đồ án quá trình thiết bị thiết kế thiết bị cô đặc ba nồi xuôi chiều dung dịch nước mía

ψ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Bộ Giáo Dục & Đào Tạo
Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
Khoa Kỹ Thuật Hoá Học
Bộ Môn : Quá Trình & Thiết Bị

Đồ Án Môn Học
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
Họ & Tên SV: ĐẶNG MINH VƯƠNG MSSV: 0952010211
NGUYỄN HỮU VƯƠNG MSSV: 0952010212
Lớp : DH09H2
Ngành : HÓA DẦU
1. Đầu đề đồ án : Thiết kế thiết bị cô đặc ba nồi xuôi chiều dung dịch nước
mía
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu) :
1. Năng suất : 2500kg/h
2. Nồng độ đầu : 11% khối lượng
3. Nồng độ cuối :65% khối lượng
4. Áp suất hơi đốt P
1
= 12 at.
5. Áp suất của hơi ngưng tụ P
ng
= 0,2 at.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :
1. Tổng quan.
2. Thuyết minh quy trình công nghệ.
3. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng.
1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
4. Tính toán và thiết kế thiết bị chính.
5. Tính toán thiết bị phụ.
6. Kết luận.
4. Các bản vẽ :
 Bản vẽ chi tiết thiết bị chính : 1 bản A1
 Bản vẽ sơ đồ qui trình công nghệ : 1 bản A3
5. Ngày hoàn thành đồ án : 07/07/2012
6. Ngày bảo vệ và chấm đồ án : 18/07/2012
Ngày tháng năm 2012
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
1.Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:








Điểm : __________ Chữ ký :
__________
2. Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:




Điểm : __________ Chữ ký :
__________

2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Điểm tổng kết : __________
3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên khoa Kỹ Thuật Hoá
Học nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa
chọn quy trình & các thiết bị với số liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng
nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh
chóng, phục vụ cho công việc sau này.
Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do
đó ngành công nghiệp hóa chất cơ bản cũng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản
phẩm ngày càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình sản xuất luôn được cải tiến và
đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn.Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng
lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất.
Để sản xuất dung dịch đường có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều năng lượng
cho quá trình cô đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch). Việc tiết kiệm năng
lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu. Với mục tiêu đó, đồ án này thực
hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường ba nồi xuôi chiều.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Hiểu đã chỉ dẫn tận tình trong
quá trình em thực hiện đồ án. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô
khác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích
trong quá trình hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn hẹp nên trong
đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ
dẫn của quý thầy cô và các bạn.
4
LỜI NÓI ĐẦU
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Đầu đề đồ án
Lời nói đầu

Mục lục
Phần 1: GIỚI THIỆU
1.1. Sơ lược về nước mía
1.2. Tổng quan về đường sucrose
1.3. Giới thiệu sơ lược về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc
1.3.1. Giới thiệu chung về cô đặc
1.3.2. Phân loại
1.3.3. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
1.3.4. Thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi liên tục
Phần 2: THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. Cân bằng vật liệu
2.1.1. Lượng hơi nước bốc ra của cả hệ thống
2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
2.1.3.Tính nồng độ của dung dich trong từng nồi
2.2. Cân bằng nhiệt lượng
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ tăng cao ∆
2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆t
hi
và nhiệt độ sôi dung dịch
2.2.4. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi thứ W’
i
cho
từng nồi và lượng hơi đốt cần dùng
2.3.Tính bề mặt truyền nhiệt
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
2.4. Kích thước buồng đốt
2.4.1. Số ống truyền nhiệt
5

MỤC LỤC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
2.4.2. Đương kính trong buồng đốt
2.5. Kích thước buồng bốc
2.6. Đường kính các ống dẫn
2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng
2.6.2. Đối với hơi bão hòa
Phần 3: THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET
3.1. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ
3.2. Thể tích không khí và khí không ngưng cần rút ra khỏi Baromet
3.3. Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ
3.3.1. Đường kính trong
3.3.2. Đường kính tấm ngăn
3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ
3.3.4. Kích thước ống Baromet
Phần 4: TÍNH CƠ KHÍ
4.1. Chiều dày thiết bị
4.1.1. Nồi 1
4.1.2. Nồi 2
4.1.3. Nồi 3
4.2. Vỉ ống
4.3. Hệ thống tai đỡ
4.3.1. Khối lượng thép làm ống truyền nhiệt nhiệt
4.3.2. Khối lượng thép
4.3.3. Khối lượng nước
4.4 Mặc bích
4.4.1. Để nối các ống dẫn
4.4.2. Để nối các bộ phận của thiết bị
4.5 Bơm
KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUY ƯỚC KÝ HIỆU
6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU
1.1. SƠ LƯỢC VỀ NƯỚC MÍA:
Nguyên liệu cho quá trình cô đặc là nước mía đã làm sạch, loại bỏ tạp chất, tẩy
màu,tẩy mùi. Sau công đoạn làm sạch nước mía có PH từ 6,5-6,8
Thành phần chủ yếu của nước mía là đường saccharose, một phần nhỏ là
đường đơn( glucose và fructose……) và một số chất hữu cơ, vô cơ khác( axit amin,
HNO
3
, NH
3
, protein…)
Do có hàm lượng đường cao nên nước mía là môi trường thuận lợi cho các vi
sinh vật phát triển nên trong quá trình chế biến đường, nước mía phải được chứa
đựng, vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục
1.2TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE
Sucrose haysaccharose thuộc loại đường rất phổ biến trong thiên nhiên. Nó có
nhiều trong củ cải đường, trong mía và ở lá, thân, rễ, quả của nhiều loài thực vật.
Trong công nghiệp sản xuất đường, người ta dùng nguyên liệu là củ cải đường hoặc
mía, vì nó có thể chứa từ 20 – 25% đường saccharose.Saccharose là đường dễ hòa tan,
nó có ý nghĩa rất quan trọng đối với dinh dưỡng của người.Saccharose là loại
saccharid cấu tạo từ glucose và fructose.Hai monosaccharose này liên kết với nhau
nhờ liên kết OH glucosid của chúng nên saccharose không có tính khử.Khi thủy phân
bằng acid hoặc enzyme invertase, sẽ giải phóng glucose và fructose.Trong phân tử
saccharose, gốc glucose ở dạng pyranose, còn gốc fructose ở dạng furanose, liên kết
này xảy ra ở C
1

của glucose và C
2
của fructose.
Do đó, saccharose còn gọi là α, D – glucopyranosid (12) β, D – fructofuranosid.
7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Glucose Fructose
Hình 1.1 công thức cấu tạo của Saccharose
Tinh thể đường sucrose trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy là 186 –
188
0
C.Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy, đường biến thành 1 dạng sệt trong
suốt. Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đun ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước rồi
phân huỷ và biến thành caramen. Đường dễ hoà tan trong nước, không tan trong dầu
hoả, cloroform, benzen, ancol… Độ nhớt của dung dịch đường tăng theo chiều tăng
nồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ.
Do dung dịch đường sucrose không chịu được nhiệt độ cao (chất tan dễ bị
biến tính) nên đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt
thoáng thấp hay thường gọi là áp suất chân không.
1.3GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1.3.1. Giới thiệu chungvề cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay
nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn
dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ
tăng dần lên.
Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi
riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực
phẩm như cô đặc muối, đường, sữa …
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi

thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để
đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ.
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp,
khi
truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn
truyền
nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng.
8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất
thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp
suất dư) thì dùng thiết bị kín.Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn
trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi.
Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi
thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt).
Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước
làm hơi đốt cho nồi sau.
1.3.2. Phân loại
 Theo đặc điểm cấu tạođược chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên.
+ Loại 1: Có buồng đốt trong, có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn
ngoài.
+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài.
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) .
+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.
+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốttrong hay
ngoài.
+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.

 Theo phương pháp thực hiệnđược chia làm 3 loại như sau:
- 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
9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
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
0
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 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 thì cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn.
1.3.3. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
1.3.3.1. Cấu tạo
- Phòng đốt.
- Ống truyền nhiệt
- Ống tuần hoàn.
1.3.3.2.Nguyên tắc hoạt động
Dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài
ống. Khi làm việc, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi –
lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong
ống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so
với ống truyền nhiệt, do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy, khối lượng
riêng
của hỗn hợp hơi – lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy
xuống
dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong

ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm
giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi
10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra.
1.3.3.3.Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch.
+ Hệ số truyền nhiệt K khá lớn.
+ Khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc, dung
dịch
dễ bị bẩn tắt.
+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng.
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm
cũng bị đun nóng.
1.3.4. Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi 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 các 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 chất lượng quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị,
đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxi.

11
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ CHÍNH
Các số liệu ban đầu của bài:
Năng suất tính theo dung dịch đầu G
d
= 2500 kg/h.
Nồng độ dung dịch đầu x
d
= 11% khối lượng.
Nồng độ dung dịch cuối x
c
= 65% khối lượng.
Áp suất hơi đốt P
1
= 12 at.
Áp suất của hơi ngưng tụ P
ng
= 0,2 at.
1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1 Lượng hơi nước bốc ra của cả hệ thống
Áp dụng công thức :
W = G ∗ ( ) = 2500 = 2.076,9 (kg/h)
2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
Gọi W
1
, W
2
, W

3
lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 kg/h.
Giả sử lượng hơi thứ bốc ra giữa các nồi là: W
1
: W
2
: W
3
= 1,0 : 1,1 : 1,2
Suy ra: W = W
1
+ W
2
+ W
3
= 3,3 W
1
W
1
= = = 629,37 (kg/h)
W
2
= W
1*
1,1 = 629,37
*
1,1 = 639,31(kg/h)
W
3
= W

1*
1,2 = 629,37
*
1,2 = 755,24 (kg/h)
2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi
W W W
G
đ
X
đ
G
1
x
1
G
2
x
2
G
c
x
c
G
1
, G
2
,G
3
lần lượt là khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1,nồi 2 và nồi 3 trong 1
giờ (kg/h)

x
1
, x
2
x
3 :
lần lượt là nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (% khối
lượng)
12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Áp dụng công thức x
i
= G
d*
Suy ra :
x
1
= G
d*
= 2500
*
= 14,7 %
x
2
= G
d*
2500
*
= 23,34 %
x

3
= G
d*
= 2500
*
= 65 %
G
1
= G
d
– W
1
= 2500-629,37=1.870,63(kg/h)
G
2
= G
1
– W
2
= 1870,63-692,31 = 1.178,32 (kg/h)
G
3
= G
2
– W
3
= 1178,32-755,24 = 423,08 (kg/h)
2 Cân bằng nhiệt lượng
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
+ Chọn áp suất hơi đốt P

hd1
=12 at ứng với nhiệt độ hơi đốt T
hd1
= 187,1
0
C
( I.251/314 [4] ).
+ Áp suất trong thiết bị ngưng tụ P
ng
= 0,2 at ứng với nhiệt độ T
ng
= 59,7
0
C
( I.251/314 [4] ).
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1
0
C.
T
3
= T
ng
+ 1 = 59,7 +1 = 60,7
0
C  P
3
= 0,2104 (at) (I.250/312 [4])
Hiệu số áp suất của cả hệ thống
∆P = P
hd1

– P
ng
= 12 – 0,2 = 11,8 (at)
Giả thiết phân bố hiệu số áp suất giữa các nồi là: ∆P
1
: ∆P
2
:∆P
3
= 3 : 1,75 : 1
Với giả thiết trên ta có:
∆P
3
= = = 2,0522 (at)
∆P
2
=1,75
*
∆P
3
= 1,75
*
2,0522 = 3,9514 (at)
13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
∆P
1
=3
*
∆P

3
= 3
*
2,0522 = 6,1566 (at)
Mặt khác
∆P
1
= P
2
– P
1
 P
2
= P
1
– ∆P
1
= 12 – 6,1566 = 5,8434 (at)
∆P
2
= P
3
– P
2
 P
3
= P
2
– ∆P
2

= 5,8434 – 3,5914 = 2,252 (at)
Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ 1
0
C (do tổn thất nhiệt).
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ cộng 1
0
C.
Bảng 2.1. Nhiệt độ và áp suất hơi đốt của mỗi nồi
Loại Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Tháp ngưng tụ
P (at) T (
0
C) P (at) T (
0
C) P (at) T (
0
C) P(at) T(
0
C)
Hơi đốt 12 187,1 5,8434 157,0038 2,252 122,9516
0,2 59,7
Hơi thứ 5,9862 158,0038 2,3272 123,9516 0,2104 60,7
2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ ∑∆
2.2.2.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (∆
’
)
Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô:
Δ’= Δ
0
’
*

f (
0
C) với : f = 16,2
*
T
m
2
/ [AII – 59] – (VI.10)
Trong đó:
Δ
0
’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.
f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác áp suất thường.
r :ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc [B-39]
T
m
: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc ( = nhiệt độ hơi thứ)
Dựa vào các dữ kiện trên và sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2 ta
xác định được tổn thất do nhiệt độ nâng cao.
Bảng 2.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao
14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Đại
lượng
x (%) T
ht
(
0
C) Δ
0

’ (
0
C) P
hd
(at) T
hd
(
0
C) T
m
(K) Δ’ (
0
C)
∑∆
’
(
0
C)
Nồi 1 14,7 158,0038 0,2 12 187,1 431,0038 0,3
3,94
Nồi 2 23,34 123,9516 0,3 5,8434 157,0038 396,9576 0,36
Nồi 3 65 60,7 4,0 2,252 122,9516 333,7 3,28
2.2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆”
Hình 2.1. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc
1 –2: Nhiệt độ hơi đốt.
3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt.
4: Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.
5 – 6: Nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi thứ ngay trên mặt thoáng.
7: Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ
15

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Áp suất hơi thứ dung dịch thay đổi theo chiều sâu của dung dịch: Ở trên bề mặt
dung dịch thì bằng áp suất hơi trong buồng bốc, còn ở đáy thì bằng áp suất trên bề
mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính toán ta
thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch.
P
tb
= P’ + ∆P, N/m
2
∆P = (h
1
+ )
*
ρ
s *
g, N/m
2
∆” = T
tb
– T
mt
,
0
C
Với: P’: áp suất hơi trên bề mặt dung dịch ( = áp suất hơi thứ) , N/m
2
.
ΔP : áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống , N/m
2
h

1
: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m
h
2
: chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt, m
ρ
s
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s
2
Nếu biết được áp suất thủy tĩnh ta sẽ tính được áp suất trung bình (P
tb
) ở từng nồi
- Nồi 1: P
tb1
= P
ht1
+ ΔP
1
, N/m
2
- Nồi 2: P
tb2
= P
ht2
+ ΔP
2
, N/m

2
- Nồi 3: P
tb3
= P
ht3
+ ΔP
3
, N/m
2
Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung
bình (T
tb
) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (T
mt
).
- Nồi 1: Δ
1
’’ = T
tb1
– T
mt
- Nồi 2: Δ
2
’’ = T
tb2
– T
mt
- Nồi 3: Δ
3
’’ = T

tb3
– T
mt
- Cả 3 nồi: ΣΔ’’= Δ
1
’’ + Δ
2
’’ + Δ
3
’’
Chọn chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch ở các nồi là bằng nhau: h
1
= 0,5 m
Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt: h
2
= 4 m.
Tổng tổn thất do áp suất thủy tỉnh tăng cao
16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
∆” = ∆
1
” + ∆
2
” +∆
3
”
= 1,2712 + 2,7352 + 13,3688= 17,3725 (
0
C)

Bảng 2.3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
Đại
lượng
x
tb
(%) T
mt
(
0
C) ρ
(kg/m
3
)
ρ
s
(kg/m
3
)
∆P
(N/m
2
)
P
tb
(at) T
tb
(
0
C) ∆”(
0

C)
∑∆(
0
C)
Nồi 1 14,7 158,0038 1075,23 537,62 0,1343 6,1205 159,275 1,2712
17,3752
Nồi 2 23,34 123,9516 1203,33 601,67 0,1503 2,4775 126,6868 2,7352
Nồi 3 65 60,7 1587,79 793,9 0,1983 0,4087 79,0687 13,3675
2.2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn ∆”’
Thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang
nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là: ∆”’ = 1 ÷ 1,5
0
C
Chọn: Δ
1
’’’ = Δ
2
’’’ = ∆
3
”’=1
0
C
2.2.2.4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc ∑∆
∑∆ = ∆’ + ∆” + ∆”’
= 3,94 + 17,3752 + 3
= 24,3152(
0
C).
2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆t
hi

và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung
bình của dung dịch.
2.2.3.1. Nhiệt độ sôi của dung dịch ở mỗi nồi
T
s1
= T
ht1
+ ∆
1
’ + ∆
1
”
= 158,0038 + 0,3 + 1,2712
17
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
= 159,575(
0
C)
T
s2
= T
ht2
+ ∆
2
’ + ∆
2
”
= 123,9516 + 0,36 + 2,7352
= 127,0468 (

0
C)
T
s3
= T
ht3
+ ∆
3
’ + ∆
3
”
= 60,7 + 3,28+ 13,3675
= 77,3475 (
0
C)
2.2.3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích mỗi nồi
∆t
hi1
= t
hd1
– t
s1
= 187,1 – 159,575
= 27,525 (
0
C)
∆t
hi2
= t
hd2

– t
s2
= 157,0038 – 127,0468
= 29,957 (
0
C)
∆t
hi3
= t
hd3
– t
s3
= 122,9516 – 77,3475
= 45,6041 (
0
C)
 ∆t
hi
= ∑∆t
hi
= ∆t
hi1
+ ∆t
hi2
+ ∆t
hi3
= 27,525+29,957+45,6041
= 103,0861 (
0
C)

2.2.4.Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi thứ W′
i
cho từng nồi và lượng hơi đốt cần dùng D
18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Khi nồng độ x < 0,2 phần khối lượng thì nhiệt dung riêng của dung dịch được tính
như sau:
C = 4.186
*
(1-x) (J/kg.độ)
Do vậy:
C
o
= (1- x
o
)
*
4.186 = (1- 0,11)
*
4186 = 3725,54 (J/kg.độ)
C
1
= (1- x
1
)
*
4.186 = (1- 0,147)
*
4186 = 3.570,66(J/kg.độ)
C

2
= 0,2334> 0,2 nên C
2
được tính như sau:
C
2
= C
ht *
x
2
+ 4.186
*
(1- x
2
) (J/kg.độ)
C
ht
: nhiệt dung riêng của chất tan khan (J/kg.độ)
C
ht
= (J/kg.độ)
C
2
= 1.422,9825 . 0,2334 + 4.186 . (1- 0,2334) = 3540,83 (J/kg.độ)
C
3
= 1.422,9825 . 0,65 + 4.186 . (1- 0,65) = 2390,04 (J/kg.độ)
Nhiệt độ nước ngưng trong các nồi bằng nhiệt độ hơi đốt của nồi ấy
t
hd1

= 187,1
0
C θ
1
= 187,1
0
C
t
hd2
= 157,0038
0
C → θ
2
= 157,0038
0
C
t
hd3
= 122,9516
0
C θ
3
= 122,9516
0
C
2.2.4.1. Lượng hơi đốt và hơi thứ mỗi nồi
Giả thiết:
+ Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2)
+ Không có tổn thất nhiệt ra môi trường
+ Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước)

Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0
0
C
19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Phương trình cân bằng năng lượng:
- Nồi 1: D(i
đ
– C
n1
θ
1
) = G
1
C
1
T
s1
– G
đ
C
đ
T
đ
+ W
1
i
1
(a)
- Nồi 2: W

1
(i
1
– C
n2
θ
2
) = G
2
C
2
T
s2
– G
1
C
1
T
s1
+ W
2
i
2
(b)
- Nồi 3: W
2
(i
2
– C
n3

θ
3
) = G
3
C
3
T
s3
– G
2
C
2
T
s2
+ W
3
i
3
(c)
Trong đó:
D : khối lượng hơi đốt cho hệ thống trong 1 giờ, kg/h
W
1
, W
2
, W
3
: khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 trong 1 giờ, kg/h
G
đ

, G
1
, G
2
, G
3
: khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi
nồi 3 trong 1 giờ, kg/h
C
đ
, C
1
, C
2
, C
3
: nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra
khỏi nồi 3, J/kg.độ
T
đ
, T
s1
, T
s2
, T
s3
: nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi
nồi 3,
0
C

i
đ
, i
1
, i
2
, i
3
: enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2 và hơi thứ nồi 3,
J/kg
C
n1
, C
n2
: nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nước ngưng nồi 2 và nước ngưng nồi
3, J/kg.độ
θ
1
, θ
2
, θ
3
: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3( = nhiệt độ hơi đốt của nồi 1,
nồi 2 và nồi 3, nhiệt độ hơi đốt nồi 3 là nhiệt độ hơi thứ nồi 2),
0
C
Ta có: W = W
1
+ W
2

+ W
3
= 2076,92 (d)
Bảng 2.4. Các thông số về năng lượng
G (kg/h) x (%) C (J/kg.độ) T
sdd
(
0
C) i(J/kg) θ (
0
C) C
n
(J/kg.độ)
Nhập
liệu (đ)
2500 11
3725,54
105 2.248.000
20
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Ra khỏi
nồi 1
1870,63 14,7
3.570,66 159,575
2.762.000 187,1 4.446,82
Ra khỏi
nồi 2
1178,32 23,34
3540,83 127,0468
2.716,6 157,0038 4.331,61

Ra khỏi
nồi 3
423,08 65
2390,04 77,3475
2.609,6 122,9516 4.254,72
Ghi chú:
- C
n
được tra từ ( dựa vào
nhiệt độ hơi đốt.
- i = r do hơi đốt là hơi nước bão hòa và tra từ [B – 39] - (II-7) theo nhiệt độ dung
dịch tương ứng.
- Tdd là nhiệt độ của dung dịch tương ứng, 0C.
Thay các số liệu trong bảng 4 vào 2 phương trình cân bằng năng lượng (a) và (b)
trên. Giải hệ phương trình (a), (b), (c) và (d) ta được:
→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là: W
1
= 640,25(kg/h)
→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là: W
2
= 701,2(kg/h)
→ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 3 là: W
3
= 735,47 (kg/h)
→ Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là: D = 804,8(kg/h)
2.2.4.2. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi
Công thức so sánh:
Trong đó:
W
L

: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn
W
n
: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ
Nồi 1:
Nồi 2:
21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Nồi 3:
Vậy giả thiết ban đầu được chấp nhận.
2.3. Tính bề mặt truyền nhiệt
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
Q = D
*
r, W
D: lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg
Bảng 2.5. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
Nồi D (kg/h) T
hd
(
0
C) r (J/kg) Q (W)
1 804,8 187,1 1.995
*
10
3
445.993,3
2 804,6 157,0038 2.098,445
*

10
3
469.045
3 804,65 122,9516 2.198,67
*
10
3
491.431,32
2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
K = , W/m
2
q
tb
: nhiệt tải riêng trung bình, W/m
2
Δ
thi
: hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết,
0
C
2.3.2.1. Nhiệt tải riêng trung bình
q
tb
= , W/m
2
q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m
2
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m

2
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m
2
t
bh
: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt,
0
C
T
s
: nhiệt độ sôi dung dịch, 0C
t
w1
, t
w2
: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi,
0
C
22
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Δt
1
= t
bh
– t
w1
,
0

C
Δt
2
= t
w2
– T
s
,
0
C
Σr: tổng nhiệt trở của thành ống đốt, m
2
.độ/W
α
1
, α
2
: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, W/m
2
.độ
Ta có:
q =
*
(t
w1
– t
w2
)
q
1

= α
1*
Δt
1
q
2
= α
2*
Δt
2
Theo lý thuyết q = q
1
= q
2
Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt
1
để tính nhiệt tải riêng, sau
đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q
1
và q
2
. Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấp
nhận giả thiết.
2.3.2.2. Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr
∑r= r
1
+ + r
2
, m
2

*
độ/W
r
1
: nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn)
r
1
= 0,232∗10
-3
m
2
*
độ/W [AII – 4]
r
2
: nhiệt trở trung bình lớp cặn bẩn
r
2
= 0,387∗10
-3
m
2
*
độ/W
δ: chiều dày thành ống đốt, m
λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng thép CT3, tra bảng [AII – 313] – (VII.7) ta
được: λ = 50 W/m
*
độ

2.3.2.3.Hệ số cấp nhiệt α
1
, α
2
a. α
1
: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m
2
.độ
Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng)
trên bề mặt đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:
23
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
α
1
= 2,04
* ,
W/m
2
*
độ [AII – 28] – (V.101)
A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng T
m
[AII – 28] – (V.101)
T
m
= 0,5∗(t
bh
+ t
w1

)
t
w1
: nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ,
0
C
t
bh
: nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt ( nhiệt độ hơi đốt),
0
C
Δt
1
= t
bh
– t
w1
H : chiều cao ống, m
Bảng 2.6. Nhiệt tải riêng q
1
phía hơi ngưng
Nồi t
bh
(
0
C) Δt
1
(
0
C)

t
w1
(
0
C) T
m
(
0
C) A r (J/kg) α
1
(W/m
2
*
độ)
q
1
W/m
2
1 187,1 1,8 185,3 186,2 199 1.995
*
10
3
9.313,99 16.765,18
2 157,0038 2 155,0038 156,0038 196 2.098,445
*
10
3
9.048,74 18.097,48
3 122,9516 2,2 120,7516 121,8516 190 2198,67
*

10
3
8.665,7 19.064,54
Δt
1
tự chọn, sau đó kiểm tra lại với thực tế, nếu tỉ lệ sai số < 5% thì chấp nhận. r = i,
tra theo nhiệt độ hơi đốt từ [AII – 39] – (II - 7)
b. α
2
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m
2
*
độ
Trường hợp dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong
ống thì hệ số cấp nhiệt được tính theo hệ số cấp nhiệt của nước α
n
theo công thức:
α
2
= α
n*
[AII – 71] – (VI.27)
Trong đó: Chỉ số dd biểu thị cho dung dịch, chỉ số n biểu thị cho nước
λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m
*
độ
ρ: khối lượng riêng, kg/m
3
C: nhiệt dung riêng, J/kg
*

độ
μ: độ nhớt động lực, m
*
Pas
Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2 ÷ 100 at được
tính theo công thức:
24
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD:Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
α
n
= 45,3
*
(Δt
2
)
2,33
*
p
0,5
, W/m
2
*
độ [B – 44]
Δt
2
= t
w2
– t
dds
,

0
C
p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (= áp suất hơi thứ), at
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λdd được tính theo công thức:
λ
dd
= (326,775 + 1,0412T – 0,00331T
2
)
*
(0,796 + 0,009346
*
%H
2
O)
*
10
-3
T: nhiệt độ sôi dung dịch, K
Do q
w
= q
1
→ Δt
w
= t
w1
- t
w2
= q

w*
Σr = q
1*
Σr
Từ Δt
w
ta suy ra được Δt
2
và tính được α
n
:
Bảng 2.7. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi
Nồi P (at) Δt
w
(
0
C) t
w2
(
0
C) Δt
2
(
0
C) α
n
(W/m
2
*
độ )

1 5,9863 5,79 180,985 21,35 4.440,6
2 2,3272 5,65 151,079 23,9322 3.612,6
3 0,2104 5,52 117,2316 39,8028 3.553,8
Từ α
n
ta tính được α
2
:
Bảng2.8. Nhiệt tải riêng q
2
phía dung dịch sôi
λ
(W/m
*
độ)
ρ
(kg/m
3
)
C
(J/kg
*
độ)
μ
(Ns/m
2
)
α
2
(W/m

2
*
độ)
q
2
(W/m
2
) So
sánh
với q
1
Nồi
1
Dd 0,327 1.052 3.517,49 0,242
*
10
-3
4.139,32 16.451,67 1,87%
nước 0,505 916,32 4.312,4 0,21
*
10
-3
Nồi
2
Dd 0,308 1.105,3 3.491,65 0,334
*
10
-3
3.745,09 17.719,24 2,09%
nước 0,507 942,58 4.249,6 0,274

*
10
-3
Nồi
3
Dd 0,199 1.332,2 2.334,78 0,45
*
10
-3
1.385,54 18.452,57 3,21%
nước 0,51 959,8 4187,6 0,37
*
10
-3
Ta tính được hệ số truyền nhiệt K và kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích
2.3.2.4.Hiệu số hữu ích thực tế của mỗi nồi
∆t
hi
*
=
Kiểm tra hệ số hữu ích lý thuyết và thực tế, nếu tỉ lệ kiểm tra sai số nhỏ hơn 5% thì
chấp nhận.
25