Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC MÍA BẰNG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI LIÊN TỤC NGƯỢC CHIỀU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề tài

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH
NƯỚC MÍA BẰNG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI
NỒI LIÊN TỤC NGƯỢC CHIỀU
GVHD:

NGUYỄN TIẾN ĐẠT

SVTH:

PHẠM VĂN LỢI
HUỲNH NGỌC LÂM
TRẦN PHƯỚC LỘC

LỚP :

CDHD12A

MÃ HP:

111703801

HỌC KỲ: 2 NĂM HỌC: 2012–2013

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 04 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

Đề tài

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH
NƯỚC MÍA BẰNG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI
NỒI LIÊN TỤC NGƯỢC CHIỀU
GVHD:

NGUYỄN TIẾN ĐẠT

SVTH:

PHẠM VĂN LỢI
HUỲNH NGỌC LÂM
TRẦN PHƯỚC LỘC

LỚP:

CDHD12A

MÃ HP:

111703801

HỌC KỲ: 2 NĂM HỌC: 2012– 2013

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 04 năm 2013


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Công
Nghiệp Tp. HCM , tập thể các thầy cô giảng dạy ở Khoa Công Nghệ Hóa Học đã tận
tình truyền đạt cho em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong quá trình học
tập tại trường cũng như tạo cho em một trường học tập năng động và hiện đại . Đặc
biệt hơn nữa em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Đạt, người đã trực tiếp hướng dẫn,
giúp đỡ, góp ý trong quá trình em hoàn thành cuốn đồ án học phần này.
Em cũng xin cảm ơn đến Thư viện của trường đã tạo điều kiện cho em được
tiếp xúc và cung cấp những tài liệu, cần thiết, hữu ích cho em hoàn thành tốt đề tài
đồ án học phần.
Trong thời gian làm báo cáo đồ án, mặc dù đã cố gắng trong việc hoàn thiện bài
báo cáo nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để bài báo cáo của
em được hoàn chỉnh hơn. Em xin cám rất nhiều ơn.
Tp. HCM, ngày 17 tháng 04 năm 2013
Họ tên sinh viên

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.. .....................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Phần đánh giá:
 Ý thức thực hiện: ................................................................................................
 Nội dung thực hiện: ............................................................................................
 Hình thức trình bày: ...........................................................................................
 Tổng hợp kết quả: ..............................................................................................
Điểm bằng số: ....................................Điểm bằng chữ: .......................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2013
Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Tiến Đạt

ii


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Phần đánh giá:
 Ý thức thực hiện: ................................................................................................
 Nội dung thực hiện: ............................................................................................
 Hình thức trình bày: ...........................................................................................
 Tổng hợp kết quả: ..............................................................................................
Điểm bằng số: ....................................Điểm bằng chữ: .......................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2013
Giáo viên phản biện

iii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ NGUYÊN LIỆU..1
1.1.

Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường .....................................................1

1.2.

Sơ lược về quá trình cô đặc ...........................................................................2

1.2.1. Bộ phận đun sôi .........................................................................................4
1.2.2. Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) ..............................................................4
CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ...............................7
2.1.

Dữ kiện ban đầu .............................................................................................7

2.2.

Cân bằng vật chất ..........................................................................................7

2.2.1. Suất lượng nhập liệu ...............................................................................7
2.2.2. Tổng lượng hơi thứ .................................................................................7
2.2.3. Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi .............................................7
2.2.4. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi.....................................................8
2.3.

Cân bằng nhiệt lượng.....................................................................................8

2.3.1. Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi ...............................................8
2.3.2. Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi .............................................................9
2.3.3. Xác định tổn thất nhiệt độ .......................................................................9
2.4.

Cân bằng nhiệt lượng...................................................................................13

2.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi.....................................13
2.4.2. Nhiệt lượng riêng ..................................................................................13
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT .....................................................17
3.1.

Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc ...................................................17

3.1.1. Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp ...................................................17

iv


3.2.2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi .................................................17
3.2.3. Diện tích bề mặt truyền nhiệt ................................................................25
CHƯƠNG 4. TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ..............................................................27
4.1.

Tính buồng bốc ............................................................................................27

4.1.1. Đường kính buồng bốc .........................................................................27
4.1.2. Chiều cao buồng bốc.............................................................................28
4.2.

Tính buồng đốt.............................................................................................28

4.2.1. Xác định số ống truyền nhiệt ................................................................28
4.1.3. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm ...................................................29
4.1.4. Đường kính buồng đốt ..........................................................................29
4.1.5. Kiểm tra diện tích bề mặt truyền nhiệt .................................................30

4.2.

Tính kích thước các ống ..............................................................................30

4.2.1. Ống nhập liệu nồi I ...............................................................................31
4.2.2. Ống tháo liệu nồi I (nhập liệu nồi II) ....................................................31
4.2.3. Ống tháo liệu nồi II ...............................................................................31
4.2.4. Ống dẫn hơi đốt nồi I ............................................................................31
4.2.5. Ống dẫn hơi thứ nồi I ............................................................................32
4.2.6. Ống dẫn hơi thứ nồi II ..........................................................................32
4.2.7. Ống dẫn nước ngưng nồi I ....................................................................32
4.2.8. Ống dẫn ngưng nồi II ............................................................................32
CHƯƠNG 5. TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ .......................34
5.1.

Tính cho buồng đốt ......................................................................................34

5.1.1. Tính bề dày thân ...................................................................................35
5.1.2. Kiểm tra bề dày dày buồng đốt .............................................................35
v


5.2.

Tính cho buồng bốc .....................................................................................36

5.2.1. Tính bề dày thân ...................................................................................36
5.2.2. Kiểm tra bề dày thân .............................................................................37
5.3.

Tính nắp .......................................................................................................38

5.4.

Tính đáy .......................................................................................................40

5.5.

Tính bích .....................................................................................................42

5.6.

Bộ phận nối buồng đốt với buồng bốc ........................................................43

5.7.

Tính vỉ ống...................................................................................................43

5.8.

Tính tai treo .................................................................................................44

5.8.1. Tính khối lượng MTB ............................................................................45
5.8.2. Tính Mdd ................................................................................................47
CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ........................................................50
6.1.

Thiết bị ngưng tụ Baromet...........................................................................50

6.1.1. Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ ..................................50

6.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút khỏi thiết bị ...........50
6.1.3. Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet ........................52
6.1.3.2.

Kích thước tấm ngăn .........................................................................52

6.1.3.4.

Kích thước ống Baromet ...................................................................55

6.2.

Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu ...................................................................57

6.3.

Tính bồn cao vị ............................................................................................62

6.4.

Tính Bơm .....................................................................................................63

6.4.1. Tính bơm chân không ...........................................................................63
6.4.2. Tính bơm nước vào thiết bị ngưng tụ ...................................................64
6.4.3. Tính bơm nhập liệu ...............................................................................66

vi


6.4.4. Tính bơm dung dịch nồi 2 sang nồi 1 ...................................................68

6.5.

Bề dày lớp cách nhiệt ..................................................................................69

CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN .......................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH
Bảng 2.1. Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi ..........................9
Bảng 2.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra ..........................................................10
Bảng 2.3. Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất ...........................................................10
Bảng 2.4. Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch .....................................11
Bảng 2.5. Thông số tính toán ..................................................................................15
Bảng 3.1. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng ................................................18
Bảng 3.2. Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng ................................................22
Bảng 4.1. Đường kính ống dẫn ...............................................................................32
Bảng 5.1. Chọn bích nối nắp và buồng bốc ...........................................................42
Bảng 5.2. Chọn bích nối buồng đốt với đáy ..........................................................43
Bảng 5.3. Chọn thông số cho tai treo thiết bị thằng đứng ...................................48
Bảng 5.4. Tổng kết thiết bị chính ...........................................................................48

viii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ
NGUYÊN LIỆU
1.1.

Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường
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
1

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.
Nhiệm vụ:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống cô đặc 2 nồi ngược
chiều liên tục.
Năng suất sản phẩm: 1000kg/h
Nồng độ ban đầu: 10%
Nồng độ cuối: 50%
Áp suất hơi đốt: 3at
Áp suất ngưng tụ: Pck = 0.5at
1.2.

Sơ lược về quá trình cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan

không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:
Làm tăng nồng độ chất tan.
Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong
hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy
vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân
hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và
cho các quá trình đun nóng khác.

2

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ
đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách
khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do
đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá
trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong
hỗn hợp.
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở
nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng
một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc
gián đọan hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau
tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có
thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong
chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung
dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có
thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa
kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm
tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi
này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba...hơi thứ nồi cuối
cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia,
qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều kiện cần thiết để truyền
nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay
nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp
suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi
sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp

hơn áp suất khí quyển.
3


Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này có ưu
điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa
các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi
(trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm
lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc
hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần
phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều
dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước
ngưng tụ.
Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp
dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng
nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.
Cấu tạo thiết bị cô đặc:
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng
hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:
1.2.1. Bộ phận đun sôi
Dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch.
1.2.2. Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi)
Là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung
dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta
có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống
dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:
Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loại
nghiêng.
Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm.

4


Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi
nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt.
Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức,...
Lựa chọn thiết bị:
Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục, có
ống tuần hoàn ngoài buồng đốt ngoài đối lưu tự nhiên.
Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch. Đồng thời, có
thể tận dụng triệt để nguồn hơi.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ
sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất
tan.
Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn
bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ:
Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sử dụng hơi
thứ thay cho hơi đốt. Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm bơm lên
thùng cao vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết
bị gia nhiệt .Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2.
Dung dịch sau đó được đưa vào buồng đốt ngoài của nồi. Tại nồi dung dịch đường
bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ ,được ngưng
tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua
thiết bị thu hồi bọt. Còn sản phẩm được bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc,
khi đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm. Ở nồi 1 hơi đốt
được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1.

5

T=80.5
P=0.5

T=132.9
P=3

T=106.45
P=1.36

X=17.21%

X=10%
T=25

X=50%

Ký hi?u:

6


CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1.

Dữ kiện ban đầu

Dung dịch nước mía. Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu chọn là 25oC
 Nồng độ đầu xđ = 10 %

 Nồng độ cuối xc = 50%.
 Năng suất Gc = 1000 (kg/h)
 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà với áp suất là: Phđ = 3 at.
 Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet: P = 0,5 at.
2.2.

Cân bằng vật chất

2.2.1. Suất lượng nhập liệu
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: Gd . xd = Gc . xc(CT.Tr 158-[5])
 Suy ra: Gd=

Gc .xc 1000.50
=
= 5000 (kg/h)
10
xd

2.2.2. Tổng lượng hơi thứ
-

Áp dụng công thức: (CT 5.17 Tr 158 [5]).
W  Gd (1 

Trong đó: W
Gd

xd
) hay W = Gđ – Gc (kg/h).
xc

: Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h).
: Lượng dung dịch ban đầu (kg/h).

xd, xc : Nồng độ đầu, cuối của dung dịch % khối lượng.
Thay số vào ta có: W = Gđ – Gc = 5000 – 1000 = 4000 (kg/h).
2.2.3. Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi
Gọi W1, W2, là lượng hơi thứ của nồi 1, 2 kg/h.

7


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

W1
= 1,1
W2

Khi đó ta có hệ phương trình:
W1
= 1,1
W2

W1  W2 = 4000

Giải hệ trên có kết quả:

W1 = 2095,238 kg/h.

W2 = 1904,761 kg/h.

2.2.4. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1: (CT 5.26 Tr 162 [5]).
xc1=

Gd .xd
5000 10

 50%
Gd  (W1  W2 ) 5000  (2095, 24  1904, 76)

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2: (CT 5.25 Tr 162 [5]).
xc2=
2.3.

Gd .xd
5000 10

 17, 21%
Gd  W1 5000  2095, 24

Cân bằng nhiệt lượng

2.3.1. Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi
Gọi:

P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.
P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.

Pt: hiệu số áp suất của cả hệ thống.

Ta có: Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P1 = 3 at.
Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt = 0,5 at.
8


Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:
∆Pt = P1  Pnt = 3  0,5 = 2,5at.
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:

P1
= 1,85.
P2

Kết hợp với phương trình: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 2,5at.
Suy ra: ∆P1 = 1,388(at).
∆P2 =1,62 (at).
P2 = P1 − ∆P1= 3  1,62 = 1,36 (at).
2.3.2. Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi
Gọi: thd1, thd2, tnt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 1oC.
Tra bảng : I. 250, STQTTB, Trang 312 [1].
I. 251, STQTTB, Trang 314 [1].
Bảng 2.1. Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi
Nồi 1
Loại

Hơi đốt

Hơi thứ

Nồi 2

Tháp ngưng tụ

Áp suất

Nhiệt độ

Áp suất

Nhiệt độ

Áp suất

Nhiệt độ

(at)

(oC)

(at)

(oC)

(at)

(oC)

3

132,9

1,36

106,45
0,5

80,9

1,75

115,2

0,5

80,9

2.3.3. Xác định tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do đường ống, tổn
thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
9


2.3.3.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (’)
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt
do nồng độ gây ra.

Ta có: ∆'= tosdd  tosdmnc (ở cùng áp suất)
Áp dụng công thức Tisenco: (CT VI.10 Tr 59 [2]).
'= 'o.f, oC
2
Với f = 16,2  T s (CT VI.11 Tr 59 [2]).
r

Trong đó: 'o: tổn thất nhiệt độ do tsdd > tsdm ở áp suất thường.
f: hệ số hiệu chỉnh.
Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK).
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
Bảng 2.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra
Tra đồ thị VI.2, STQTTB, Trang 60 [2].
Nồi 1

Nồi 2

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)

50

17,213

'o (oC)

2

0,25

Bảng 2.3. Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất

Tra bảng I.251, STQTTB Trang 314 [1].

Áp suất hơi thứ (at)

10

Nồi 1

Nồi 2

1,75

0,5


Nhiệt hóa hơi r (J/kg)
Nồi 1: ∆'1= ∆'0  16,2 

Nồi 2: ∆'2= ∆'0  16,2 

2219,5.103

2307.103

(Ts  273) 2
(113,92  273) 2


= 2 16,2
= 2,1 oC.

r1
2222 103
(73,72  273)2
(81,9  273)2
= 0,25  16,2 
= 0,21 oC.
3
r2
2370 10

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
∆' = ∆'1 + ∆'2 = 2,1 + 0,21 = 2,31oC.
2.3.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:
P =

1
S.g.Hop (N/m2) (CT 4.19 ST VDBT T10-Tr 185).
2

Trong đó: s: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3) , s = 0,5 dd
dd: Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3).
Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).
 Hop = [0,26 + 0,0014(dd  dm)].Ho (CT 4.20 ST VDBT T10-Tr 185).
Từ P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua
công thức: Ptbi= P’i + Pi

( i ): nồi thứ i

Bảng 2.4. Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch

Tra bảng I.5 – I.86 STQTTB T1 – [Tr 11 – 58]
xC, %

t, oC

dd , kg/m3

dm, kg/m3

Nồi I

50

115,4

1231,74

947,32

Nồi II

17,21

80,9

1072,73

970,19

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét.

11


Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 1,5 m.
Nồi 1: Hop1 = [0,26 + 0,0014(dd  dm)].Ho
= [0,26 + 0,0014(1231,74  947,32)].1,5 = 0,98 (m).
Áp suất trung bình:
Ptb1 = P’1 + P1 = 1,75 + 0,5*0,5*1231,74*10-4 *0,98 = 1,78 at.
Tra sổ tay tại: Ptb1 = 1,78 (at) ta có t”1 = 115,4 oC.
 ”1 = t”1  t’1 = 115,4  115,2 = 0,2 oC.
Nồi 2: Hop2 = [0,26 + 0,0014(dd  dm)].Ho
= [0,26 + 0,0014.(1072,73  970)].1,5 = 0,60 (m).
Áp suất trung bình:
Ptb2 = P’2 + P2= 0,52 + 0,5*0,5*1072,73*10-4 *0,60 = 0,54 at.
Tra sổ tay tại: Ptb2 = 0,54 (at) ta có t”2 = 82,62 oC.
 ”2 = t”2  t’2 = 82,62 – 80,9 = 1,72 oC.
Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là: ” = ”1 + ”2 = 0,2 + 1,72 = 1,92 oC.
2.3.3.3. Tổn thất do trở lực thuỷ 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 1oC.
Do đó: ”’1 = 1oC.
”’2 = 1oC.
 ”’ = ”’1 + ”’2 = 2 oC.
Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống

∑∆ = ∆' + ∆" + ∆"' = 2,31 + 1,92 + 2 = 6,23 oC.
2.3.3.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống

12

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆ti1 = thd1  thd2  ∑∆1 = 132,9 106,4  (2,1 + 0,2 + 1) = 23,2 oC
Nồi 2: ∆ti2 = thd2  tnt  ∑∆2 = 106,4  80,9  (0,21 + 1,72 + 1) = 22,62 oC
Nhiệt độ sôi thực tế:
Nồi 1: ∆ti1 = thd1  ts1  ts1 = thd1  ∆ti1 = 132,9  23,2 = 109,7 oC
Nồi 2: ∆ti2 = thd2  ts2  ts2 = thd2  ∆ti2 = 106,45  22,62 = 83,83 oC
2.4.

Cân bằng nhiệt lượng

2.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
C = 4190  ( 2514  7,542.t ).x

(J/Kg.độ) (CT I.50 ST T1 – Tr 153)

Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch
x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng.
Ban đầu: Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td = 109,7 oC, x = 10 %)
 Cd = 4190  ( 2514  7,542.109,7 ).0,10 = 4021,33 (J/Kg.độ)
Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1 = 109,7 oC, x = 50 %)
 C1 = 4190  ( 2514  7,542.109,7 ).0,50 = 3346,67 (J/Kg.độ)
Nồi 2: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (ts2 = 83,83, x = 17,213 %)
 C2 = 4190  ( 2514  7,542.83,83 ).0,17213 = 3866,83 (J/Kg.độ)
2.4.2. Nhiệt lượng riêng
 Gọi: D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
Gđ, Gc lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)
I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2
i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)

13


Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)
tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch oC
θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC
Cng1,Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC
Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2(W)
 Nhiệt lượng vào gồm có:
Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1
Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2ts2
Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1 = D2I2
Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ
 Nhiệt mang ra gồm:
Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W1i1
Do dung dịch mang ra: (Gd  W)C1.ts1
Do hơi nước ngưng tụ: D1Cng1θ1
Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1)
Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W2i2
Do dung dịch mang ra: (Gd-W2)C2ts2
Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2θ2
Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2-Cng2θ2)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1: D1I1+(Gđ-W2)C2ts2 = W1i1+(Gđ-W)C1ts1+D1Cng1θ1+0,05D1(I1-Cng1θ1) (1)
Nồi 2: D2I2+GđCđtđ = W2i2+(Gđ-W2)C2ts2+D2Cng2θ2+0,05D(I2-Cng2θ2) (2)
Với: D2I2 = W1i1; W = W1+W2

14

Ta có: (2)  W1(0,95i1-C2ts2+i2-0,95Cng2θ2) = Wi2+(Gđ-W)C2ts2-GđCđts2
 W1 =

Wi2  (Gd  W )C2ts 2  Gd Cd ts 2
0,95i1  C2ts 2  i2  0,95Cng 22

Bảng 2.5. Thông số tính toán
Tra bảng: I. 249 STQTTB Trang 310 [1]
I. 250 STQTTB Trang 312 [1]
Hơi đốt

Hơi thứ

Dung dịch

t (0C)

I (J/kg) Cn(J/kg.độ) t (0C)

i(J/kg) C(J/kg.độ) ts (0C)

Nồi 1

132,9

2730,2

4284,9

115,2

2704,0

3346,67

109,7

Nồi 2

106,4

2694,8

4228,3

80,9

2647,6

3866,83

83,83

Với: θ1 = thd1; θ2 = thd2
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
W1 

4000  2647, 6 103   5000  4000   3866, 63  83,83  5000  83,83  4021,33
0,95  2704 103  3866,83  83,83  2647, 6 103  0,95  4228,3 106, 45

= 2067,13 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:
W2  W  W1 = 4000 – 2067,13 = 1932,87 (kg/h)

Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
C%(1) =

C%(2) =

2067,13  2095, 24
100%  1,35% < 5%
2067,13
1932,87  1904,76
100%  1,45% < 5%
1932,87

Lượng hơi đốt tiêu dùng:

15

Đáp ứng yêu
caàu