đồ án thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch đường ở áp suất chân không

MỤC LỤC

1


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

2


DANH MỤC BIỂU ĐỒ

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo môn đồ án quá trình thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống
kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hóa học. Bên cạnh đó đây còn
là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán thiết kế và lựa chọn
thiết bị ngoài ra đây cũng là một yêu cầu không thể thiếu đối với sinh viên nghành
kỹ thuật. Để bước đầu làm quen với những công việc của kỹ sư nghành hóa chất
chúng tôi sẽ thực hiện đồ án thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch đường ở áp suất
chân không.
Trong quá trình thực hiện đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót chúng tôi mong
nhận được những đóng góp để giúp chúng tôi hoàn thiện hơn về đồ án cũng như
kiến thức mà chúng tôi còn thiếu sót.

4

PHẦN I: TỔNG QUAN
KHÁI QUÁT NGÀNH MÍA ĐƯỜNG
Ngày nay, cùng với sự phát triển của đất nước và khoa học kỹ thuật, các
ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm nó
riêng đang dần khẳng định vị trí chủ lực của mình trong nền kinh tế của nước nhà.
Trong đó ngành công nghiệp mía đường có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế
của đất nước 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…v.v..

Biểu đồ 1.1 sản lượng mía ép, sản lượng đường công ty Vinasugar I theo kế
hoạch 2012 – 2015. Đơn vị: Tấn
Với những đóng góp quan trọng đó, công nghiệp mía đường ngày càng phát
triển cùng với việc mở rộng sản suất, cải tiến công nghệ và đổi mới thiết bị để đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao về nhu cầu sản lượng.

5


Để một quy trình sản xuất đạt một hiệu quả tối ưu nhất về mặt chất lượng
cũng như năng suất thì việc cải tiến thiết bị sản xuất đóng vai trò quan trọng. Trong
một quy trình sản xuất đường thiết bị cô đặc là một trong những thiết bị chính quan
trọng, việc tính toán các thông số cũng như lựa chọn thiết bị cô đặc cần phải chính
xác, phù hợp với yêu cầu của sản xuất.
1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc
Mía là nguyên liệu
chính để sản xuất đường
sacharose. Cây mía có nguồn
gốc từ Ấn Độ. Thuộc họ hòa

thảo
(Poaceae),giống
Saccharum. Ở nước ta cây
mía được trồng suốt từ Bắc
vào Nam

Hình 1.1 Nguyên liệu mía.

1.1.1 Tính chất hóa lý của một số thành phần quan trọng
Bảng 1.1: Thành phần hóa của nguyên liệu
Thành phần của mía
Thành phần nước

70 – 75%

Thành phần đường

9 – 15%

Thành phần xơ

10 – 16%

Đường khử

0.01 – 2%

Chất không đường khác

1 – 3%

6


Thành phần nước mía
Chất rắn hòa tan

100%

Phần đường

75 – 92%

Sacaroza

70 – 88%

Glucoza

2 – 4%

Fructoza

2 – 4%

Các loại muối

3.0 – 7.5%

Muối axit vô cơ

1.5 – 4.5%

Axit hữu cơ tự do

0.5 – 2.5%

Chất hữu cơ không đường khác:
Ambumin

0.5 – 0.6%

Tinh bột

0.001 – 0.050%

Chất keo

0.3 – 0.60%

Chất béo, sáp mía

0.05 – 0.15%

Chất không đường:
Chưa xác định

3.0% – 5.0%

Ngoài ra trong nước mía còn có các chất màu như: diệp lục tố a

C55H72O5N4Mg và diệp lục tố b C 55H70O5N4Mg, xantophin (C40H55O2) và carotene
(C40H56). Trong nước mía chúng cùng với các loại chất béo tồn tại phân tán thành
những hạt huyền phù. Trong sản xuất đường nếu làm sạch không tốt nước mía sẽ bị
đục, khi kết hợp với một số chất béo trong nước mía sẽ gây ảnh hưởng tới sản xuất.
Tính chất lý học:
- Độ hoà tan: tan tốt trong nước, độ hoà tan tăng khi nhiệt độ tăng. Trong dung
dịch đường không tinh khiết độ hoà tan còn phụ thuộc vào những chất không đường.

7


- Độ nhớt: tỷ lệ thuận với nồng độ và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Độ nhớt của
dung dịch đường ảnh hưởng lớn đến các quá trình lắng, lọc, kết tinh. Độ nhớt tăng
thì tốc độ của các quá trình đó đều giảm.
Tính chất hóa học:
• Tác dụng của axit:

Dưới tác dụng xúc tác của axit, đường bị thuỷ phân thành glucoza và fructoza ,
tốc độ chuyển hoá phụ thuộc vào :
- Độ pH và nhiệt độ của dung dịch: pH càng thấp, nhiệt độ càng cao thì tốc độ
chuyển hoá đường càng nhanh chóng.
- Thời gian tác dụng: thời gian phản ứng càng lâu thì tạo thành đường chuyển
hoá càng nhiều.
•

Tác dụng của kiềm:

Môi trường có pH càng lớn thì dung dịch đường bị phân huỷ càng nhiều
thành aldehyt, axeton, axit hữu cơ và các tạp chất có màu vàng nâu.
• Tác dụng của nhiệt độ:

Dưới tác dụng của nhiệt độ >200oC dung dịch đường mất nước tạo thành các
chất caramen có màu từ vàng đến nâu đen rất khó loại ra. Ở nhiệt độ cao hơn nữa
sẽ bị phân huỷ thành Carbon.

-

1.1.2 Yêu cầu chất lượng sản phẩm
- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm được giữ nguyên, sản phẩm có mùi,
vị đặc trưng.
Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.
Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.

8


1.2 Khái niệm về cô đặc
1.2.1 Khái niệm
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung
dịch gồm 2 hai nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng –
lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một
phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý.
1.2.2 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.
- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ
tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để
tăng nồng độ chất tan.
Trong đồ án này ta lựa chọn phương pháp nhiệt.

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 lọai bỏ 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. Bên cạnh đó,
sự bay hơi xảy ra 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.
1.3 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

9


1.3.1 Phân loại và ứng dụng
• Theo cấu tạo:
- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên):
Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp,
đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài.
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức):
Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1.5 (m/s) đến
3.5 (m/s) tại bề mặt truyền nhiệt, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt
cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao 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:
Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt
truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến
chất một số thành phần của dung dịch. Bao gồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi
tạo bọt khó vỡ.
+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít
tạo bọt và bọt dễ vỡ.

10


•

Theo phương thức thực hiện quá trình:
- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): thường được dùng trong cô đặc dung
dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian
cô đặc ngắn nhất.
- Cô đặc áp suất chân không: dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp
suất chân không.
- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá
lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.
- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều
khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
1.3.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:
- Thiết bị chính:

+

Ống nhập liệu, ống tháo liệu

+

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

+

Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

+

Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
- Thiết bị phụ:
+

Bể chứa nguyên liệu

+

Bể chứa sản phẩm

+

Lưu lượng kế

+

Thiết bị gia nhiệt

+

Thiết bị ngưng tụ baromet

+

Bơm nguyên liệu

11


+

Bơm tháo liệu

+

Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

+

Bơm chân không

+

Các van

+

Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

1.4 Lựa chọn thiết bị
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật đề
ra, chúng tôi lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong
và ống tuần hoàn trung tâm. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh

và sửa chữa.
- Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm
chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành
thiết bị (làm hư thiết bị).
- Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung
dịch nhỏ (vì ống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.

PHẦN II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

12


1. CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.1 Thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm
1.1.1 Cấu tạo
Thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là buồng bốc, phần dưới là
buồng đốt có cấu tạo giống như thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, trong buồng
đốt có các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn gấp 7
đến 10 lần ống truyền nhiệt. Còn trong buồng bốc có bộ phận tách giọt do hơi thứ
lôi cuốn theo để làm tránh mất mát lượng dung dịch.
1.1.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc
- Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy theo các ống truyền nhiệt và
ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoản giữa các ống. Trong
ống truyền nhiệt dung dịch được đun sôi và tạo thành hỗn hợp lỏng hơi làm cho
khối lượng riêng dung dịch giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống. Còn
trong ống tuần hoàn do thể tích dung dịch chứa trong ống lớn hơn so với ống
truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, ví vậy khối lượng riêng của
hỗn hợp lỏng hơi ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó dung dịch sẽ bị đẩy
xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên
trên và từ trên xuống dưới trong ống tuần hoàn. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở

buồng đốt hơi thứ tách ra khỏi dung dịch và bay lên rồi qua bộ phận tách giọt, các
giọt dung dịch sẽ được tách ra và khí không ngưng sẽ thoát ra bay vào thiết bị
ngưng tụ.
1.1.3 Thiết bị ngưng tụ và các thiết bị khác
- Khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc thiết bị cô đặc đi vào
thiết bị ngưng tụ Baromet. Trong thiết bị ngưng tụ chất làm lạnh là nước được bơm
từ ngăn trên cùng còn dòng hơi được dẫn vào ngăn cuối cùng của thiết bị. Dòng hơi
đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành dòng lỏng rồi chảy xuống bồn chứa
nước ngưng qua ống Baromet. Còn khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn
qua bộ phận tách giọt , các giọt nước do hơi không ngung mang theo sẽ được tách
ra còn khí sẽ được bơm chân không hút ra ngoài.

13


- Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường
hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất
trong thiết bị ngưng tụ có thể làm cho nước bị đẩy ngược trở lại nồi cô đặc.
1.1.4 Sơ đồ và quy trình công nghệ
a) Sơ đồ
b) Thuyết minh quy trình công nghệ
Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0.2 (at).
Sau đó dung dịch có nồng độ ban đầu là 8% từ bể chứa được bơm vào vào thiết
bị cô đặc. Quá trình nhập liệu diễn ra cho tới khi nhập đủ 2000kg dung dịch. Khi
nhập đủ 2000 kg dung dịch thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa có áp suất
3 at) vào buồng đốt để gia nhiệt cho dung dịch. Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt
được gia nhiệt bằng hơi đốt đi ngoài ống. Dung dịch sẽ sôi và tuần hoàn qua ống
tuần hoàn. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở buồng đốt hơi thứ tách ra khỏi dung
dịch và bay lên rồi qua bộ phận tách giọt, các giọt dung dịch sẽ được tách ra và khí
không ngưng sẽ thoát ra bay vào thiết bị ngưng tụ. Khí không ngưng thoát ra từ

phía trên của buồng bốc thiết bị cô đặc đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet. Trong
thiết bị ngưng tụ chất làm lạnh là nước được bơm từ ngăn trên cùng còn dòng hơi
được dẫn vào ngăn cuối cùng của thiết bị. Dòng hơi đi lên gặp nước giải nhiệt để
ngưng tụ thành dòng lỏng rồi chảy xuống bồn chứa nước ngưng qua ống Baromet.
Còn khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt, các giọt
nước do hơi không ngung mang theo sẽ được tách ra dẫn xuống bể chứa còn khí sẽ
được bơm chân không hút ra ngoài.
Hơi đốt khi ngưng tụ sẽ được chảy ra ngoài cửa tháo nước ngưng qua bẩy hơi rồi
được xả ra ngoài .
Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ đến 20% thì ngưng cấp hơi . Mở van xả
áp sau đó tháo sản phẩm ra ngoài bằng cửa tháo liệu
PHẦN III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ

14


1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1.1 Dữ kiện ban đầu
- Dung dịch đường mía.
- Nồng độ đầu xđ = 8 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC.
- Nồng độ cuối xc = 20 %.
- Khối lượng của nguyên liệu của đầu vào Gđ = 2000 (kg/h).
- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa áp suất hơi đốt là 3(at).
- Áp suất hơi ở thiết bị ngưng tụ là 0.20 (at).
1.2 Cân bằng vật chất
1.2.1 Suất lượng nhập liệu (Gđ)
Theo công thức 5.16, QT và TBTN T5, tr.184:

Gđ*xđ = Gc*xc
Trong đó:

-

Gc: Suất lượng tháo liệu (năng suất), (kg )
Gđ: Lượng dung dịch đầu vào, (kg)
xđ, xc: Nồng độ đầu và nồng độ cuối, (%)

Gc = G* = 2000* = 800 (kg/h)
1.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):
Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5, tr.184:
W = Gđ – Gc = 2000 - 800 = 1200 (kg/h)
Trong đó:
- Gc :
- Gđ :

Suất lượng tháo liệu (năng suất),( kg) .
Lượng dung dịch đầu vào,( kg).

15


-

W:

Lượng hơi thứ bốc lên của mỗi giai đoạn, (kg).

1.3 Tổn thất nhiệt
Áp suất thiết bị ngưng tụ Pc= 0.20 (at).
 Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ tc= 59.70oC [1,tr. 314]

Chọn tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT :
”’
= 10C [5, tr. 2].
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc Po :

tsdm(Po) – to= ”’

[6 ,tr. 184]

tsdm(Po) = to +1 = 59,7 +1 = 60,70oC
Áp suất tại buồng bốc ở nhiệt độ 60.7oC là Po= 0.21 (at) [1 ,tr. 312].
1.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’ )
Theo công thức [5 ,tr 140] :

∆’ =∆o’.f
Trong đó:
-

∆o’:

Tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. Tra từ đồ thị.

-

f:

Hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
f = 16.2*
Với:
+ t : Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất Po.

16


+ r : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở Po, r = 2355.80 (kJ/kg)
[1,tr. 314] .
f = 16.2* = 16.2* = 0.77


∆’ =∆o’*f

= 0.40*0.77 = 0.31oC.

1.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆ ”)
Theo công thức [3, tr. 184] :

∆ ” = tsdd(Po+∆ p) - tsdd(Po)

(1CT.3.2.1)

Trong đó:
-

tsdd(P0):

Nhiệt độ sôi dung dịch ở mặt thoáng.

∆ ’= tsdd(Po) - tsdm(Po)

[3, tr. 184]

⇒ tsdd(Po) = tsdm(Po) +∆ ’ = 60.70oC + 0.31= 61.01oC
-

tsdd(P0+∆p): Nhiệt độ sôi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng, đặt là
tstb.
Theo công thức 4.19 [3, tr. 185]:

Po + ∆ p = Ptb =Po + 0.5*ρhh*g*Hop

(1CT.3.2.1a)

Với:
+ Po : 0.21 (at).
+ ρhh: 0.5*ρdd, ρdd - khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đang xét,
không kể lẫn bọt hơi (kg/m3).

17


+ g = 9.81 (m/s2).
+ Hop: Chiều cao lớp lỏng sôi theo kính quan sát chỉ mức , (m)
Hop = [0.26 + 0.0014*( ρdd –ρdm)]*Ho
Ghi chú:
- Ho: Chiều cao ống truyền nhiệt, chọn Ho = 1.50 (m).
- ρdd: Khối lượng riêng dung dịch ở nồng độ 20%
ρdd = 1.20*103 (kg/m3).
- ρdm: Khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 60.70oC.
ρdm = 982.80 (kg/m3).
Hop =[0.26 + 0.0014*(1.2*103- 982.8]* 2.5 = 0.85 (m)

(1CT.3.2.1a)

Ptb = Po + ∆ p = 0.21 + 0.5*0.5*1.2*103*9.81*
= 0.23 (at).

Tại Ptb = 0.23 (at) ta có tsdm(Ptb) = 62.40oC

[1, tr. 312]

Ta có :
(ICT.3.2.1)

∆ ” = tsdm(P0+∆ p) - tsdd(P0) = 62.40 – 61.01 = 1.39oC

tsdd(ptb) = tsdd(Po) + ∆ ” = 60.01 + 1.39 = 61.40oC
tsdd(Po)+P = 60.01 + 2*1.39 = 62.79oC
Tổng độ tăng nhiệt độ sôi:

∑∆ = ∆ ’ + '' +”’ = 0.31 + 1.39 + 1.00= 2.70oC
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 3 (at) nhiệt độ hơi đốt
tD = 132.90 oC [ 1, tr. 312]

18


Hiệu số nhiệt độ hữu ích :

th.i = tD – ( to + ∑∆ ) = 132.9 – ( 60.7 + 2.7 ) = 69.50 oC
Bảng 3.1: Các thông số ở nồng độ 20%
Nồng độ

20%

'

o

0.38

'

''

0.31

1.39

2.70

Hop

Po+P

1.41

0.25

tsdd(Po)
60.01

1.4 Cân bằng năng lượng

1.4.1 Nhiệt lượng dùng để đun nóng đến nhiệt độ sôi
Theo [2, tr. 52]:

Q = Qđ + Qbh +Qkn + Qtt

(1CT.4.1)

Trong đó:
-

Qđ:
-

Nhiệt lượng để đun nóng đến nhiệt sôi, (J)
Qđ = Gđ*Ctb*(tsôi - tđ)
(1CT.4.1a)
Ctb: Nhiệt dung riêng của dung dịch.
Theo [1, tr. 153]:
C = 4190 - ( 2514 – 7.542*t )*x, (J/kg*độ)
+ Ở t = 30oC, x = 20% thì :
C1 = 4190 - ( 2514 – 7.542* 30 )*0.2 =3732.45 (J/kg*độ)
+ Ở t = 61.01 oC , x = 20% thì :
C2 = 4190 - ( 2514 – 7.542*61.01)*0.2 = 3777.72 (J/kg*độ)
Vậy:
Ctb = (C1 + C2)/2 = = 3775.08 (J/kg*độ)

19

tsdd(Po+P)
64.52

Qđ = 2000*3775.08 *(60.99- 30) = 0.23*109 (J/h)

(1CT.4.1a)

= 63888.89 (W)
-

Qbh:

Nhiệt lượng làm bốc hơi nước, (J)

Qbh = W*r = 1200*2355,8.103 = 2.83*109 (J/h ) = 786111.11 ( W) [2, tr. 57]
Trong đó:
+ W: Lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 1200 (kg).
+ r:

Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0.21 (at)
r = 2355,8*103 (J/kg)

-

[1, tr. 314]

Qkn: Nhiệt lượng dùng để khử nước, (J)

Qkn =Qhtđ - Qhtc

[2, tr. 57]

Qhtđ, Qhtc lần lượt là nhiệt hoà tan tích phân của dung dịch đường ở nồng độ
đầu và cuối của quá trình cô đặc. Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua.
-

Qtt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, (J) . Chọn Qtt = 4%*QD
Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (Q):
(1CT.4.1)

QD = Qđ+ Qbh + Qkn + Qtt = 63888.89 + 786111.11 + 4%.QD
QD = 885416.67 (W)

1.4.2 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc (D)
QD = D*(1-ϕ)* ( i''D – C* θ )

[3, tr. 182]

Do không quá lạnh hơi ngưng tụ: i''D – C*θ = r

20


QD = D*(1-ϕ)*r
Trong đó:
- QD: Tổng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc, QD =885416.67 (W)
- ϕ: Độ ẩm của hơi, ϕ = 0,05
[4, tr. 181]
- r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất là 3 (at)

r = 2171.103 (J/kg)

[1, tr. 314]

Nên D = == 0.43 (kg/s)
1.4.3 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
m = = 1.29 ( kg hơi đốt / kg hơi thứ )

[3, tr. 182]

Trong đó:
- D: Lượng hơi đốt dùng cô đặc.
- W: Lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc.

PHẦN IV: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
1. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

 r 

α1 = 2,04 * A * 
H
*
∆
t
1

⇒ q1 = α1 * ∆t1

0 , 25

[2, tr. 28]

(1CT.1)
(1C.1a)

21


Trong đó:
- α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, (W/m2K)
- A: Hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2

Với tD, tv1: Nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ vách ngoài
- tD =132.90oC , cho sai số 5% ta chọn tv1 = 126.26oC
- tm = = 132.73oC
A = 191.82
-

[2, tr. 29]

r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 (at).
r = 2171.103 (J/kg) [1, tr. 314]

t1

H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.50 (m)

= tD - tv1 =132.90 – 126.26 =6.64oC

α1 =2.04*191.82* = 8455.21(W/m2K)

(1C.1)

q1 = α1*t1 = 8455.21*6.64 = 56142.59 (W/m2)

(1CT.1a)

1.2 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
 λ dd 
α 2 = α n *  
 λn 

0.565

 ρ  2  C   μ 
*  dd  *  dd  *  n 
 ρ n   C n   μ dd 

0.435

(W/m 2 K)

[2, tr. 71]

Trong đó:
-

αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

22

(1CT.2)


α n = 0,145*P0.5 * 2.33

[2, tr. 26]

Với :
+ P = Po = 0.21 (at) = 20601 (N/m2)
+ : Là hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi

= tv2 – tsdm(Po) = 95.48 – 60.7 = 34.78oC
αn = 0.145*206010.5*34.782.33 = 81210.1 (W/m2)
- Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch ở t sdd

(J/kgoK)
Cdd = 4190 – ( 2514 –7.542*t )*x
=4190*(2514 – 7.542*60.70)*0.20 = 3779.20, (J/kg.K)
-

Cn:
µdd:
µn :
ρdd:
ρn:
λdd:

Nhiệt dung riêng của nước ở 100oC (J/kg*oC)
Độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Pa.s)

Độ nhớt nước ở 100 oC (Ns/m2)
Khối lượng riêng dung dịch (kg/m3)
Khối lượng riêng nước ở 100 oC (kg/m3)
Độ dẫn điện dung dịch (W/m2K)

-

λn :

Độ dẫn điện nước ở 100 oC (W/m2K)

Với:
+ µdd: Tra bảng I.112 [1, tr. 114].
+ ρ dd: Tra bảng I.86 [1, tr. 58-60].
+ λdd: Theo công thức I.32 [1, tr. 123]:
λdd = A*Cddρ dd * (W/mK)
Ghi chú:

23


A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, đối với chất lỏng liên kết
A= 3.58*10-8 [1, tr. 123]
M = a*MC6H12O6 + (1 - a)*MH2O
a = = = 0.0244
M = 0.0244*180 + (1-0.0244)*18 =21.95 (kg/kmol)
Vậy: λdd = A*Cdd*ρ dd * =3.58*10-8*3778.76*1.2*103*
= 0.616 (W/m2K)
Bảng 4.1 Số liệu theo nồng độ của dung dịch:
Nồng

ρn
ρ dd
µdd
µn
độ
20%

958.40

1.20*103

0.79

 λ dd 
α 2 = α n *  
 λn 

0.565

(1.2)
α2

0.28*10-3

Cdd

Cn

λdd

λn

3779.20

4220

0.62

0.66

 ρ  2  C   μ 
*  dd  *  dd  *  n 
 ρ n   C n   μ dd 

=81210.1 *
α2 =2847.72W (W/m2K)
1.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv):
qv

= => v =

Trong đó:

24

= qv *

0.435

= + (ICT.3)
Với:
+ r1: Nhiệt trở phía dung dịch (m2K/W)
+ r2: Nhiệt trở phía hơi nước (m2K/W)
Lấy
+:

= = (W/m2K)

Bề dày ống truyền nhiệt, = 2 (mm)
+ λv:

( đối với

Hệ số dẫn nhiệt của ống, λv = 16.3 (m2K/W)

thép không gỉ X18H10T )

(1CT.3)

[2, tr. 313]

= = 6.23*10-4 (W/m2K)
tv: Chênh lệch nhiệt độ của tường

∆tv = qv*∑rv = 49411.76*6.23*10-4 = 30.78oC
tv2 = tv1 - ∆tv = 126.26 – 30.78 = 95.48oC
Vì đây là quá trình truyền nhiệt ổn định nên q1 = qv
Vậy nhiệt tải riêng phía dung dịch :
q2 = α2*∆t2 =2847.72 *34.78= 99043.70 (W/m2)

1.4 Hệ số truyền nhiệt K
K = = = 902.09 (W/m2K)
Trong đó :
-

α1:
α2:

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch

1.5 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt
F = = = 14.12m ( m2)

25