
6,0
Re
5,18
=
ξ
(56)
Nếu 500 < Re < 150000 thì
44,0
=
ξ
(57)
Chuẩn số Re:
w
Lww
μ
dρv
=
Re
(58)
Chiều cao không gian hơi của buồng bốc:
15
Đồ án môn học

2
4
b
b
b
D

V
H
π
=
, m (59)
Thể tích không gian hơi: (CT VI.32-[4])

ttw
b
U
W
V
.
ρ
=
,m
3
(60)
Với Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi ( thể tích hơi nước
bốc hơi trên một đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian).
U
tt
= f.U
tt(1 at)
, m
3
/m
3
.h (61)
Hệ số hiệu chỉnh f xác định theo đồ thị hình VI.3-[4]

U
tt(1 at)
= 1700 m
3
/m
3
.h (62)
Bảng 5: kích thước thiết bị chính
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn vị Giá trị
nồi 1 nồi 2
Tổng số ống TN n ống 91
Số ống trên đường
chéo m ống 11 (52)
Đường kính ống TN d
n
mm 38
Bước ống t mm 53.2 t=1,4.d
n
Chiều cao buồng đốt H
đ
m 5
Đường kính buồng
đốt D
đ
m 800
(51),đã quy
tròn theo chuẩn

Đường kính buồng
bốc D
b
m 1200 Chọn
Hơi thứ
Suất lượng W Kg/h 1190 1190
Bảng 1


Nhiệt độ t
w

o
C 102,16 68,7
Aùp suất P
w
at 1,12 0,3
Khối lượng riêng ρ
w
Kg/m
3
0,6431 0,1883 Bảng I.250-[3]
Độ nhớt tuỵêt đối μ
w
10
-7
. Pa.s 125 109 Bảng I.121-[3]
Vận tốc v
w
m/s 0,454 1,552 (54)

Chuẩn số Re Re 7,01 8,04 (58)
Hệ số trở lực ξ 5,752 5,297 (56), (57)
Dung dịch
Nồng độ cuối x
c
0,1212 0,25
Nhiệt độ sôi t
sc

o
C 103,345 70,1
Khối lượng riêng ρ
L
Kg/m
3
1040,1 1076,9 Bảng I.87-[3]
Vận tốc lắng v
L
m/s 1,05 2,058 (55)
So sánh vận tốc %v % 43,2 75,4 (53)
Kiểm tra ĐK %v
<70% Đạt Đạt
Hệ số hiệu chỉnh f 0,99 1,6
Cường độ bốc hơi thể
tích cho phép U
tt
m
3
/m
3

.h 1683 2720 (61)
16