Cô đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều

Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

MỤC LỤC

Nhóm thực hiện: 09

trang 1


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
1.1. Giới thiệu chung:
Đường là một hợp chất ở dạng tinh thể, có thể ăn được. Các loại đường chính là
sucrose, lactose, và fructose. Vị giác của con người xem vị của nó là ngọt. Đường là một
loại thức ăn cơ bản chứa carbonhydrate lấy từ đường mía hoặc củ cải đường, nhưng nó
cũng có trong trái cây, mật ong và trong nhiều nguồn khác nhau. Con người sử dụng đường
đã khá lâu, ban đầu con người khai thác mía để lấy chất ngọt. Người Ấn Độ khám phá ra
cách tạo tinh thể đường khoảng vào triều đại Gupta năm 350, trong cuộc cách mạng nông
nghiệp hồi giáo, các công ty Ả rập đã thực hiện kỹ thuật sản xuất đường của Ấn Độ và sau
đó điều chỉnh và biến nó thành một ngành công nghiệp lớn. Ả rập đã thành lập nhà máy
đường và đồn điền lớn nhất đầu tiên. Việc sử dụng đường và sản xuất đường đã trờ nên phổ
biến trên khắp thế giới bắt đầu từ Châu Á sang Châu Phi, Châu Âu và dần đến Châu Mỹ.
Người ta sử dụng đường như một gia vị tạo mùi cho thức ăn khi chế biến như kẹo, mứt, các
món tráng miệng và nhiều ứng dụng khác nữa. Ở nước ta việc sản xuất đường đã diễn ra
khá lâu, ngành công nghiệp đường đã phát triển không ngừng từ việc tăng diện tích trồng
mía đến việc tăng các nhà máy sản xuất đường, nhưng việc sản xuất đường vẫn ở qui mô
nhỏ và thiết bị chưa tiên tiến nên việc cải tiến sản xuất và nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi
mới dây chuyền thiết bị công nghiệp, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết. Trong

đó, cải tiến thiết bị cô đặc là khá quan trọng. Ngày nay một nhà máy sản xuất đường cỡ lớn
khoảng 1500 tấn một ngày cần một nguồn nhân lực thường xuyên khoảng 150 người để sản
xuất liên tục 24 giờ.
1.2. Đặc tính nguyên liệu:
1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu:

Nguyên liệu ở đây ta sử dụng là dung dịch đường gồm nước là dung môi và
saccarozo hòa tan, các cấu tử này xem như khó bay hơi trong quá trình cô đặc. Nồng độ
dung dịch đường vào là 7% khá thấp, độ nhớt trong dung dịch là không cao.
1.2.2. Biến đổi nguyên liệu:

Biến đổi tính chất vật lý:

Nhóm thực hiện: 09

trang 2


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa


Dung dịch đường vào có nồng độ 7% trong quá trình cô đặc nồng độ sẽ tăng lên

35% nên sẽ gây biến đổi tính chất dung dịch trong suốt quá trình cô đặc.
 Hệ số dẫn nhiệt λ trong quá trình cô đặc giảm. λ là đại lượng đặc trưng cho khả
năng dẫn nhiệt của các vật liệu.
 Hệ số cấp nhiệt α trong quá trình cô đặc giảm.
 Nhiệt dung riêng c cũng giảm trong quá trình cô đặc. c là đại lượng đo khả năng
hấp thụ nhiệt của một vật.

 Hệ số truyền nhiệt K cũng giảm trong quá trình cô đặc. K là đại lượng đặc trưng
cho khả năng truyền nhiệt từ vật này tới vật khác.
 Khối lượng riêng dung dịch sẽ tăng trong quá trình cô đặc. của dung dịch là một
đặc tính về mật độ của dung dịch đó.
 Độ nhớt cũng tăng do quá trình cô đặc làm tăng nồng độ dung dịch đường là hệ số
đại diện cho ma sát trong của dung dịch đường.
 Nhiệt độ sôi cũng tăng trong quá trình cô đặc.là nhiệt độ mà khi đạt tới ngưỡng đó
thì chất chuyển thái từ lỏng sang hơi.
 Tổn thất nhiệt do nồng độ cũng tăng theo quá trình cô đặc.
 Biến đổi tính chất hóa học:
 Sự thay đổi PH môi trường là giảm PH do các phản ứng phân hủy amit của các cấu
tử tạo thành acid.
 Ở đây ta sử dụng nước bình thường làm dung môi nên trong nước vẫn còn ion Ca 2+
ít hòa tan trong quá trình cô đặc từ nồng độ thấp lên nồng độ cao làm phân hủy
muối hữu cơ tạo ra kết tủa làm đóng cặn.
 Saccarozo nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ 186 0C để tạo ra caramen hóa đường
làm biến đổi màu của dung dịch tạo ra tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân
hủy và các aminoacid.
 Trong suốt quá trình cũng xảy ra sự phân hủy chất cô đặc và phân hủy một số
vitamin trong dung dịch đường.
 Biến đổi sinh học:
 Ở nhiệt độ cao có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật.
 Ở nồng độ 35% hạn chế một phần hoạt động của các vi sinh vật, ít làm biến đổi
tính chất của sản phẩm.

Nhóm thực hiện: 09

trang 3

Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa
1.2.3. Yêu cầu chất lượng sau quá trình cô đặc:
 Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi vị đặc trưng được giữ nguyên màu


sắc không bị biến đổi.
Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu, tránh xảy ra hiện tượng caramen hóa
làm thay đổi thành phần hóa học.

1.3. Cô đặc và quá trình cô đặc:
1.3.1. Định nghĩa:

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách
tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. Tùy 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.
Mục đích cô đặc: làm tăng nồng độ dung dịch loãng hoặc kết tinh.
Hơi đốt: hơi tăng để đun sôi dung dịch.
Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc.
Hơi phụ hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc.
1.3.2. Các phương pháp cô đặc:
a. Phương pháp nhiệt (đun nóng):





Dung môi ở trạng thái lỏng được cung cấp nhiệt lượng khi đạt đến nhiệt độ sôi thì
chuyển sang trạng thái hơi, lúc đó áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác

dụng lên mặt thoáng dung dịch. Một số dung dịch không chịu được nhiệt độ cao do có thể
làm biến đổi tính chất sản phẩm nên đòi hỏi phải được cô đặc ở nhiệt độ thấp tương 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.
1.3.3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt:

Dựa vào thuyết động học phân tử: Các phân tử lỏng nằm gần mặt thoáng của dung
dịch được liên kết bởi áp suất bên ngoài, để cho các phân tử lỏng chuyển qua trạng thái hơi
cần phải cung cấp một năng lượng cho các phân tử lỏng đạt tốc độ chuyển động vượt quá
tốc độ giới hạn. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử lỏng thực hiện quá trình này.

Nhóm thực hiện: 09

trang 4


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Mặt khác sự bay hơi cũng do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển
động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phân tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên
sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.
1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc:
 Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng

nồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất hòa tan (trường hợp này có
kèm theo quá trình kết tinh)
 Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, nước ép trái cây…
 Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl 2…
1.4. Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc:
Người ta tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo cách sau:



Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng…
Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng

khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…), bằng dòng điện.
 Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn cưỡng bức, tuần hoàn tự nhiên…
 Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống ngang…
 Trong công nghiệp hóa chất thường dùng các thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi,
loại này gồm các phần chính sau:
 Phòng đốt bề mặt truyền nhiệt.
 Phòng phân ly hơi: khoảng trống để tách hơi thứ ra khỏi dung dịch.
 Bộ phận tách bọt: dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
1.4.3. Phân loại và ứng dụng:
a. Theo cấu tạo:
NHÓM 1

NHÓM 2

NHÓM 3

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:

Dung dịch đối lưu cưỡng
bức, dùng bơm để tạo vận
tốc dung dịch từ 1,5 – 3 m/s
tại bề mặt truyền nhiệt, có
ưu điểm là 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:

Dung dịch chảy thành màng
mỏng, chảy một lần tránh
tiếp xúc lâu làm biến chất
sản phẩm, đặc biệt thích
hợp cho các dung dịch thực
phẩm như dung dịch trái
cây, hoa quả ép. 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 thực hiện: 09

Có buồng đốt trong, ống
tuần hoàn ngoài.
Có buồng đốt ngoài, ống
tuần hoàn ngoài.

trang 5

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


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa
1.4.4. Theo phương pháp thực hiện quá trình:
a. 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 ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt được là không cao.
b. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp dưới 100 0C, áp suất chân

không, dùng cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao bảo đảm thành phần
hóa học không bị biến đổi, dung dịch được tuần hoàn tốt trong quá trình cô đặc ít để lại

cặn, sự bay hơi nước diễn ra liên tục.
c. Cô đặc nhiều nồi cho phép tiết kiệm nhiều hơi đốt do sử dụng hơi thứ được đem làm
hơi đốt cho nồi tiếp theo. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cho cả hai
phương pháp. Trong đó cô đặc áp lực có thể sử dụng không quá 3 nồi tùy theo mức
yêu cầu của sản phẩm còn đối với cô đặc chân không thì số nồi thích hợp nhất không
quá 5 nồi.
1.4.5. Yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:
a. Yêu cầu về mặt công nghệ:
 Bảo đảm chất lượng cao nhất của sản phẩm.
 Dung dịch không thay đổi tính chất hóa học, biến màu sản phẩm và không bị phân
hủy ở nhiệt độ cao.
Đảm bảo lượng sản phẩm bị tổn thất là ít nhất.
b. Yêu cầu về mặt kết cấu:
 Thiết bị phải có năng suất cao.
 Cường độ truyền nhiệt lớn với thể tích thiết bị nhỏ nhất.
 Tốn ít kim loại trong việc chế tạo.
 Cấu tạo đơn giản giá thành rẻ làm việc ổn định và đáng tin cậy.
 Dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt, thuận tiện khi quan sát, lắp ráp thay thế và sữa


chữa.
 Ngoài ra thiết bị cô đặc cũng phải thỏa mãn yêu cầu như đối với thiết bị trao đổi
nhiệt, cụ thể hệ số truyền nhiệt lớn, tách khí không ngưng khỏi hơi đốt và bọt khỏi
hơi thứ tốt, tháo nước ngưng liên tục và triệt để, bố trí bề mặt truyền nhiệt đảm bảo
phân bố hơi đốt đi ra ngoài ống tốt, bảo đảm bù giãn nở nhiệt v.v…
1.4.6. Các hệ thống cô đặc:

Nhóm thực hiện: 09

trang 6

Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Nguyên lý
làm việc

Ưu điểm

Hệ thống cô đặc xuôi
chiều

Hệ thống cô đặc
ngược chiều

Hệ thống cô đặc
song song

Dung dịch và hơi đốt
cùng đi vào nồi một.
Dung dịch thực hiện
xong quá trình cô đặc
ở nồi I sẽ đi tiếp vào
các nồi kế tiếp cô đặc
cho đến khi ra sản
phẩm. Hơi thứ nồi I
sẽ thành hơi đốt cho
nồi II và cứ thế hơi
thứ của nồi này sẽ

thành hơi đốt của nồi
kia.

Dung dịch đi vào nồi
cuối cô đặc sau đó
được bơm vận
chuyển qua nồi kế
tiếp cô đặc song song
quá trình để phải gia
nhiệt. Còn hơi đốt đi
vào nồi I và hơi thứ
của nồi I sẽ thành hơi
đốt cho nồi thứ II và
cứ thế tiếp diễn hơi
thứ của nồi này sẽ
thành hơi đốt của nồi
kia.

Dung dịch vào và ra
mỗi nồi độc lập
nhau. Hơi thứ nồi
này tận dụng làm
hơi đốt cho nồi
khác.

Dung dịch di chuyển
qua các nồi không
cần sử dụng bơm.

Do dung dịch càng

đặc nhiệt độ càng
tăng nên độ nhớt
dung dịch không
tăng, đối lưu không
giảm, hệ số truyền
nhiệt K ít thay đổi
nên cường độ bốc
hơi các nồi gần bằng
nhau, khai thác được
hết công suất các nồi.

Tận dụng được hơi
thứ để cấp nhiệt cho
nồi sau.

Nhiệt độ sản phẩm
thấp nên chất lượng
tốt.
Hệ thống đơn giản.
Chi phí đầu tư thấp.

Lượng nước ngưng
tụ ít.

Nhược điểm

Ứng dụng

Nhóm thực hiện: 09

Các nồi sau do nồng
độ tăng, nhiệt độ
giảm làm cho độ
nhớt tăng, do đó hệ
số truyền nhiệt K
giảm vì vậy cường
độ bốc hơi các nồi
sau giảm, không khai
thác được hết công
suất thiết kế của thiết
bị.
Được sử dụng phổ
biến trong công
nghiệp đường, bột
ngọt, nước ép trái
cây…

Hệ thống phức tạp.
Vốn đầu tư lớn.
Tốn năng lượng nhiệt
và bơm.

Nồng độ dung dịch
sau cô đặc không
cao.
Hệ thống phức tạp.

Sản phẩm có nhiệt độ
cao nên giảm chất
lượng.

Tốn diện tích xấy
dựng các bể chứa
nguyên liệu.

Năng suất hệ thống
nhỏ hơn hệ thống cô
đặc nhiều nồi xuôi
chiều.

Chi phí đầu tư cho
bơm lớn.

Dùng cô đặc dung
dịch có độ nhớt thay
đổi nhiều theo nhiệt
độ và sản phẩm chịu
được nhiệt độ cao.

Dùng để cô đặc sản
phẩm có yêu cầu
nồng độ cô đặc
không cao lắm hoặc
khi dung dịch cô đặc
kết tinh như sản
phảm muối NaCl.

trang 7

Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Các hệ thống trên thường sử dụng kết hợp với hệ thống cô đặc chân không để tạo áp
suất chân không hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch để giữ chất lượng của sản phẩm và
thành phần cấu tử quý trong dung dịch (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, giá trị dinh
dưỡng..) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc Oxy.
1.4.7. Các thiết bị và chi tiết:
a. Thiết bị chính:
 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, ống truyền nhiệt.
 Buồng đốt, buồng bốc, nắp…
 Ống: khí không ngưng, hơi đốt, tháo nước ngưng…
b. Thiết bị phụ:
 Bể chứa dung dịch đầu vào và sản phẩm sau cô đặc.
 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm chân không, bơm nước.
 Thiết bị gia nhiệt ống chùm.
 Thiết bị ngưng tụ baromet.
 Các loại van.
 Thiết bị đo, bảng điều khiển.

Nhóm thực hiện: 09

trang 8


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

1.5. Quy trình công nghệ:
1.5.1. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm:

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 và 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 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.

Nhóm thực hiện: 09

trang 9


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa
1.5.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet:

Hơi thứ sau khi ra khỏi nồi 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 barrômet chảy ra ngoài.
Thiết bị ngưng tụ Baromet theo kiểu trực tiếp. Nó thông dụng trong ngành hóa chất và thực

Nhóm thực hiện: 09

trang 10

Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

phẩm thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không
( dung dịch đường, muối, glyxerin….)
1.5.3. Quy trình công nghệ:

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch
chảy qua lưu lượng kế để đo thể tích cần qua thiết bị gia nhiệt rồi vào nồi cô đặc I, sau khi
đo xong tiến hành khóa van vào lưu lượng kế mở van khác dẫn dung dịch đi vào thiết bị gia
nhiệt dòng nhập liệu và dòng dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô
đặc I để thực hiện quá trình bốc hơi. Tại nồi I nước trong dung dịch đường dưới tác dụng
nhiệt độ từ từ bốc hơi ở buồng bốc, nồng độ dung dịch đường trong hỗn hợp lỏng dần tăng
lên khi đạt tới nồng độ yêu cầu, thì dung dịch từ nồi I sẽ chảy qua nồi II do sự chênh lệc áp
suất ở cả 2 nồi tạo ra ( áp suất có xu hướng đi từ cao đến thấp). Hơi thứ bốc lên ở nồi I là
hơi nước bão hòa trong dung dịch đường sẽ theo ống dẫn đi vào buồng đốt của nồi cô đặc
thứ hai và trở thành hơi đốt cho nồi thứ II cung cấp nhiệt lượng cho nồi II. Dòng dung dịch
đi từ dưới đáy nồi I vào nồi II, tại nồi II ta tiến hành hút chân không tạo áp suất thấp hơn
môi trường để tiến hành quá trình cô đặc, dung dịch tiếp tục được cung cấp nhiệt lượng cần
thiết cho quá trình bay hơi tiếp diễn cho đến khi nồng độ dung dịch đường đáp ứng yêu
cầu. Sau khi sản phẩm đạt nồng độ ta dùng bơm bơm dung dịch ra ngoài bể chứa sản
phẩm . Hơi thứ và khí không ngưng ở nồi II sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ Baromet, một
phần ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách bọt
để tách các hạt lỏng ra khỏi khí và đi ra ngoài môi trường.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc trong hệ thống: Phần dưới của thiết bị là buồng đốt
gồm nhiều ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, hơi
đốt sẽ đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn
trung tâm là: do ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống

truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch
trong đó sôi ít hơn ( có nhiệt độ thấp hơn) so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi đó
dung dịch sẽ có khối lượng riêng lớn hơn và tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần
hoàn sang ống truyền nhiệt, kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn của dung dịch
trong thiết bị. Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động hiệu quả dung dịch chỉ nên cho vào
khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách
hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra
khỏi hơi thứ.

Nhóm thực hiện: 09

trang 11


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 at. Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn
nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa
xả khí không ngưng.

Nhóm thực hiện: 09

trang 12


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1. Dữ Kiện Ban Đầu:
 Dung dịch mía đường.
 Nồng độ đầu: xđ= 7%, nhiệt độ của dòng nhập liệu là 300C.
 Nồng độ cuối: xc= 35%.
 Năng suất nhập liệu: Gđ= 1500kg/h.
 Hơi đốt là hơi nước bão hòa có P= 3at.
2.2. Cân Bằng Vật Chất:
2.2.1. Suất lượng sản phẩm:

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: Gđ.xđ = Gc.xc
⇒ Gc= = =300 (kg/h )
2.2.2. Tổng lượng hơi thứ:
Áp dụng công thức: WΣ = Gđ.(1− )
W: Lượng hơi thứ toàn hệ thống (kg/h).
Gđ: Năng suất nhập liệu ban đầu (kg/h).
Xđ, Xc: Nồng độ dung dịch đường đầu và cuối (%).
⇒ WΣ = Gđ.(1− )= 1500.(1)= 1200 (kg/h)
2.2.3. Giả thiết phân phối hơi thứ trong nồi:




Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau thường người ta dùng
cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi ở từng nồi thích hợp.

Ở đây ta chọn

Lượng hơi thứ bốc ra từ các nồi:
WΣ = W1+ W2= 1200 (kg/h) (2)

Từ (1) và (2), ta có:
⇒
2.2.4. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi:

Nồng độ cuối ra khỏi nồi thứ nhất:
Xc1= Gđ= 1500 = 12.05%
Nồng độ cuối ra khỏi nồi thứ II:

Nhóm thực hiện: 09

trang 13


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Xc2= Gđ= 1500 = 35%
2.3. Cân Bằng Năng Lượng:
2.3.1. Chế độ áp suất và nhiệt độ:

Áp suất của hơi đốt vào nồi I: P1= 3at.
Áp suất ngưng tụ: P= 0.4at.
Hiệu số áp suất của cả hệ thống:
P1 – Png= 3− 0.4= 2.6 at (1)
Tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi:
Từ (1) và (2) ta có:
⇒

Nhóm thực hiện: 09

trang 14


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

Áp suất hơi thứ trong các nồi:
Nồi I:
Pht1=P1−ΔP1=3−1.6=1.4at
Nồi II:
Pht2=Pht1−ΔP2=1.4−1=0.4at
Áp suất hơi đốt ở nồi thứ II:
ΔP2=P2−Png
⇒P2=ΔP2+Png=1+0.4=1.4at
Dựa vào số liệu trên tra sổ tay Quá trình thiết bị trong công nghệ hóa học tập I/315:
Nồi thứ I

Hơi đốt
Hơi thứ

Nồi thứ II

Áp suất
(at)

Nhiệt
(0C)

P1=3

T1=132.9

Pht1=1.4

độ

t1=108.7

Tháp ngưng tụ

Áp
suất(at)

Nhiệt
độ(0C)

P2=1.4

T2=108.7

Pht2=0.4

Áp
suất
(at)

Nhiệt
độ (0C)

Png=0.4

tng=75.4

t2=75.4

2.3.2. Các tổn thất nhiệt độ:
a. Tổn thất do nồng độ tăng cao ():

Áp dụng công thức của Tisenco:
=0.f
: Tổn thất nhiệt ở áp suất thường
f: Hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường( áp
0

suấtkhí quyển)
f=16.2 =16.2
tht1: nhiệt độ hơi thứ ở nồi i
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ thti
f1= 16.2* = 1.06
r1= 2237.103 (J/kg)

Nhóm thực hiện: 09

trang 15


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

f2= 16.2*= 0.83

r2= 2320.103 (J/kg)
Nồi I: xc= 12.05%
Nồi II: xc= 35% = 0.50C
(Dựa vào hình VI.2[2]/60)
⇒*f1=0.151.06 = 0.1590C
*f2= 0.5 0.85 = 0.4250C
Tổng tổn thất nhiệt do nồng độ
Σ=+ = 0.159 + 0.425 = 0.584 0C
b. Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ():

Chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ΔP
ΔP = tbg Hop (N/m2)
(Theo sách quá trình và thiết bị truyền nhiệt, ĐHCN.TP.HCM)
tb

: Khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sôi bọt (kg/m3)

dd

: Khối lượng riêng của dung dịch đặc lúc không có bọt

Hop : Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)
Hop = [0.26+ 0.0014(dd – dm)]*H0
Ptbi = Phti + ΔPi (i là nồi thứ i)
(

dd

Nồi I

Xc (%)

Nhiệt độ (0C)

dd

12.05

108.7

1048.52

951.962

1153.31

971.56

Nồi II
35
75.4
bảng 1.86[1]/58; dm tra bảng 1.249[1]/311)
Coi

dd

(kg/m3)

dm

(kg/m3)

tra

trong mỗi nồi không thay đổi đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét. Chọn chiều

cao ống truyền nhiệt H0= 1.5m
Nồi I: Hop = [0.26 + 0.0014(1048.52 – 951.962)]*1.5 = 0.593 (m)
Áp suất trung bình: ΔP1=

*Ptb1*g*Hop1=

0.015249(at)

Nhóm thực hiện: 09

trang 16

*0.5* 1048.52*9.81*0.593=1524.9 N/m2=


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

⇒Ptb1= Pht1+ ΔP1= 1.4+ 0.015249= 1.415249 (at) 1.42 (at)
Dựa vào bảng 1.251[1]/315
Ptb1=1.42at ⇒ t0tb1=109.10C
⇒= ttb1- tht1= 109.1- 108.7= 0.40C
Nồi II: Hop2= [0.26+ 0.0014(1153.31-974.56)]*1.5= 0.765375(m)0.77 (m)
ΔP2= *Ptb2*g*Hop2 = *0.5*1153.31*9.81*0.77= 2177.94 (N/m2) = 0.0217794 (at)

Ptb2= Pht2 + ΔP2=0.4+0.0217794= 0.4217794 0.422(at)
Dựa vào bảng 1.251[1]/315
Ptb2=0.422at ⇒ t0tb1=76.610C
⇒= ttb2- tht2= 76.61- 75.4= 1.210C
Vậy tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh:
Σ=+ = 0.4+ 1.21= 1.610C
c. Tổn thất do trở lực thủy lực (:

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi
cuối đến thiết bị ngưng tụ là 10C.
Theo đó, ta có: 11.50 mỗi nồi.
Chọn ==10C ⇒ Σ=+=1+1=20C
Tổng tổn thất nhiệt là Σ= Σ= 0.584+1.61+2= 4.1940C
d. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi từng nồi:

Hiệu số hữu ích của mỗi nồi:
Nồi I: = T1 (T2+ Σ) = 132.9(108.7+0.159+0.4+1) = 22.6410C
Nồi II: = T2 (tng+ Σ) = 108.7(75.4+0.425+1.21+1) = 30.6650C
Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:
Nồi I: = T1ts1⇒ ts1= T1= 132.9 110.2590C
Nồi II: = T2ts2⇒ ts2= T2= 108.7 78.0350C
2.3.3. Cân bằng nhiệt lượng:

Nhóm thực hiện: 09

trang 17


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

a. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

Dựa vào công thức 1.50[I]/153:
C=4190 − (2514−7.542.t)*x (J/kgđộ)
-

t: nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch 0C
x: nồng độ của dung dịch (%)

Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ( tđ=110.5290C, x=7%):
Cđ=4190−(2514−7.542*110.529)*0.07=4072.373 (J/kgđộ).
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi I ( ts=110.5290C, x=12.05%):
C1= 4190−(2514−7.542*110.529)*0.1205=3987.513(J/kgđộ).
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi thứ II ( ts=78.0350C, x=35%):
C2= 4190−(2514−7.542*78.035)*0.35=3516.089 (J/kgđộ).
b. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Nồi I: D*i+Gđ*Cđ*tđ=W1*i1+(Gđ−W1)*C1*t1+D*Cng1*+Qxq1 (1).
Nồi II: W1*i1+( Gđ−W1)*C1*t1= W2*i2+(Gđ−W)*C2*t2+W1*Cng2*+Qxq2 (2).
-

D: lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h).
i,i1,i2: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II (J/kg).
tđ,t1,t2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II của dung dịch (J/kgđộ).
, : nhiệt độ ngưng tụ của nồi I và nồi II (0C).
Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ở nồi I và nồi II (J/kgđộ).
Qxq1, Qxq2: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J).
Gđ: lượng dung dịch lúc ban đầu (kg/h).

Chọn nước ngưng tụ ở trạng thái lỏng sôi ở cùng nhiệt độ.

Ta có:
i−Cng1*= r()
i1−Cng2*= r()
Đầu vào

Đầu ra nồi I

Đầu ra nồi II

tđ=110.5290C

t1=110.5290C

t2= 78.0350C

Cđ=4072.373 (J/kgđộ)

C1=3987.513 (J/kgđộ)

C2=3516.089 (J/kgđộ)

Gđ=1500 (kg/h)
=132.90C

Nhóm thực hiện: 09

Gc=300 (kg/h)
W1=628,6 (kg/h)

W2=571.4 (kg/h)

=108.70C

=75.40C

trang 18


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

ip=2730.(J/kg)

t1=2693.(J/kg)

Cng1= 4272.09 (J/kgđộ)

Cng2= 4231.31 (J/kgđộ)

t2=2632.(J/kg)

(i tra bảng I.250[I]/312; C tra bảng I.249[I]/310)
Cho Qxq1=0.05*D(iCng1* Q1)
Qxq2=0.05*W(i1Cng2* Q2)
Từ (2) ⇒ W1*i1+ (Gđ − W1)*C1*t1= (W− W1)*i2+ (Gđ− W)*C2*t2+ W1*Cng2*+ 0.05*W(i1−
Cng2*
⇔ W1*i1+ Gđ *C1*t1− W1*C1*t1= W*i2− W1*i2+Gđ*C2*t2−W*C2*t2+ W1*Cng2*+ 0.05*W*i1−
0.05*W*Cng2
W1*i1− W1*C1*t1+ W1*i2 − W1*Cng2*W(i2− C2*t2+0.05*i1−0.05*Cng2*2) + Gđ(C2*t2− C1*t1)
⇔W1(i1− C1*t1+ i2 − Cng2*) = W(i2− C2*t2+0.05*i1−0.05*Cng2*2) + Gđ(C2*t2− C1*t1).

Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi I:
W1=
W1= 613.34 (kg/h).
⇒ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi II:
W= W1+ W2= 1200 ⇒ W2= 1200= 586.66 (kg/h).
c. Kiểm tra giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
Nồi I: C%= 100% = 2.49% < 5% (1).
Nồi II: C%= *100% = 2.6% <5% (2)..
Ta có (1) và (2) đáp ứng yêu cầu:
⇒ Lượng hơi thứ ở nồi I: W1= 613.34 (kg/h).
Lượng hơi thứ ở nồi II: W2= 586.66 (kg/h).
d. Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống:
(1)
D*iDD*Cng1*.

⇒D(iDCng1*
⇒D=
.
e. Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

Nhóm thực hiện: 09

trang 19


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

d= 0.555 (kg hơi đốt/ kg hơi thứ) ( theo công thức VI.7[2]/58).
-

D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/mẻ).
W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ)..

Nhóm thực hiện: 09

trang 20


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
3.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:
3.1.1. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

Nồi I:

Nồi II:

3.1.2. Tính hệ số truyền nhiệt k của mỗi nồi:

(W/m2.K)

k

hoặc k
Nhiệt tải trung bình:
Nồi I:

q1: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị:
Hệ số cấp nhiệt hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được tính theo
công thức của Nusselt:
(W/m2.độ) (công thức V 101./28).
= 2162239,24(J/kg): ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.
= 1,5m: chiều cao bề mặt truyền nhiệt.

A chỉ số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước:
(/29)
(oC)

0

Nhóm thực hiện: 09

20

40

60

80

trang 21

100

120

140

160

180

200


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

A

104

120

139

155

169

179

188

194

197

199

199

Với:
Chọn =1.83 oC: hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt truyền cho thành thiết bị:

Nhiệt trung bình của thành thiết bị:

o

C

A = 191,732

→ = 11652,39(W/m2 độ).
→
: hệ số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch sôi.

: là tổng nhiệt trở.

: nhiệt trở cặn bẩn hơi nước phía vách ngoài tường.

: nhiệt trở cặn bẩn dung dịch đường phía vách tường.

( tra ở bảng V.I /4)
δ: bề dày ống truyền nhiệt lấy δ = 1 (mm).
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không gỉ X18H10T có hệ số truyền nhiệt λ =
16,3 (W/m độ).

⇒
o

o

C

C

Nhóm thực hiện: 09

trang 22


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

(Công thức VI.27 [2]/71)
: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
P: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2)
P = 1,4at = 1,4 . 9,81 . 104 (N/m2)


(W/m2.độ)
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
Cdd = C1 = 3987,513 (J/kg.độ)
Cn: nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.
Cn = 4231,31 (J/kg.độ)
µdd: độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.

µdd = 0,374 .10-3 (Ns/m2)
µn: độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch:
µn = 0,258 . 10-3 (Ns/m2).
ρdd: khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.

ρdd = 1048,52 (kg/m3)
ρn: khối lượng riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch.

ρn = 950,8 (kg/m3)
(W/m.độ) (công thức I.32 [I]/123)
: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng.
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng.
Cp = 3987,513 (J/kg.độ)
ρ: khối lượng riêng của dung dịch là 1048,52 (kg/m3).

M: khối lượng mol trung bình của dung dịch.
M = x . Mđường + (1-x).Mnước = 0,1205 . 342 + (1- 0,1205).18 = 57,042 (g/mol)
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.

Nhóm thực hiện: 09

trang 23


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

A = 3,58 . 10-8→ (W/m.độ)
λnước: hệ số dẫn nhiệt của nước là 0,684 (W/m độ).


= 3207,01 (W/m2 độ).
Nồi II:

; r = r (θ2) = 2233056,603 (J/kg)

Chọn = 2,78 oC
o

C

o

C

o

C

 A = 182,6


= 10076,78(w/m2 độ).
(W/m2.độ)
⇒= 107,335 – 27634,73.0,68.10-3 = 88,54 oC
= 88,265 – 78,035 = 10,23 oC
Ta có:
P = 0,4 at = 0,4 . 9,81 . 104 (N/m2)
= 6879,48 (W/m2.độ)
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc nồng độ dung dịch.
Cdd = C2 = 3516,089 (J/kg.độ)

Cn = 4193,43 (J/kg.độ)
µdd = 1,133 .10-3 (Ns/m2)
µn = 0,364.10-3 (Ns/m2)
ρdd = 1153,31 (kg/m3)
ρn = 972,98 (kg/m3)
= 0,299 (W/m.độ)

Nhóm thực hiện: 09

trang 24


Tiểu luận: Cô Đặc dung dịch đường 2 nồi xuôi chiều
GVHD: Bùi Tấn Nghĩa

M = x. Mđường + (1-x).MH2O = 0,35.342 + (1-0,35).18 = 131,4 (g/mol)
λn = 0,673 (W/m.độ)

= 2639,13 (W/m2 độ).
Kiểm tra sai số giữa q1 và q2:
Nồi I: có = 3121,78 (W/m2.độ)
 = 3207,01.6,9 = 22128,37 (W/m2).
Ta có: = 3,6% <5% ⇒đáp ứng yêu cầu.
⇒ nhiệt tải trung bình của nồi I:
21726,12 (W/m2).
= 959,59 (W/m2.độ) .
Nồi II: có = 2639,135 (W/m2.độ).
 = 2700,87.10,23 = 27629,9 (W/m2).

Ta có: = 1,4% <5% ⇒ đáp ứng yêu cầu.

⇒ nhiệt tải trung bình của nồi II:
27821,675,78 (W/m2).
= 907,27 (W/m2.độ) .
3.1.3. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
a. Hệ số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:
Ta có: = 22,641 oC
o

= 30,665 C

⇒oC

= 836,026.
Nồi I: = 26,56 oC.
Nồi II: = 26,74 oC.
b. Kiểm tra hệ số nhiệt độ hữu ích

Nồi I: = 17% > 10%
Nồi II: = 13% > 10%
c. Diện tích bề mặt truyền nhiệt.

Nồi I: = 15,7 (m2).

Nồi II: = 15,7 (m2).

Nhóm thực hiện: 09

trang 25