Thiết kế cô dặc dung dịch mía đường

Đồ án môn học
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan.................................................................................2
I. Nhiệm vụ đồ án ........................................................................2
II. Lựa chọn thiết bò .......................................................................2
III. Quy trình công nghệ .................................................................3
Chương 2: Thiết bò cô đặc ........................................................................7
I. Sơ lược về thiết bò cô đặc .........................................................7
II. Cân bằng vật chất năng lượng .................................................7
III. Kích thước thiết bò ....................................................................10
Chương 3: Thiết bò phụ .............................................................................29
I. Thiết bò ngưng tụ baromet ........................................................29
II. Thiết bò gia nhiệt ......................................................................34
III. Tính và chọn bơm .....................................................................35
Chương 4: Kiểm soát và điều khiển quá trình ......................................41
Tổng kết...............................................................................................................45
Tài liệu tham khảo .............................................................................................47
1
Đồ án môn học
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dòch 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
• p suất ngưng tụ: 0,3at
• p 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
dòch 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 ngoài tác dụng lên mặt thoáng của dung dòch (tức khi dung
dòch sôi). Để cô đặc các dung dòch không chòu được nhiệt độ cao (như dung dòch đường) đòi
hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng 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 bò kín, liên tục.
Đường saccharose không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axit, nó dễ bò 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 dòch tiếp xúc với nhiệt độ cao.
3. Phân loại thiết bò cô đặc:
Thiết bò cô đặc được chia làm 3 nhóm:
- Nhóm 1: Dung dòch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bò dạng này
dùng để cô đặc các dung dòch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của

dung dòch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
2
Đồ án môn học
- Nhóm 2: dung dòch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bò trong
nhóm này được dùng cho các dung dòch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn hay kết
tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dòch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi
xuống. Thiết bò nhóm này chỉ cho phép dung dòch 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 dòch.
Đối với mỗi nhóm thiết bò đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Tuỳ
theo điều kiện của dung dòch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất
thường hay áp suất dư.
4. Lựa chọn thiết bò cô đặc:
Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bò nói trên ta
chọn loại thiết bò ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngoài, sử dụng
hai nồi xuôi chiều liên tục.
Ưu điểm của hệ thống:
Dùng thiết bò cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dòch vào và ra khỏi dàn ống một lần,
không có tuần hoàn trở lại, nên thời gian dung dòch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt truyền
nhiệt ngắn, thích hợp với sản phẩm dễ bò 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 dòch và áp suất giảm dần từ
nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dòch ở nồi cuối cùng sẽ thấp.
Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao thiết bò, 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 dòch có độ nhớt
cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dòch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy
ra.
Không thích hợp khi cô đặc dung dòch đến nồng độ cuối cao và dung dòch dễ kết tinh vì

dung dòch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống.
Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chòu 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 bò gia nhiệt với suất lượng 3500kg/h để gia nhiệt lên đến
nhiệt độ sôi là103
o
C.
Thiết bò gia nhiệt là thiết bò trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Về mặt cấu tạo thiết bò 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 hoà có áp suất 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ), dung dòch nước mía được bơm
vào thiết bò và được cho đi bên trong cácông1. Hơi nước bão hoà sẽ ngưng tụ trên các bề
mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dòch nước mía nâng nhiệt độ của dung dòch lên
đến nhiệt độ sôi.
• Dung dòch sau khi được gia nhiệt sẽ được chảy qua nồi 1 của thiết bò cô đặc.
Về mặt cấu tạo thiết bò 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.
3
Đồ án môn học
-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
4
Đồ án môn học
là hơi đốt ) sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dòch chuyển
động bên trong ống. Dung dòch 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 hoá hơi một

phần dung môi. Phần hơi sẽ được tạo ra ở vùng trung tâm ống, dung dòch 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 dòch 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 dòch
đường sôi càng mạnh. Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì độ nhớt của dung dòch 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 dòch được nhập liệu vào nồi với tốc độ không đổi, và nó chảy từ đầu
ống đến cuối ống không có tuần hoàn 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 dòch 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.
-Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dòch, dòng hơi thứ được tạo thành khi tách
khỏi bề mặt dung dòch luôn kéo theo một lượng nhất đònh các hạt chất lỏng dung dòch. Nếu
dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dòch sẽ lắng đọng
làm bẩn bề mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Mặt khác nếu kéo theo nhiều dung
dòch sẽ gây tổn thất dung dòch. Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là phải tách các
hạt chất lỏng dung dòch 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 bò 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.
5
Đồ án môn học
• 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 dòch 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 dòch sau khi ra khỏi nồi 2 đạt
đến nồng độ mong muốn 25% và được bơm vào bồn chứa để chuẩn bò cho công đoạn tiếp
theo. Hơi thứ của nồi 2 có áp suất 0,3 at được tách lỏng rồi đi vào thiết bò ngưng tụ baromet.
Thiết bò ngưng tụ baromet là thiết bò ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh là nước
được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bò, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm cuối của thiết bò.
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 bò áp suất sẽ giảm. Vì vậy thiết bò ngưng tụ baromet là thiết bò ổn đònh 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 bò 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
ngoài. Quá trình tách nước ra khỏi khí không ngưng để tránh trường hợp nước bò 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. p suất làm việc của thiết bò 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 ngoài khí

quyển mà không cần dùng máy bơm. Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng
ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bò ngưng tụ quá nhiều (vì
hệ thống làm việc liên tục), làm cho áp suất của thiết bò ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho
nước chảy ngược lại sang nồi 2.
• Nước ngưng sau khi ra khỏi thiết bò ngưng tụ sẽ được thải vào hệ thống nước thải .
6
Đồ án môn học
CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
I. SƠ LƯC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dòch nước mía.
 Những yêu cầu đối với thiết bò 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 ngoài 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 thoát khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thoát 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 thoát nước ngưng tụ dễ dàng. Việc thoát nước ngưng tụ có liên quan chặt
chẽ đến tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thoát 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 bò đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hoá dễ dàng.
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG:
Kí hiệu các đại lượng:

Kí hiệu đơn vò ý nghóa
G kg/h, kg/s suất lượng dung dòch
W kg/h, kg/s suất lượng hơi thứ
D kg/h, kg/s suất lượng hơi đốt
x %KL nồng độ dung dòch đường
x
%KL nồng độ trung bình của dung dòch 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
7
Đồ án môn học
t
o
C nhiệt độ
Δt
o
C chênh lệch nhiệt độ
s
t
o

C nhiệt độ sôi trung bình của dung dòch
t
s
o
C nhiệt độ sôi của dung dòch
θ
o
C nhiệt độ nước ngưng
φ % độ ẩm của hơi bão hoà
“
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 dòch nhập liệu: x

đ
= 0,08
Nồng độ dung dòch 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 dòch 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 đònh 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:
8
Đồ án môn học

11
221
2
21
PPP
PPP
PP
PPP
D
ng
t
∆+=
∆+=
=
∆=∆+∆

(8)
-Từ giả thiết áp suất trong các nồi, xác đònh 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 đònh tồn thất nhiệt độ:
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 toàn hệ thốùng:
21
∆+∆=Σ∆=∆
Σ
i
(11)

-Hiệu số nhiệt độ hữu ích:

ngD
ch
ttt
tt
−=∆
∆−∆=∆
Σ
(12)
-Nhiệt độ sôi của dung dòch từng nồi:

'
∆+=
ws
tt
(13)
-Xác đònh 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
dòch đốt thứ ngưng dòch 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 hoà bao giờ cũng có 1 lượng nước đã ngưng bò lôi cuốn theo khoảng
φ = 0,05
Như vậy nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

))(1(
"
θϕ
ciDQ
DD
−−=
9

Đồ án môn học
-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)
-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 dòch 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 vò Ý nghóa
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 dòch 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 bò
D m đường kính thân thiết bò
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 bò
v m/s vận tốc lưu chất
10
Đồ án môn học
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 dòch đường mía
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
“w” kí hiệu ứng với hơi thứ
“n” kí hiệu bên ngoài 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
“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 đònh các thông số vật lý của dung dòch
(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 hoà 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 hoà tại nhiệt độ t
D
11
Đồ án môn học
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 dòch sôi:

θ
λ
α
L
s
Nu.
=
(28)
Với :
3/1
Pr).(Re01,0
=
Nu
(29)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch 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 dòch:
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)
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 dòch:
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 đònh 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 toán 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).
12
Đồ án môn học
Bước 4: Sau đó ta cố đònh 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 bò: H
o
â, d
t
,
d
n
, n, δ.
Bước 7: Chọn 2 giá trò nhiệt độ phía hơi đốt Δt
D

rồi suy ra nhiệt độ phía vách ngoài 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 dòch 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 trò
Δt
D

cần xác đònh. Lặp lại các bước 8, 9, 10 với giá trò Δt
D
vừa xác đònh.
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)
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 bò đã chọn ở
trên.
Nếu thoả điều kiện, ta quy tròn diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống truyền nhiệt
theo các trò số đã qui chuẩn hoá.
13
Đồ án môn học
Bảng 1: Thông số pha hơi
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vò
Giá trò
Ghi chú
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
p 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
2682.4
6
2624.0
1
ẩn nhiệt ngưng tụ r
W
kJ/kg
2254.8
2
2336.1
7
Hơi đốt
Nhiệt độ t
D
o
C 132.9 101.16
p 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
2257.2
2
Tra bảng I.250-
[3]
Bảng 2: Thông số pha lỏng
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vò
Giá trò
Ghi chú Nồi 1 Nồi 2
Suất lượng
Dung dòch vào G
đ
kg/h 3500 2310 (5)
Dung dòch ra G
c
kg/h 2310 1120 (6)
Nồng độ
Dung dòch vào x
đ
0.08
0.121
2 (3)
Dung dòch ra x
c

0.121
2 0.25 (4)
Trung bình
x

0.100
6
0.185
6
Bảng 3: Kết quả tính cân bằng vật chất và năng lượng
Đại lượng
Kí
hiệu Đơn vò
Giá trò
Ghi chú Nồi 1 Nồi 2
Độ tăng phí điểm
14
Đồ án môn học
Dung dòch vào Δ'
đ
o
C 0.08 0.131
Dung dòch ra Δ'
c
o
C 0.185 0.4
Trung bình
'
∆
o

C 0.1325 0.2655
Nhiệt độ sôi
Dung dòch vào t
sđ
o
C 103.24 69.831
Dung dòch ra t
sc
o
C
103.34
5 70.1
Trung bình
s
t
o
C
103.29
3
69.965
5
Nhiệt dung riêng
Dung dòch vào c
đ
J/kg.độ
4051.1
7
3949.1
1
(22)

Dung dòch ra c
c
J/kg.độ
3979.7
5
3693.6
7
Trung bình
c
J/kg.độ
4015.4
5
3821.3
3
Suất lượng hơi thứ W kg/h
1201.2
2
1178.7
8 (19), (20)
sai số ΔW %
0.9427
5
0.9427
5
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 vò
Giá trò
Ghi chúnồi 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 ngoài 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
Phía hơi đốt
15
Đồ án môn học
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)
n 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
7140,1
1
6949,7
9 (26)
Cường độ dòng

nhiệt q
D
W/m
2
26418,
4
23698,
8 (37)
Phía dung dòch
Suất lượng dung
dòch 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
4018,0
9
3828,8
6 (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
3789,3
4
2165,7
9 (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)

16
Đồ án môn học
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
hữu ích chọn Δt
hichọn

o
C 29,61 31,19 Bảng 3
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
o
â= 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:
ng 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:
17
Đồ án môn học

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:

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 vò thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vò thời gian).
U
tt
= f.U
tt(1 at)
, m
3
/m
3
.h (61)
Hệ số hiệu chỉnh f xác đònh theo đồ thò hình VI.3-[4]
U
tt(1 at)
= 1700 m
3
/m
3
.h (62)

Bảng 5: kích thước thiết bò chính
Đại lượng
Kí
hiệu Đơn vò
Giá trò
Ghi chú
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
p suất P
w
at 1,12 0,3
Khối lượng riêng ρ
w
Kg/m
3
0,6431 0,1883 Bảng I.250-
18
Đồ án môn học
[3]
Độ nhớt têt 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 dòch
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)
Thể tích không gian
hơi V
b
m
3
1,099 2,323 (60)
Chiều cao không
gian hơi H
b
m 0,97 2,054 (59)
Chiều cao buồng bốc H
b
m 2,5
Kích thước cửa nhập liệu, tháo liệu, hơi đốt, hơi thứ, tháo nước ngưng, nối buồng
đốt và buồng bốc:
Đường kính ống dẫn và cửa ra vào của thiết bò được xác đònh từ phương trình lưu lượng.
Chọn tốc độ của khí (hơi) hoặc dung dòch đi trong ống dẫn theo trang 74-[4], sau đó tính
đường kính ống theo công thức sau:

v
G
d
πρ
3600
4
=
(63)

Làm tròn đường kính ống đến đường kính chuẩn. Dựa vào đường kính vừa chọn, tra bảng
XIII.32 –[4] ta chọn kích thườc chiều dài đoạn ống nối.
Bảng 6 : Kích thước cửa ra vào của thiết bò
Đại
lượng
Nhập
liệu
Hơi
đốt
Nước
ngưng
Khí
không
ngưng
Tháo
liệu
Hơi
thứ
Ống nối
buồng đốt
và bốc
Suất lượng
(kg/h)
Nồi 1 3500 1371.6 1371.6 2310 1190
Nồi 2 2310 1213.2 1213.2 1120 1190
Vận tốc (m/s) Nồi 1 0.5 20 0.5 0.5 30
Nồi 2 0.5 20 0.5 0.5 30
Khối lượng
riêng(kg/m3)
Nồi 1 1040.1 1.618 932.28 1040.1 1.618

19