Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài

- 1 -
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công
nghiệp hóa chất và thực phẩm đang trở thành ngành chủ lực của nước ta.
Trong đó ngành công nghiệp đường mía có vai trò quan trọng đối với nền
kinh tế cũng như đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Bên
cạnh cung cấp nguồn dinh dưỡng cho con người, đường còn có vai trò quan
trọng trong nhiều ngành khác như bánh kẹo, dược, hóa học… Với những
đóng góp quan trọng đó, công nghiệp mía đường ngày càng phát triển cùng
với việc mở rộng năng suất, cải tiến công nghệ và đổi mới thiết bị.
Thiết bị sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất
lượng sản phẩm và năng suất, vì vậy việc sử dụng thiết bị phải phù hợp với
tình hình thực tế để quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt nhất. Thiết bị cô đặc là
một trong những thiết bị chính ảnh hưởng quan trọng đến quá trình sản xuất
đường, việc tính toán các thông số, kết cấu cũng như chọn loại thiết bị cô đặc
cần phải chính xác, hợp lý, phù hợp với yêu cầu của sản xuất.
Đối với là sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, đồ án quá trình thiết
bị là một đồ án có vai trò hết sức quan trọng, giúp chúng ta hiểu đựơc cách
thức thiết kế một thiết bị theo yêu cầu, cũng như cung cấp một cái nhìn thực
tế về dây chuyền sản xuất. Bao gồm việc tính toán lựa chọn các thông số làm
việc cũng như các thông số của thiết bị, biết được cách vận hành cũng như
đưa ra chế độ làm việc, đảm bảo cho thiết bị làm việc ổn định và đáp ứng yêu
cầu đặt ra, nghiên cứu và đề ra biện pháp khắc phục các sự cố trong quá trình
vận hành, hoạt động thiết bị. Đồ án quá trình thiết bị cô đặc còn giúp chúng ta
hiểu được cách tra sổ tay, bao gồm tra cứu các số liệu liên quan đến quá trình
cô đặc mía đường như nhiệt độ sôi, áp suất hơi, độ nhớt, khối lượng riêng .vv.
và các công thức tính toán. Ngoài ra, qua việc thiết kế thiết bị, chúng ta sẽ biết
cách thiết lập một bản vẽ kỹ thuật, biết cách đọc, phân tích và hiểu một bản
vẽ. Tóm lại, đồ án quá trình thiết bị có vai trò rất thiết thực đối với quá trình
học tập cũng như công việc sau này.
- 2 -

Với những yêu cầu trên, tôi thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống cô đặc
dung dịch mía đường xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong ống tuần hoàn
ngoài”. Trong quá trình thực hiện đồ án, do chưa có kinh nghiệm và kiến thức
còn hạn hẹp nên không tránh khỏi được những sai sót, rất mong sự đóng góp
ý kiến của thầy cô. Tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Thỵ Đan Huyền và các thầy cô
thuộc khoa CK-CN đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ
án.
- 3 -
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG
NGHỆ
1. Sơ lược về lý thuyết cô đặc:
1.1. Định nghĩa:
Cô 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 không bay hơi trong quá 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. Ở đề tài này ta sử dụng phương pháp cô đặc bằng
nhiệt.
1.2. Các phương pháp cô đặc:
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi 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 thoáng chất lỏng. Bản chất của cô đặc do nhiệt: để tạo
thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu
nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó,
ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
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 ngoài tác dụng

lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi
khi phải dùng đến máy lạnh.
- 4 -
1.3. Phân loại và ứng dụng của cô đặc:
1.3.1. Theo cấu tạo:
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc
dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung
dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn
trong
hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài ( không 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 hoàn ngoài.
Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc
nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực
phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:
Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng
cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho
dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.3.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình:
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt
năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung
dịch đạt được là không cao.

- 5 -
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100
o
C, áp
suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất dư: 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.
Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không
nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô
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 cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng
điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.4. 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 nhỏ 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 bể 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 dễ dàng. Việc thoát nứoc 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.
- 6 -
- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hóa dễ dàng.
2. Nguyên liệu và sản phẩm:
2.1. Đặc điểm nguyên liệu:
Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc đường saccharoza 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 saccharoza, một phần nhỏ là
các đường đơn (glucoza, fructoza ),celluloes,tinh bột và một số các chất vô
cơ, hữu cơ khác (axit amin, HNO
3
, NH
3
, protein, chất màu, chất sáp…).
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 trong, vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục.
Đường saccharoza không bền về nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axít, 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.
2.2. Đặc điểm sản phẩm:
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
- Dung môi: nước.
- Các chất hoà tan : có nồng độ cao.
2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm:

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm
biến đổi không ngừng.
- 7 -
2.3.1. Biến đổi tính chất vật lý:
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 riêng, 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.
2.3.2. Biển đổi tính chất hóa học:
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy
amit ( vd: asparagin ) của các cấu tử tạo thành acid.
Đóng cặn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca
2+
ít hòa tan ở nồng
độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
Phân hủy một số vitamin.
2.3.3. Biển đổi sinh học:
Tiêu diệt vi sinh vật ( ở nhiệt độ cao).
Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao.
2.3.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa:
Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:
Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ
nguyên.
Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.
Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
3. 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 cô đặc buồng đốt trong ống tuần hoàn

ngoài, sử dụng hai nồi xuôi chiều liên tục.
- 8 -
Ưu điểm của hệ thống:
- Thiết bị có ống tuần hoàn ngoài nên nhiệt chỉ cấp cho dung dịch chứ
không cấp cho ống tuần, vì vậy đối lưu mạnh hơn so với trường hợp có ống
tuần hoàn trung tâm. Ưu điểm của ống tuần hoàn ngoài là tốc độ tuần hoàn
của dung dịch lớn, đạt 2-3 m/s nên dung dịch không bị đóng cặn và hệ số
truyền nhiệt không giảm
- 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. Hệ xuôi
chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vì nhiệt độ
cao như dung dịch nước đường. Vì trong hệ xuôi chiều, nhiệt độ và áp suất
của dung dịch giảm dần từ nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch
ở nồi cuối cùng sẽ thấp tức là sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ
thấp nhất. Đồng thời do chênh lệch áp suất nồi trước và nồi sau nên nguyên
liệu tự chảy từ nồi trước ra nồi sau, do đó giảm bớt chi phí cho thiết bị bơm.
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.
- Hệ cô đặc nhiều nồi đòi hỏi chi phí cho thiết bị nhiều hơn, cũng như
diện tích nhà xưởng lớn hơn. Buồng đốt trong nên quá trình tách bọt không
hiệu quả bằng buồng đốt ngoài, đồng thời chiều cao lớn hơn nên khó khăn
trong vận hành sửa chữa cũng như thiết kế chiều cao nhà xưởng
- Cô đặc chân không nên điều kiện an toàn khó khăn, tốn năng lượng và
chi phí vận hành thiết bị
- 9 -
4. Quy trình công nghệ:

4.1 Quy trình hoạt động của hệ thống (bảng vẽ [1]) :
Nguyên liệu đầu tiên là nước mía đã qua làm sạch có nồng độ 10%
được bơm từ bồn chứa lên thùng cao vị sau đó vào thiết bị gia nhiệt với năng
suất 10000kg/h để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi. Thiết bị gia nhiệt sử dụng
hơi đốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at. Trong thiết bị gia nhiệt có sự
trao đổi nhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách truyền nhiệt. Dòng lỏng sẽ
được gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc. Việc gia
nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ra lúc sau ở thiết bị cô
đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gia nhiệt đến nhiệt độ
sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi ở buồng đốt là thật
sự hiệu quả. Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏng sôi và đựơc thoát ra
ngoài. Ơ thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng để đảm bảo an toàn
về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệu quả.
Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc. Đầu tiên
dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1). Dòng hơi được sử dụng cũng từ
lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi
nước để cấp nhiệt cho dòng lỏng. Ở đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt qua bề
mặt ống truyền nhiệt, dung dịch trong ống nhận nhiệt của hơi sẽ sôi và đi lên
phía trên buồng bốc tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng. Ở buồng bốc 1, dung dịch
thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận đủ nhiệt để chuyển trạng thái).
Hơi nước bốc lên với áp suất là P’1 at và dung dịch còn lại sẽ tăng nồng độ
lên là 15.639%. Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dòng hơi lôi cuốn
các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết bị phía sau do
có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Để
khắc phục điều này trong các buồng bốc có bộ phận phân ly giọt lỏng. Tuỳ
vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sự dính ướt hay sự ly
tâm. Ở đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướt dạng nón. Khi dòng
hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lại trên nón và chảy
xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, hơi thứ tràn qua phần nón đi ra ngoài
theo ống dẫn hơi để sang cung cấp cho buồng đốt 2. Hơi sau khi cung cấp

- 10 -
nhiệt ngưng tụ thành lỏng và được tháo ra ngoài, đồng thời khí không ngưng
của được thải ra ngoài để đảm bảo cho quá trình. Còn dung dịch được bơm
sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình cô đặc.
Ở hệ thống nồi cô đạc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ở nồi 1 tuy
nhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau:
Do có sự thay đổi đáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ
sôi của dung dịch đã giảm xuống ứng với nhiệt độ hiện có của dung dịch. Vì
dung dịch vào nồi 2 ở trạng thái quá nhiệt nên xảy ra qua trình tự bay hơi một
phần dung môi để nhiệt độ giảm xuống xuống nhiệt độ sôi của nồi 2, sau đó
nhận nhiệt lượng của hơi đốt để tiếp tục bay hơi. Dung dịch trong ống truyền
nhiệt sôi lên và tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi lên buồng bốc, hơi sau khi cung
cấp nhiệt ngưng tụ thành nước ngưng cùng với khí không ngưng được thoát ra
ngoài.
Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện. Hơi thứ lúc này có
áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.258 at được đi theo ống dẫn hơi đến thiết bị ngưng
tụ baromet. Trong khi đó dung dịch mía đường sau quá trình bốc hơi đạt đến
nồng độ 37 % được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho các công đoạn sau đó.
4.2. Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet
Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trực tiếp
loại khô. Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp dòng
lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ thành lỏng theo
dòng nước đi xuống bồn chứa. Trong quá trình này có một lượng lớn hơi
được ngưng tụ nên áp suất giảm tạo áp suất chân không. Chính nhờ điều này
mà áp suất trong thiết bị được duy trì ổn định. Sau khi qua thiết bị ngưng tụ,
dòng khí không ngưng còn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng. Tấm
ngăn sẽ làm vật cản để dính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí
này rồi sau đó mới cho nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng
xâm thực có thể xảy ra làm hư bơm. Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp
suất bên ngoài nên khí không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử

dụng bơm hút chân không giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay
đổi trong cả hệ thống.
- 11 -
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CÔ
ĐẶC
Thông số ban đầu
- Dung dịch nước mía.
- Nồng độ đầu của dung dịch: x
đ
= 10%,
- Nồng độ cuối của dung dịch: x
c
= 37%.
- Năng suất tính theo dung dịch đầu:G
d
: = 10,000 (kg/h)
- Áp suất hơi đốt nồi 1: P
1
= 4 at.
- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet : P
nt
= 0.25 at
1. Tính cân bằng vật liệu:
1.1. Tính lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W):
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống
G
d
= G
c

+ W
Trong đó:
G
d
, G
c
: lưu lượng đi vào , đi ra khỏi hệ thống (kg/h)
W:lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống (kg/h)
Viết cho cấu tử phân bố
G
d
x
d
=G
c
x
c
+Wx
w
Xem lượng cấu tử hòa tan không mất mát theo hơi thứ, ta có:
G
d
x
d
=G
c
x
c
Vậy lượng hơi bốc ra của toàn bộ hệ thống được xác định :
- 12 -

(1 )
d
d
c
x
W G
x
 
(kg/h)
Thay số vào ta có:
10
(1 ) 10000.(1 ) 7297.297
37
d
d
c
x
W G
x
    
kg/h.
1.2 .Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:
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.
1
2
1 1.2
W
W

 
Ta chọn
1
2
1
W
W

Khi đó ta có hệ phương trình:
1 2
= 7297.297W W
Giải hệ trên có kết quả :
W
1
= 3648.649 (kg/h)
W
2
= 3648.649 (kg/h)
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
x
c1
=
1
.
10000 10
15.745%
10000 3648.649
d d
d
G x

G W

 
 
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
c2
.
10000 0.1
37%
W 10000 7297.297
d d
d
G x
x
G

  
 
1
2
1
W
W

- 13 -
2. Tính cân bằng năng lượng:
2.1. Xác định áp suất của mỗi nồi:
Gọi P
1
, P

2
,P
nt
: là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ
1
P
:hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2
2
P
:hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ
P
:hiệu số áp suất của toàn hệ thống
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước
bão hòa
Ta có:
P =P
1
– P
nt
= 4 – 0.25 = 3.75 (at)
P
=
1
P
+
2
P
=3.75 (at)
Giả sử chọn :
1

2
2.5
P
P



Suy ra : P
1
= 2.679 (at)
P
1
= P
1
– P
2

P
2
= P
1
– P
1
= 4 – 2.679 = 1.321 (at)
2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi:
Gọi
t
hd1
, t
hd2

, t
nt
: nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ
t
ht1,
t
ht2
:nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2
Giả sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây ra khi chuyển từ
nồi 1 sang nồi 2 là 1
0
C và từ nồi 2 sang thiết bị ngưng tụ là 1
0
C.
Tra bảng I.250, [1] / 312 và I.251, [2] / 314
- 14 -
Bảng 1: thông số pha hơi
Đại lượng
Kí hiệu
Đơn vị
Giá trị
Nồi 1
Nồi 2
Thiết bị
NT
Hơi đốt
Áp suất
P
at
4

1.321
0.25
Nhiệt độ
t
hd
0
C
142.9
106.92
64.2
Entanpi
i
D
Kj/kg
2744
2690.456
2616.092
Ẩn nhiệt ngưng tụ
r
D
Kj/kg
2141
2242.624
2347.125
Hơi thứ
Áp suất
P
w
at
1.366

0.258
Nhiệt độ
t
ht
0
C
107.92
65.2
Entanpi
i
w
J/kg
2692.256
2617.825
Ẩn nhiệt ngưng tụ
r
w
J/kg
2239.842
2344.712
2.3. Xác định tổn thất nhiệt độ:
2.3.1. Tổn thất 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 của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi
nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
Ta có:
0 0
sdd sdmnc

' t t  
Tra từ bảng IV-1, [3]/ 198, ta có bảng sau:
Bảng 2: Tổn thất nhiệt độ do nồng dộ gây ra ở các nồi
Nồi 1
Nồi 2
Nhiệt độ hơi thứ (
0
C)
107.92
65.2
1d
(10%)x
1c
(15.745%)x
2d
(15.745%)x
2c
(37%)x
- 15 -
'
i
(
0
C)
0.1
0.279
0.215
0.820
Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra của hệ thống là:
' '1 '2    

= 0.279+0.820 = 1.099
0
C
2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (
''
):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m
2
),
ta có:
P =
2
1

S
.g.H
op
(N/m
2
)
Trong đó:

s
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
)

s
=0.5 
dd


dd
: Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m
3
)
H
op
: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)
H
op
= [0.26+0.0014(
dd
-
dm
)].H
o
Từ P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông
qua công thức:
P
tbi
= P
wi
+ P
i
( i ): nồi thứ i
Tra bảng I.5, [1]/ 11 và bảng I.86, [1]/ 58 ta được bảng sau:
Bảng 3: khối lượng riêng của dung dịch và dung môi
x
c
,%

t’,
0
C

dd
, kg/m
3

s
, kg/m
3

dm
, kg/m
3
Nồi 1
15.745
107.92
1064.05
532.025
952.535
Nồi 2
37
65.2
1163.29
581.645
980.48
- 16 -
Xem 
dd

trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ
đang xét.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H
o
= 3 (m).
Nồi 1:
 
op dd dm o
H = 0.26+0.0014(ρ -ρ ) H
=[0.26 + 0.0014(1064.05-952.535)]3=1.248
(m)
Áp suất trung bình:
P
tb1
= P
w1
+ P
1
=1.366 + 0,5

532.025

1.248

10
-4
= 1.399 (at)
Tra sổ tay tại P
tb1
= 1.399 (at) ta có t”

1
=108.678
0
C.
Suy ra : ”
1
= t”
1
– t’
1
= 108.678– 107.92 =0.758
0
C
Nồi 2:
 
op dd dm o
H = 0.26+0.0014(ρ -ρ ) H
=[0.26+0.0014(1163.29 -980.48)]3=1.548
(m)
Áp suất trung bình:
P
tb2
= P
w2
+ P
2
=0,52 + 0,258

581.645


1.548

10
-4
= 0.303 (at)
Tra sổ tay tại P
tb2
= 0.303 (at) ta có t”
2
= 68.9
0
C.
Suy ra : ”
2
= t”
2
– t”
2
= 68.9 – 65.2 =3.7
0
C
Vật tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh của hai nồi là:
” =”
1
+”
2
=0.758 + 3.7 = 4.458
0
C
2.3.3. Tổn thất do trở lực thủy lực (

'''
):
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi 1 sang
nồi 2 và từ nồi 2 sang thiết bị ngưng tụ là 1
0
C.
- 17 -
Do đó:
1
'''
= 1
0
C
2
'''
= 1
0
C

1 2
' ''' '''    
= 2
0
C
2.3.4. Tổn thất nhiệt độ của toàn hệ thống:
' '' '''     

=1.099 +4.458 +2 = 7.557
0
C

2.3.5. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
Nồi 1:
s1 ht1 1 1
t =t +Δ' Δ''
= 107.92+0.279+0.758 = 108.957
0
C
Nồi 2:
s2 ht2 2 2
t =t +Δ' Δ''
= 65.2+0.82+3.7 = 69.72
0
C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi:
Nồi 1:
hi1 hd1 s1
Δ t t 
= 142.9

108.957= 33.943
0
C
Nồi 2:
hi2 hd2 s2
Δ t t 
= 106.92

69.72 = 37.2
0

C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:
hi hi1 hi2
Δ Δ Δ 
= 33.943+37.2 =71.143
0
C
2. Cân bằng nhiệt lượng:
2.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
Áp dụng công thức I.50, [1]/ 153
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường trước khi cô đặc:
C
d1
= 4190-(2514-7.542t
d1
)
1d
x
, với t
d1
= 108.778
0
C,
1d
x
=10%
C
d1
= 4190-0.1(2514-7.542
x

108.778) =4020.64 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sau khi ra khỏi nồi 1:
C
c1
=4190-(2514-7.542t
c1
)
1c
x
=4190-0.15745(2514-7.542
x
108.957)
- 18 -
=3923.561 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sau khi ra khỏi nồi 2:
C
c2
=4190-(2514-7.542t
c2
)
c2
x
= 4190-0.37(2514-7.542
x
69.72)
=3454.376 (J/kg.độ)
2.2. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Sơ đồ cân bằng năng lượng cho hệ thống cô đặc:
Ta có phương trình cân bằng năng lượng tổng quát cho hệ thống cô đặc
liên tục:

d d d D w ng c c c cd tt
G C t Di Wi DC G c t Q Q     
Trong đó:
d d d
G C t
=Q
d
: Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào
D
Di
: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
Hình 1: Cân bằng nhiệt lượng của hệ thống cô đặc 2 nồi
- 19 -
w
Wi
= Q
W
: Nhiệt lượng do hơi thứ mang ra
ng
DC 
= Q
ng
: Nhiệt do nước ngưng mang ra
c c c
G c t
= Q
c
: Nhiệt do sản phẩm mang ra
cd
Q

: Nhiệt cô đặc
tt
Q
: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh
Với giả thiết:
Nhiệt cô đặc là rất nhỏ, có thể bỏ qua,
cd
Q
=0.
Không có hiện tượng quá lạnh nước ngưng, tức là nước ngưng ở trạng
thái lỏng sôi, nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: i - Cng.  = r.
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp là : QD = D(i - Cng. ) = D. r
Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh:
tt
Q
=0.05D.r
Phương trình cân bằng năng lượng của hệ thống được viết lại:
D.r +
d d d
G C t
=
w
Wi
+
c c c
G c t
+0.05D.r

0.95D.r =
w

Wi
+
c c c
G c t
-
d d d
G C t
Nồi 1:
0.95D
1
.r
D1
=
1 1w
W i
+
1 1 1
( W )
d c c
G C t
-
1 1d d d
G C t
Nồi 2:
0.95D
2
.r
D2
=
2 2w

W i
+
2 2
( W)
d c c
G C t
-
2 2 2d d d
G C t
= (W-W
1
).
w2
i
+
2 2
( W)
d c c
G C t
-
1 1 1
( W )
d c c
G C t
Trong đó:
D
1
, D
2
là lượng hơi đốt vào nồi 1, nồi 2

w1
i
,
w2
i
là entanpi của hơi thứ nồi 1, nồi 2
1d
C
,
1c
C
,
2d
C
,
2c
C
là nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra nồi 1, nồi
2
- 20 -
1d
t
,
1c
t
,
2d
t
,
2c

t
là nhiệt độ của dung dịch trước khi vào và sau khi ra nồi
1, nồi 2
r
D1,
r
D2
là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt nồi 1 và nồi 2
Với D
2
=W
1
, ta có:
0.95W
1
.r
D2
= (W-W
1
).
w2
i
+
2 2
( W)
d c c
G C t
-
1 1 1
( W )

d c c
G C t

w2 2 2 1 1
1
2 w2 1 1
( )
0,95
d c c d c c
D c c
Wi G W C t G C t
W
r i C t
  

 
=
3
3 3
7297.297 2617.852 10 (10000 7297.297) 3454.376 69.72 10000 3923.561 108.96
0.95 2242.624 10 +2617.852 10 3923.561 108.96
        
    
= 3582.439(kg/h)
W
2
=
1
W W
= 7279.297


3582.439 = 3714.858(kg/h)
Lượng hơi đốt cung cấp cho nồi 1:
1 w1 1 1 1 1
1
1
( )
0.9
d c c d d dt
D
W G W C t G C t
D
i
r
  

=
3
3
3582.439 2692.256 10 (10000 3582.439) 3923.561 108.957 10000 4020.640 108.778
0.95 2141 10
        
 
= 4954.209(kg/h)
Kiểm tra giả thiết phân bố hơi ở các nồi:
1
3582.439 3648.649
1.815%
3648.649



 
<5%
2
3714.858 3648.649
1.782%
3714.858


 
<5%
Vậy giả thiết về sự phân bố hơi thứ ở các nồi là phù hợp.
Nồng độ của dung dịch:
Nồi 1:
1
1
100%
W
d d
c
d
G x
x
G

 

=15.582%
- 21 -
Nồi 2:

1
100%
W
d d
c
d
G x
x
G

 

=37%
3. Tính bề mặt truyền nhiêt:
3.1. Độ nhớt:
Áp dụng công thức Pavolov:
1 2
1 2
onst
t t
K c
 

 

Với: t
1
,t
2
: là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt

21
,
.
21
,
:là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tưng ứng.
Nên:
1 2 1 2
1 2
1 2
t t t t
K
K
 
 
 
   

.
Chọn chất chuẩn là nước
Nồi 1: Nồng độ dung dịch:
1
15.582%x 
Tại nhiệt độ:
0
1
0
2
60
80

t C
t C







Tra bảng I.112, [1]/ trang 114 ta được độ nhớt dung dịch:
3 2
1
3 2
2
0.559 10 . /
0.432 10 . /
N s m
N s m




 


 


Ứng với nhiệt độ của nước là:
0

1
0
2
49
65.6
C
C









( Tra bảng I.102, [1]/ 94)
60 80
1.205
49 65.6
K

  

Nồi 1 có t
s
=108.975
0
C
0

108.975 80
65.6 89.634( )
1.205
s
C

   
Tra bảng I.102, [1]/ trang 94 :
dd1
0.3179 
*10
-3
N.s/m
2
Nồi 2: Nồng độ dung dịch:
3
37%x 
- 22 -
Tại nhiệt độ:
0
1
0
2
75
85
t C
t C








Tra bảng I.112, [1]/ trang 114 ta được độ nhớt dung dịch:
3 2
1
3 2
2
1,338.10 . /
1,1204.10 . /
N s m
N s m









Ứng với nhiệt độ của nước là:
0
1
0
2
9.21
15.68
C

C









( Tra bảng I.102, [1] / 94)
75 85
1.546
9.21 15.68
K

  

Nồi 2 có t
s
= 69.72
0
C
0
69.72 85
15.68 5.79( )
1.546
s
C


   
Tra bảng I.102, [1]/ trang 94 ta có :
3 2
dd2
1.4827.10 ( . / )N s m


3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:
3
.
M
AC
pdd

 
(W/m độ) (công thức I.32, [1] /123)
A : là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với
nước
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg độ)

: khối lượng riêng (kg/m
3
)
M : khối lượng mol của chất lỏng
Đối với dung dịch đường ta chọn A=3,58.10
-8
Ta có:
2

dd
dd
1
i
i
i i
H O
x
M
m
x x
M M



Nồi1:
- 23 -
1
0.15582
342
0.0096
0.15582 1 0.15582
342 18
m  


M
1
=0.0096


342+(1- 0.0096)

18=21.12
3
3
1
1064.05
3.58 10 3923.561 1064.05 0.552
21.13


    
(W/m.độ)
Nồi 2:
2
0.37
342
0.03
0.37 1 0.37
342 18
m  


2
0.03 342 (1 0.03) 18 27.715M      
8
3
2
1163.29
3.58 10 3454.376 1163.29 0.5

27.715


    
(W/m.độ)
3.3. Hệ số cấp nhiệt:
3.3.1. Về phía hơi ngưng tụ:

1
= 2.04A.
4
1
. tH
r

(công thức V.101, [2]/ 28)
Với :
r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt (H=3 m)
2 3
4
.
A
 


: hệ số phụ thuộc t
m
t
m

= 0,5(t
v1
+ t
hd
)
1hd v
t t t  
Trong đó:
t
m
: nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng
- 24 -
t
v1
: nhiệt dộ của vách ngoài của ống truyền nhiệt
t
hd
: nhiệt độ của hơi đốt
Nồi 1: Chọn
1
4.24t 
0
C
1 1 1
142.9 4.24 138.660
v hd
t t t     
0
C
0

1
0.5(142.9 138.66) 140.78
m
t C  
Tra bảng:
Bảng 4: giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ t
m
t
m
(
0
C)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
A
104
120
139
155
169
179

188
194
197
199
199
Ta được A=194.12
0
C
3
4
1,1
2141 10
2.04 194.12 8021.08
3 4.24


    

(W/m
2
.độ)
Nhiệt tải phía hơi đốt của nồi 1:
1,1 1,1 1
8021.8 4.24 34009.379q t    
(W/m
2
)
Nồi 2: chọn
0
1

3.30t C 
0
1 2 1
106.92 3.3 103.62
v hd
t t t C     
0
2
0.5(106.92 103.62) 105.27
m
t C  
Tra bảng ta được A=181.761
4
1, 2
2242.624
2.04 181.761 8089.305
3 3.30
n
    

(W/m
2
.độ)
Nhiệt tải riêng phía hơi đốt nồi 2:
1,2 1,2 1
8089.305 3.3 26694.705q t     
(W/m
2
)
3.3.2.Về phía dung dịch sôi:

Theo công thức VI.27,[2]/ 71 hệ số cấp nhiệt phía dung dịch:
- 25 -
2 n
   
n

: hệ số cấp nhiệt của nước
Với:

: hệ số hiệu chỉnh
0,435
0,565 2
. . .
dd dd dd n
n n n dd
C
C
  

  
 
     
 

     
 
     
 
Ta có:
0.5 2.33

45.3
n
p t  
Trong đó:
p : áp suất hơi thứ (at)
t
: hiệu số nhiệt độ giữa vách trong của ống và dung dịch sôi
Giả sử quá trình truyền nhiệt là ổn định và bỏ qua mất mát nhiệt, ta có:
1 2v
q q q 
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi đốt
q
v
: nhiệt tải truyền qua vách ống truyền nhiệt
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch
Ta có:
1 2
1
( )
v v v
q t t
r
 

Với
1 2 3

r r r r   
Trong đó:
r
1:
nhiệt trở của lớp hơi nước
2
r



: nhiệt trở của tường

:bề dày ống truyền nhiệt (2mm)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt
3
r
:nhiệt trở của lớp cặn bẩn