ĐỒ án CÔNG NGHỆ THIẾT bị cô đặc 3 nồi XUÔI CHIỀU làm VIỆC LIÊN tục

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
PHẦN
I : TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
I . GIỚI THIỆU CHUNG.
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do
nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa
phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản
xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn
kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng,
mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên
hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường
làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế
liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, acid lactic…
Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm
đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất
phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu
hoạch trễ và không chế biến kịp thời.
Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả
sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất
nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng
với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc
cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc
hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi
mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và
cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một
yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không
thể xem thường.
1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
II. nguyên liệu và sản phẩm.
1 . Đặc điểm nguyên liệu.
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
- Dung môi: nước.
- Các chất hoà tan : gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có)
và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá
trình cô đặc.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít. Tuy nhiên, trước khi cô
đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6 -10% khối lượng.
2 . Đặc điểm sản phẩm.
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
- Dung môi: nước.
- Các chất hoà tan : có nồng độ cao.
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.
a. 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, 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
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
b. Biến đổi tính chất hoá học :
Thay đổi pH môi trường : thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy
acidamine (Vd : asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid.
Đóng cặn dơ : do trong dung dịch chứa một số muối Ca

2+
ít hoà tan ở nồng độ
cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
Phân hủy chất cô đặc.
Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa
các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
Phân hủy một số vitamin.
c. Biến 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 đường cao.
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 hoá học chủ yếu không thay đổi.
III. Cô đặc và quá trình cô đặc
1. Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ của một cấu tử
nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng rắn
hay dung dịch lỏng lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến
hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay
không bay hơi trong quá trình đó mà ta có thể tách một phần dung môi bằng phương
pháp nhiệt độ hay phương pháp làm lạnh kết tinh.
3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
2. Các phương pháp cô đặc
a. 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 bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung
dịch. Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi hỏi phải cô đặc ở

nhiệt độ đủ thấp ứng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp. Đó là phương pháp cô đặc chân
không.
b. 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.
3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử :
- 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 phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
- Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt
và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.
4. Ứng dụng của sự cô đặc
Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước
trái cây…
Dùng trong sản xuất hóa chất : NaOH, NaCl, CaCl
2
, KCl các muối vô cơ …
4
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị
cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù chỉ là
một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy.
Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một
tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.

Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ
động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
IV. Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc
1. Phân loại và ứng dụng
a. 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 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: dùng cho dung dịch
sôi tạo bọt khó vỡ.
5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch
sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
b. 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.
- 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 nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm năng lượng( 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.
2. Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều liên tục
- Trong thực tế sản xuất khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên
nồng độ khá đặc thì người ta hay dùng các hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng:
hệ xuôi chiều và ngược chiều.
- 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 hay dung dịch nước trái cây, thực phẩm. Vì
trong hệ xuôi chiều các nồi đầu có áp suất và nhiệt độ cao hơn các nồi sau nên sản
phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất.
- Hệ ngược chiều thích hợp cô đặc các dung dịch vô cơ không bị biến tính vì
nhiệt độ cao.
- Dùng hệ thống cô đặc chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch để
giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị,
đảm bảo lượng vitamin, …) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc Oxy.
6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
3. Các thiết bị và chi tiết
a. Thiết bị chính:
- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…
- Ống : hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…
b.Thiết bị phụ:
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo…
4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
- Đơn giản, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt.
- Phân bố hơi đều.
- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
- Tổn thất năng lượng( do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất).
- Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng.
7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
PHẦN II : THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 3 NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC
I. Nguyên lý hoạt động thiết bị chính và thiết bị phụ
1. Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc
Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các
ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc.
Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung
tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên. Quá trình trao đổi nhiệt
được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt.
Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung
dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng. Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng
chậm lại về sau. Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu.
Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch
càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng
đạt yêu cầu và ngược lại. Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy.

2. Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet
Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Nó rất thông dụng trong ngành hoá chất và
thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân
không( như dung dịch đường, muối, glycêrin, bột ngọt, nước mắm, xút…)
Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet,
nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia. Hơi trao đổi
nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống
Baromet chảy ra ngoài.
Mô tả sơ đồ:
1. Nồi cô đặc thứ nhất
2. Nồi cô đặc thứ hai
3. Nồi cô đặc thứ ba
4. Thiết bị trao đổi nhiệt (Thiết bị gia nhiệt đầu)
5. Thiết bị ngưng tụ Baromet
8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
6. Thiết bị hút bọt
7. Bơm ly tâm – bơm sản phẩm ra
8. Bơm ly tâm – bơm dung dịch đầu lên thùng cao vị
9. Thùng cao vị
10.Thùng chứa sản phẩm
11.Thùng chứa nguyên liệu
12.Thùng chứa nước ngưng và nước sau khi làm lạnh
13.Phần buồng đốt của thùng cao vị
14.Phần buồng bốc hơi và tách bọt của nồi cô đặc
15.Ống tuần hoàn trung tâm
16.Ống truyền nhiệt
17.Van tiết lưu I (khống chế lưu lượng dung dịch đầu)
18.Van tiết lưu II (khống chế lưu lượng dung dịch chảy sang nồi II)
19.Van tiết lưu III (khống chế lưu lượng dung dịch chảy sang nồi III)

3. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Dung dịch từ thùng chứa (11) được bơm ly tâm (8) bơm lên bồn cao vị (9), thùng
cao vị (9) có cửa chảy tràn để hồi lưu lại lượng dung dịch đầu được bơm lên quá
nhiều. Dung dịch từ thùng cao vị (9) được dẫn xuống thiết bị gia nhiệt đầu (4), lưu
lượng được khống chế bằng van (17). Tại thiết bị trao đổi nhiệt hơi đốt ngưng tụ cấp
nhiệt cho dung dịch. Dung dịch sau khi ra khỏi thiết bị (4)thì đã được ở nhiệt độ sôi và
được đưa vào nồi cô đặc (1), tại đây dung dịch bắt đầu bốc hơi và đi vào ống tuần
hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt. Vì đường kính ống truyền nhiệt nhỏ hơn đường
kính ống tuần hoàn nhiều nên dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi mạnh và có khối
lượng riêng nhỏ hơn so với khối lượng riêng của dung dịch trong ống tuần hoàn. Sự
chênh lệch về khối lượng riêng đó là động lực làm cho dung dịch trong ống truyền
nhiệt chuyển động lên phía trên còn dung dịch trong ống tuần hoàn chuyển động
xuống phía dưới tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị. Dung dịch đi lên phía
trên ống truyền nhiệt và bay hơi dung môi, do đó nồng độ dung dịch tăng lên. Hơi bốc
lên được tách bọt nhờ hệ thống tách bọt trong nồi và được dẫn sang làm hơi đốt cho
nồi thứ hai. Do nhiệt độ ở nồi (1) cao hơn nồi (2) nên áp suất hơi thứ nồi (1) cao hơn
nồi (2) do vậy dung dịch từ nồi (1) tự chảy sang nồi (2) và đi vào buồng đốt nồi (2),
lưu lượng này được điều chinnh3 bằng van (18). Khí không ngưng và hơi nước ngưng
của nồi (1) được tháo ra qua ống tháo nước ngưng và khí không ngưng tương ứng.
9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Quá trình diễn ra tương ứng như nồi (2). Sang nồi (3) hơi bốc lên từ nồi (3) được
đưa sang thiết bị ngưng tụ baromet (5) và được ngưng tụ tại đó còn dung dịch sản
phẩm được hút ra nhờ bơm (7) và đi vào thùng chứa (10). Nhờ bơm hút chân không
mà áp suất trong thiết bị ngưng tụ và trong nồi (3) giảm xuống tạo động lực cho quá
trình tuần hoàn tự nhiên của hệ thống và cũng chính vì thế mà lượng hơi bốc ra tăng từ
nồi (1) đến nồi (3). Hơi được đưa sang thiết bị ngưng tụ baromet (5) và được ngưng tụ
tại đây. Nước ngưng được dẫn về bể chứa (12) còn bọt được tách ra nhờ thiết bị tách
bọt (6), nước tách ra cũng được đưa về bể chứa (12). Trong thiết bị ngưng tụ baromet
hơi đi từ dưới lên và được tưới từ trên xuống, hơi truyền nhiệt cho nước và ngưng tụ

lại. Nước tiếp tục chuyển động xuống dưói và về bể chứa (12).
Quá trình cứ diễn ra liên tục và tuần hoàn. Như vậy ta lien tục nhận được dung
dịch mía đường với nồng độ là 67% khối lượng.
Phần III : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I. Dữ kiện ban đầu
10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
- Dung dịch nước mía.
- Nồng độ đầu x
đ
= 12(%), nhiệt độ đầu của nguyên liệu chọn là t
đ
= 30(
o
C.)
- Nồng độ cuối x
c
= 67(%)
- Năng suất G
d
=3000 (kg/h)
- Ápsuất hơi đốt = 12 ( at.)
- Áp suất hơi ngưng tụ : P = 0.3 (at.)
II. Cân bằng vật chất
1. Tổng lượng hơi thứ
Áp dụng công thức VII.1, trang 55 [2]:
)1(
c
d
d

x
x
GW −=
∑
(kg/h)
Trong đó:
W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)
G
d
: Lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
x
d
,x
c
: Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng
2. Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi tỉ lệ 1,0 : 1,1 : 1,2
Lượng hơi thứ của toàn hệ thống :
W=G
d
(1 )
d
c
x
x
−
W=3000* = (kg/h)
Khi đó ta có hệ phương trình:
1
2
1

W
W
=
11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
1 2
=2380W W+
Giải hệ trên có kết quả :
W
1
=1190( kg/h)
W
2
= 1190(kg/h)
3. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi:
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
( VI.2a, trang 57, [2])
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
(VI.2b, trang 57, [2])
PHẦN IV : NỘI DUNG TÍNH TOÁN
I. TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Các số liệu chính trong bài:
Năng suất tính theo dung dịch đầu G=3000kg/h.
Nồng độ dung dịch đầu x
d
=12% khối lượng.
Nồng độ dung dịch cuối x
c

=67% khối lượng.
Áp suất hơi đốt P
1
=12at.
Áp suất của hơi ngưng tụ P
ng
=0,2 at.
 xác định các thông số của thiết bị chính.
1. xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống.
Áp dụng công thức:
1
d
c
x
W G
x
 
= −
 ÷
 
=3000(1- )= 2462,686 kg/h
2. tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi.
- Gọi W
1
, W
2
, W
3
lần lượt là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h)
- Giả sự lượng hơi thứ bốc ra giữ các nồi là W

1
: W
2
: W
3
=1,0: 1,1: 1,2
Suy ra: W= W
1
+ W
2
+ W
3
=3,3W
1

1
1
w 2462,686
w 746,268
3,3 3,3
= = =
(kg/h)
W
2
=1,1. 746,268= 820,895 (kg/h)
 W
3
= 1,2. 746,268= 895,5216 (kg/h)
3. tính nồng độ cuối của dungdịch ở mỗi nồi.
- Gọi C

i
là nồng độ đi ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3, (% khối lượng) ta có:
13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
áp dụng công thức
1
w
d
i
i
i
j
x
x G
G
=
=
−
∑
ta có:
1
12
3000 15,973%
3000 746,268
x = =
−
2
12
3000 25,124%
3000 746,268 820,895

x = =
− −
1
12
3000 66,999%
3000 746,268 820,895 895,5216
x = =
− − −
4. chênh lệch áp suất chung của hệ thống.
1
12 0,2 11,8
ng
p p p at∆ = − = − =
5. xác định các thông số của áp suất hơi đốt.
- Giả thiết phân bố hiệu áp suất hơi đốt.
Δp
1
: Δp
2
: Δ
3
=3 : 1,75 : 1
Với giả thiết trên ta có:
3
2,0522
5,75
p
p at
∆
⇒ ∆ = =

2 3
1,75. 1,75.2,0522 3,5914p p at⇒ ∆ = ∆ = =
1 3
3. 3.2,0522 6,1566p p at
⇒ ∆ = ∆ = =
Gọi P
hdi
: là áp suất hơi đốt nồi i, at
r
hdi
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt nồi i, j/kg
14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
i
hdi
: nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi i, j/kg
t
hdi
: nhiệt độ hơi đốt nồi i,
o
C
- Áp suất hơi đốt nồi 1 : P
hd1
=12at
- Áp suất hơi đốt nồi 2 là:
P
hd2
=p
hd1
-Δp=12- 6,1566= 5,8434 at

- Áp suất hơi đốt nồi 3 là:
P
hd3
=p
hd2
-Δp2=5,8434- 3,5914= 2,2520 at
Áp suất thiết bị ngưng tụ:
P
nt
= 0,2at
Bằng phương pháp nội suy ta có:
t
hd1
=187,1
o
C ; r
hd1
=1995.10
3
j/kg ; i
hd1
=2,79.10
6
j/kg
*đối với nồi 2 ta có:
( )
3 3
2
2095 2117
2117 5,8434 5 .10 2098,445.10 /

6 5
hd
r j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
2
2768 2754
2754 5,8434 5 .10 2765,8076.10 /
6 5
hd
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
2
158,1 151,1
151,1 5,8434 5 157,0038
6 5
o
hd

t C
−
 
= + − =
 
−
 
*đối với nồi 3 ta có:
( )
3
132,9 119,6
119,6 2,252 2 122,9516
3 2
o
hd
t C
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
3
2171 2208
2208 2,252 2 .10 2198,676.10 /
3 2
hd
r j kg

−
 
= + − =
 
−
 
15
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
( )
3 3
3
2730 2710
2170 2,252 2 .10 2715,04.10 /
3 2
hd
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
6. các thông số của hơi thứ.
Gọi t
hti
: nhiệt độ hơi thứ nồi i,
o
C
P
hti

: áp suất hơi thứ nồi i, at
r
hti
: ẩn nhiệt hóa hơi của nồi i, j/kg
ta có: P
ng
=0,2 at t
ng
=59,7
o
C
- Giả thiết tổn thất nhiệt độ do trợ lực đường ống của mỗi nồi là:
Δ
1
’’’
= Δ
2
’’’
= Δ
3
’’’
= 1
o
C thì ta có:
t
ht3
=t
ng
+1= 59,7 + 1=60,7
o

C
t
ht2
=t
hd3
+1= 122,9516 + 1= 123,9516
o
C
t
ht1
=t
hd2
+1= 157,0038 + 1= 158,0038
o
C
Bằng phương pháp nội suy ta có:
( )
1
6 5
5 158,0038 151,1 5,9863
158,1 151,1
ht
p at
−
 
= + − =
 
−
 
( )

3 3
1
2095 2117
2117 158,0038 151,1 .10 2095,3023.10 /
158,1 151,1
ht
r j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
1
2768 2754
2754 158,0038 151,1 .10 2767,8076.10 /
158,1 151,1
ht
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
Đối với nồi 2:
( )
2

3 2
2 123,9516 119,6 2,3272
132,9 119,6
ht
p at
−
 
= + − =
 
−
 
16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
( )
3 3
2
2171 2208
2208 123,9516 119,6 .10 2195,894.10 /
132,9 119,6
ht
r j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
2

2730 2710
2710 123,9516 119,6 .10 2716,5438.10 /
132,9 119,6
ht
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
Đối với nồi 3:
( )
3
0,3 0,2
0,2 60,7 59,7 0,2111
68,7 59,7
ht
p at
−
= + − =
−
( )
3 3
3
2336 2358
2358 60,7 59,7 .10 2355,5556.10 /
68,7 59,7
ht
r j kg

−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
3
2620 2607
2607 60,7 59,7 .10 2608,444.10 /
68,7 59,7
ht
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
7. tính tổn thất nhiệt cho từng nồi.
7.1. tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi trong từng nồi Δ
1
’
Ta có công thức Δ
i
’
= Δ
0i

’
. f
i
,
o
C
Trong đó:
Δ
0i
’
: tổn thất nhiệt độ do nồng độ của dung dịch ở nồi thứ I và áp suất bình thường,
o
C
f
i
: hệ số hiệu chỉnh
bằng phương pháp tra bảng ta có: [II-63]
17
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
x
1
=15,973  Δ
01
’
=0,359
o
C
x
2
=25,124 Δ

02
’
=2,483
o
C
x
3
=66,999 Δ
03
’
=4,95
o
C
hệ số hiệu chỉnh f
1
được tính theo công thức:
2
1
16,2.
i
i
T
f
r
=
Trong đó:
T: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất giữa ống đốt,
o
C
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất giữa buồng đốt, j/kg

Áp suất giữa buồng đốt được tính theo công thức:
2
0 1 dd
4
1
. . . ,
2 9,81.10
i i s
h
p p h g at
ρ
 
= + +
 ÷
 
Trong đó:
P
i
: áp suất ở giữa buồng đốt nồi i, at
P
0i
: áp suất trên mặt thoáng của dung dịch nồi i, at
h
1
: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m
h
2
: chiều cao ống truyền nhiệt, m
ρ

dds
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
g: gia tốc trọng trường
khối lượng riêng của dung dịch khi sôi lấy bằng một nửa khối lượng riêng của dung
dịch ở 20
o
C, do vậy ta có:
18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
3
dd 1
3
dd 2
3
dd 3
1065,2239
/
2
1106,0804
/
2
1330,8939
/
2
s
s
s
kg m
kg m

kg m
ρ
ρ
ρ
=
=
=
Áp suất trên mặt thoáng của dung dịch chính là áp suất hơi thứ tương ứng:
P
01
=p
ht1
=5,9863 at
P
02
=p
ht2
=2,3272 at
P
03
=p
ht3
=0,2111 at
Với thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm ta có:
h
1
=0,5 m
h
2
=4 m

thay số ta có:
1
4
2
4
3
4
4 1065,2239 1
5,9863 0,5 .9,81. . 6,1195
2 2 9,81.10
4 1106,0804 1
2,3272 0.5 .9,81. . 2,4654
2 2 9,81.10
4 1330,8939 1
0,2111 0,5 .9,81. . 0,3775
2 2 9,81.10
p at
p at
p at
 
= + + =
 ÷
 
 
= + + =
 ÷
 
 
= + + =
 ÷

 
Nội suy ta được nhiệt độ sôi của nước tương ứng như sau:
P
1
=6,1195 at t
1
=158,8289
o
C
P
2
=2,4654 att
2
=125,7898
o
C
P
3
=0,3775 att
3
=73,8925
o
C
Cũng từ áp suất trên nội suy ta được ẩn nhiệt hóa hơi của nước tương ứng là:
P
1
=6,1195 atr
1
= 2092,61.10
3

j/kg
19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
P
2
=2,4654 atr
2
=2190,7802.10
3
j/kg
P
3
=0,3775 atr
3
=2323,6.10
3
j/kg
Thay số ta có:
( )
( )
( )
2
'
1
3
2
'
2
3
2

'
3
3
158,8289 273
0,359.16,2. 0,5182
2092,61.10
125,7898 273
2,483.16,2 2,9199
2190,7802.10
73,8925 273
4,95.16,2 5,0017
2323,6.10
o
o
o
C
C
C
+
∆ = =
+
∆ = =
+
∆ = =
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ của cả hệ thống:
' ' ' '
1 2 3
1,3886 18691 4,125 7,38267
o
C∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =

7.2. tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.
Δ
’
1
: tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh nồi i,
o
C
t
1
: nhiệt độ sôi của dung môi ở buồng đốt nồi i,
o
C
t
ht1
: nhiệt độ hơi thứ nồi i,
o
C
ta có:
Δ
”
i
= t
i
- t
hti
,
o
C
Theo kết quả phần trên ta có:
Δ

”
1
= 158,8289- 158,0038= 0,8251
Δ
”
2
= 125,7898- 123,9516= 1,8382
Δ
”
3
= 73,8925- 60,7= 13,1925
 tổng tổn thất nhiệt độ, do áp suất thủy tĩnh của cả hệ thống là:
20
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Δ
”
= 0,8251+ 1,8382+13,1925= 15,8558
7.3. tổn thất nhiệt độ do trợ lực đường ống.
Chon Δ
’’’
=Δ
’’’
1
=Δ
’’’
2
=Δ
’’’
3
= 1

o
C
 Δ
’’’
=Δ
’’’
1
+ Δ
’’’
2
+ Δ
’’’
3
= 3
o
C
7.4. tổng tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống:
Δ

=Δ
’
+ Δ
’’
+Δ
’’’
Δ= 8,4398+ 15,8558+ 3= 27,2956
o
C
8. tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi.
Gọi: Δ

thii
: hiệu số nhiệt độ hữu ích nồi i,
o
C
Δ
thi
: tổng nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống,
o
C
Ta có:
Δ
thii
= t
hdi
- t
hti
- Δ
’
i
-Δ
’’
i
Thay số vào ta có:
Δ
thi1
= 187,1- 158,0038- 0,5182- 0,8251= 27,7529 ,
o
C
Δ
thi2

= 157,0038- 123,9516- 2,9199- 1,8382= 28,2941 ,
o
C
Δ
thi3
= 122,9516- 60,7- 5,0017- 13,1925= 44,0574 ,
o
C
Δ
th i3
= 27,7529 ,
o
C
 Δ
thi2
= 28,2941 ,
o
C
Δ
thi 1
= 44,0574 ,
o
C
Tổng nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
Δ
thi
= Δ
thi1
+ Δ
thi2

+ Δ
thi3
Δ
thi
= 27,7529+ 28,2941+ 44,0574= 100,1044
- Nhiệt độ sôi của dung dịch đi ra khỏi nồi:
21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
t
s1
= t
hd1
- Δ
thi1
= 187,1- 27,7529= 159,3471
o
C
t
s2
= t
hd2
- Δ
thi2
= 157,0038- 28,2941= 128,7097
o
C
t
s3
= t
hd3

- Δ
thi3
=122,9516- 44,0574= 78,8942
o
C
9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng, tính trọng lượng hơi thứ từng nồi
và lượng hơi đốt cần dùng.
9.1 Thiết lập sơ đồ.
Trong đó:
D : lượng hơi thứ nồi 1, (Kg/h)
W
’
1
: lượng hơi bôc ra từ nồi I (Kg/h)
W : tổng lượng hơi bốc ra khỏi hệ thống (Kg/h)
G : lượng dung dịch đầu (Kg/h)
X
0
: nồng độ dung dịch đầu ( % khối lượng)
X
i
: nồng độ dung dịch ra khỏi nồi I (% khối lượng)
C
0
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ( J/kg.độ)
C
i
: nhiệt dung riêng của dung dịch đi ra từ nồi I ( J/kh.độ)
Cn
i

: nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi I ( J/kg.độ)
22
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
: nhiệt độ nước ngưng nồi i (
0
C)
T
si
: nhiệt độ của hơi đốt thứ i ( J/kg)
i
i :
nhiệt dung riêng của hơi đốt thứ I (J/kg)
I
i
: nhiệt dung riêng của hơi đốt thứ nồi I (i/kg)
Qm
1
= 0,05. D. (I
1
– Cn
1
.)
Qm
2
= 0,05.W
’
1
.(I
2
– Cn

2
.)
Qm
3
= 0,05.W
2
(I
3
– Cn
3
.)
Khi nồng độ X < 0,2 phần khối lượng thì nhiệt dung riêng của dung dịch được tính
như sau:
C = 4186 (1- X). (j/kg) [ I – 152]
Do vậy:
C
0
= (1- X
0
).4186 = (1 – 0.12).4186 = 3683,68 (J/kg.độ)
C
1
= (1- X
1
).4186 = ( 1 - 0,15973).4186= 3517,37022 ( J/kg.độ)
C
2
= (1- X
2
).4186 = (1 – 0,25124).4186 = 3134,30936 (J/kg.độ)

Vì C
3
= 66,99 phần khối lượng nên :
C
3
= C
ht
. X + 4186 (1 – X ) (J/kg.độ) [ I – 152]
Trong đó:
C
ct
: nhiệt dung riêng của chất tan khan (J/kg.độ)
X : nồng độ khối lượng của dung dịch.
Với C
22
H
22
O
11
ta có:
n
1,
n
2
, n
3
: lần lượt là số nguyên tử Carbon, Hydro, và Oxy trong phân tử C
12
H
22

O
11
.
C
1
, C
2
, C
3
: lần lượt là nhiệt dung nguyên tử Carbon, Hydro và Oxy.
23
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
M : là khối lượng mol của C
12
H
22
O
11
.
n
1
= 12 C
1
= 7500 (J/kg)
n
2
= 22 C
2
= 9630 (J/kg)
n

3
= 11 C
3
= 168000 (J/kg)
M = 342
X = 0,6699
Thay số ta có:
= 1422,982
C
3
= 1422,982. 0,6699 + 4186( 1 – 0,6699) = 2335,054 (J/kg.độ)
Nhiệt độ nước ngưng ở các nồi là nhiệt độ hơi đốt của nồi đó:
t
hđ1
= 187,1
0
C => = 187,1
0
C
t
hđ2
= 157,0038
0
C => = 157,0038
0
C
t
hđ3
= 122,9516
0

C => = 122,9516
0
C
Theo nhiệt độ trên bằng phương pháp nội suy ta có :
Cn
1
= 4446,82 (J/kg.độ)
Cn
2
= 4331,6106 (J/kg.độ)
Cn
3
= 4254,7226 (J/kg.độ)
Theo kết quả tính toán ta có:
I
1
= 2790.10
3
i
1
= 2767,8076.10
3
(J/kg)
I
2
= 2765,8076.10
3
=> i
2
= 2716,5438.10

3
(J/kg)
I
3
= 2715,04.10
3
i
3
= 2608,444.10
3
(J/kg)
9.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng.
24
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi I:
D.I
1
+ G.C
0
.T
s0
= W
’
1
.i
1
+ D.Cn
1
. + ( G – W
1

). C
1
.T
s1
+ 0,05.D (I
1
– Cn
1
.) (1)
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi II:
W
1
.I
2
+ (G – W
1
).C
1
.T
s1
= W
’
2
.i
2
+ (G – W
’
1
– W
’

2
).C
2
.T
s2
+ W
’
1
.Cn
2.
+ 0,05.W
’
1
(I
2
–
Cn
2.
) (2)
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi III:
W
1
.I
3
+ (G – W
1
– W
2
).C
2

.T
s2
= W
’
3
.i
3
+ (G – W).C
3
.T
s3
+ W
’
2
.Cn
3.
+ 0,05. (I
3
– Cn
3.
)
(3)
Và:
W
’
1
+ W
’
2
+ W

’
3
= W (4)
Giải hệ (4) phương trình ta có:
W
’
1
= 769,54549 (kg/h)
W
’
2
= 822,48288 (kg/h)
W
’
3
= 849,8321 (kg/h)
D = 701,7644 (kg/h).
Kiểm tra sai số kết quả
%W
1
= . 100% = 0,3849%
%W
2
= . 100% = 0,1049%
%W
3
= . 100% = 0,449%
Các sai số trên đều nhỏ hơn 10% => giả thiết phân bố lượng hơi là đúng.
 Lượng nhiệt cấp cho các nồi:
Q

1
= D.(I
1
– Cn
1
.) = 2,137405468.10
10
(J/h)
Q
2
= W
’
1
(I
2
– Cn
2
) = 1,605062788.10
10
(J/h)
Q
3
= W
’
2
(I
3
– Cn
3
) = 1,802812602.10

10
(j/h)
10. Tính hệ số cấp nhiệt trên toàn nồi.
25