hệ thống cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC DUNG DỊCH
NƯỚC CAM


Đồ án quá trình thiết bị

CẦN THƠ 4/2017

MỤC LỤC
Phụ lục hình ảnh.................................................................................................v
Phụ lục bảng........................................................................................................vi
Lời nói đầu..........................................................................................................vii
Đầu đề đồ án môn học.........................................................................................viii
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC...............1
1.1.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC.......................................................................1
1.1.1. Khái niệm..................................................................................................1
1.1.2. Các phương pháp cô đặc...........................................................................1
1.1.3. Phân loại thiết bị cô đặc............................................................................2
1.2. QUY TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC CAM...............................3
1.2.1. Giới thiệu nguyên liệu...............................................................................3
1.2.2. Quy trình – Thuyết minh quy trình............................................................4
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH..............................................5
2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU............................................................................5
2.1.1. Tính lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống........................................6
2.1.2. Chia nồng độ từ xđ đến xc thành 6 khoảng nồng độ...................................6

2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG...................................................................6
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ.....................................................................6
2.2.2. Xác định nhiệt độ tổn thất.........................................................................7
2.2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (Δ’)............................................8
2.2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ”)............................................8
2.2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống (Δ’’’)...................8
2.2.2.4. Tổn thất nhiệt độ chung cho toàn hệ thống cô đặc (ΣΔ).........................8
2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi...................................................9
2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT.........................10
2..3.2. Tính hệ số truyền nhiệt K.........................................................................10
2


Đồ án quá trình thiết bị

2.3.2.1. Tính tổng nhiệt trở.................................................................................11
2.3.2.3. Tính hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi....................................................11
2.3.2.4. Tính hệ số truyền nhiệt K.......................................................................12
2.3.3. Tính F........................................................................................................14
2.4. TÍNH KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC VÀ BUỒNG ĐỐT........................15
2.4.1. Kích thước buồng bốc...............................................................................15
2.4.2. Kích thước buồng đốt................................................................................15
2.4.2.1. Xác định số ống truyền nhiệt..................................................................15
2.4.2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm....................................................16
2.4.2.3. Đường kính buồng đốt............................................................................16
2.4.3. Bố trí các ống truyền nhiệt trên mặt sàng..................................................17
2.5. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN...................................................17
2.5.1. Ống dẫn hơi đốt.........................................................................................18
2.5.2. Ống dẫn hơi thứ........................................................................................18
2.5.3. Ống nhập liệu ...........................................................................................18

2.5.4. Ống tháo sản phẩm....................................................................................19
2.5.5. Ống tháo nước ngưng................................................................................19
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ CHÂN CAO BARÔMET.................20
3.1. LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ..........................20
3.2. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG..........................21
3.3. CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ
NGƯNG TỤ BAROMET.................................................................................21
3.3.1. Đường kính của thiết bị ngưng tụ..............................................................21
3.3.2. Kích thước tấm ngăn.................................................................................22
3.3.3. Chiều cao của thiết bị ngưng tụ.................................................................22
3.3.4. Kích thước của ống barômet.....................................................................23
3.3.5. Các kích thước khác..................................................................................24
CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ...........................................................................26
4.1. CHIỀU DÀY THÂN THIẾT BỊ................................................................26
4.1.1. Chiều dày thân buồng đốt..........................................................................26
3


Đồ án quá trình thiết bị

4.1.2. Chiều dày thân buồng bốc.........................................................................27
4.2. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ................................................................27
4.2.1. Đáy buồng đốt...........................................................................................27
4.2.2. Nắp buồng bốc..........................................................................................28
4.3. TÍNH VỈ ỐNG............................................................................................28
4.4. MẶT BÍCH.................................................................................................28
4.4.1. Mặt bích để nối thiết bị.............................................................................28
4.4.2. Mặt bích nối các bộ phận của thiết bị với các ống dẫn..............................29
4.5. TAI TREO..................................................................................................29
4.5.1. Tính tổng khối lượng của thiết bị..............................................................29

4.5.1.1. Khối lượng thân buồng đốt.....................................................................29
4.5.1.2. Khối lượng thân buồng bốc....................................................................29
4.5.1.3. Khối lượng các ống truyền nhiệt............................................................30
4.5.1.4. Khối lượng ống tuần hoàn......................................................................30
4.5.1.5. Khối lượng vỉ ống...................................................................................30
4.5.1.6. Khối lượng đáy và nắp...........................................................................30
4.5.1.7. Khối lượng dung dịch khi chứa đầy trong thiết bị..................................30
4.5.1.8. Khối lượng tổng cộng của thiết bị..........................................................30
4.5.2. Trọng lượng cực đại của thiết bị................................................................30
4.5.3. Tải trọng tác dụng lên một tai treo............................................................30
4.6. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM.................................................................31
4.6.1 Bơm dung dịch...........................................................................................31
4.6.2.Bơm cung cấp nước cho thiết bị ngưng tụ gián tiếp...................................31
4.7.CÁC BỘ PHẬN KHÁC..............................................................................35
KẾT LUẬN........................................................................................................39

4


Đồ án quá trình thiết bị

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.2 Sơ đồ quy trình cô đặc nước cam.........................................................3
Hình 2.1: Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc.........................................................6

Hình 2.2 : Kiểu bố trí theo hình 6 cạnh...............................................................17
Hình 3.1. Thiết bị ngưng tụ chân cao baromet....................................................20

5

Đồ án quá trình thiết bị

PHỤ LỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của cam...............................................................2
Bàng 2.1. Các giá trị nồng độ theo từng giai đoạn..............................................5
Bảng 2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao................................................7
Bảng 2.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh..................................................8
Bảng 2.4 Tổn thất nhiệt độ chung cho toàn hệ thống cô đặc..............................8
Bảng 2.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi..............................................8
Bảng 2.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp.........................................................10
Bảng 2.7. Hệ số cấp nhiệt do chất lỏng sôi.........................................................12
Bảng 2.8 Giá trị tT2..............................................................................................13
Bảng 2.9 Hệ số truyền nhiệt................................................................................14
Bảng 2.10. Diện tích truyền nhiệt.......................................................................14
Bảng 3.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ...............................................21
Bảng 3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng..............................................21
Bảng 3.3 Kích thước tấm ngăn............................................................................22
Bảng 3.4 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ...........................................................23
Bảng 3.5 Kích thước của ống baromet................................................................24
Bảng 4.1 Chiều dày thân buồng đốt....................................................................27
Bảng 4.2 Chiều dày thân buồng bốc....................................................................27
Bảng 4.3. Thông số đáy buồng đốt......................................................................27
Bảng 4.4. Số liệu mặt bích để nối thiết bị..........................................................28
Bảng 4.5. Số liệu mặt bích nối các bộ phận của thiết bị với các ống dẫn...........29
Bảng 4.6. Khối lượng các bộ phận của thiết bị....................................................30
Bảng 4.7. Thông số tai treo.................................................................................31
Bảng tóm tắt thông số thiết bị.............................................................................36

6

Đồ án quá trình thiết bị

LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp thực phẩm giữ vai trò quan trọng trong xã hội hiện nay. Dưới
sự tác động của công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, việc chế tạo ra các loại thiết bị
hỗ trợ cho quá trình chế biến thực phẩm giữ vai trò thiết yếu. Hiện nay có rất nhiều
loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp sản xuất hoá chất và thực phẩm với
những mục đích khác nhau. Trong đó thiết bị cô đặc hỗ trợ rất lớn cho quá trình chế
biến thực phẩm. Cô đặc tạo ra sản phẩm mới làm tăng hương vị, chất lượng của sản
phẩm và giúp bảo quản sản phẩm được lâu hơn.
Có nhiều phương pháp cô đặc khác nhau tùy theo mục đích sử dụng. Đồ án này
trình bày về thiết bị cô đặc dung dịch nước cam một nồi, làm việc gián đoạn có ống
tuần hoàn trung tâm với năng suất nhập liệu 2000kg/h
Đồ án quá trình thiết bị giúp sinh viên ôn lại các kiến thức đã học về quá trình và
công nghệ thực phẩm. Ngoài ra còn giúp sinh viên có thể tiếp cận thực tế thông qua
việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể và
thực tế.

7


Đồ án quá trình thiết bị

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC CAM
Các thông số kỹ thuật:
- Nguyên liệu: dung dịch nước cam

- Nồng độ đầu: 10%
- Nồng độ cuối: 40%
- Năng suất: 2000 kg/giờ
- Loại thiết bị: 1 nồi, làm việc gián đoạn, tuần hoàn tự nhiên, buồng đốt trong, ống
tuần hoàn trung tâm

8


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
1.1.1. Khái niệm

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 dạng hơi.
Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi. Nghĩa là áp suất hơi riêng
phần của dung môi trên mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
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 rắn hòa tan (trường hợp này
phải kèm theo quá trình kết tinh), ví dụ cô đặc dung dịch đường, dung dịch muối,
dung dịch nước trái cây,...
1.1.2. Các phương pháp cô đặc

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hay nhiều nồi làm việc
gián đoạn hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần
rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ
mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ
lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới tiếp tục cô đặc.
Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hay nhiều nồi dung dịch và hơi đốt
cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra 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 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 chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta
dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác. Quá trình cô đặc chân không ứng
dụng để cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra
những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa…). Mặt khác,
do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh nhỏ hơn
so với cô đặc ở áp suất thường.
Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các 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.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí


1.1.3. Phân loại thiết bị cô đặc

Thiết bị cô đặc được phân loại thiết bị cô đặc theo các 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 bảo 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 tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức,...

Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm,...

Trong công nghiệp thực phẩm thường dùng các thiết bị cô đặc hoặc đun nóng bằng
hơi, loại này gồm các thiết bị hóa chất sau:
- Phòng đốt - bề mặt truyền nhiệt.
- Phòng phân ly hơi - khoảng trống phân tách hơi thứ ra khỏi dung dịch.
- Bộ phận tách bọt – dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
1.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC CAM
1.1.1. Giới thiệu nguyên liệu

Cam hay Cam chanh có tên khoa học là Citrus sinensis (theo Viện Nông
Nghiệp Việt Nam), được trồng rộng rãi ở các nước trên thế giới như Mỹ, Trung
Quốc, Ấn Độ, Việt Nam,...
Tại Việt Nam cam được trồng nhiều ở các tỉnh: Bắc Giang, Hà Giang, Tuyên.
Quang, Yên Bái, Vĩnh Long, Cần Thơ, Tiền Giang,...
Sản phẩm được chế biến từ quả cam rất đa dạng: siro cam, nước ép cam, tinh
dầu cam, mứt cam, nước cam cô đặc,...
Thành phần hóa học:
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của cam
Thành phần
Nước
Protein
Carbohydrate
Acid hữu cơ
Cellulose
Calcium
Sắt
Caroten
Vitamin C

Hàm lượng
87,5%
0,9%
8,4%
1,3%
1,6%
34mg%
23mg%
0,4mg%
40mg%


1.1.2. Quy trình

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình cô đặc nước cam
1. Thùng chứa nguyên liệu.

8. Thùng chứa sản phẩm.

2. Bơm nguyên liệu.

9. Thiết bị ngưng tụ.

3. Thùng cao vị.

10. Ống Baromet

4. Lưu lượng kế.
5. Buồng đốt.
6. Buồng bốc.

7. Bơm dung dịch.


Thuyết minh quy trình:
Dung dịch nước cam từ nồng độ đầu 10% từ thùng chứa được bơm lên thùng
cao vị. Từ đây dung dịch được đưa qua thùng lưu lượng kế. Ở lưu lượng kế có thề
điều chỉnh lượng dung dịch đi vào buồng đốt, tại đây dung dịch được đun nóng đến
nhiệt độ sôi. Dung dịch sôi tạo hỗn hợp - lỏng hơi lên buồng bốc. Một phần hơi
cuốn theo dung dịch gặp tấm chắn ngưng tụ rồi rơi xuống. Hơi thứ và không khí
ngưng tụ đi ra phía bên ngoài của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ ngưng tụ
thành chất lỏng chảy ra ngoài thùng chứa
Hơi đốt được đưa vào nồi là hơi nước bão hòa có áp suất (theo thang áp suất
tuyệt đối với đơn vị áp suất kỹ thuật). Khí không ngưng tụ được tháo ra ngoài qua
thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng. Tác dụng của thiết bị thu hồi bọt là giữ lại những
hạt nước ngưng tụ bị khí không ngưng tụ cuốn theo, những giọt nước này lắng lại
trong thiết bị cô đặc và sản phẩm được tháo ra ngoài qua thùng chứa sản phẩm. Sản
phẩm sau khi ra khỏi buồng bốc có nồng độ đạt yêu cầu 40% và được đưa vào bể
chứa sản phẩm.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi có thể tóm tắt như sau:
Hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch nước cam có các đặc điểm:
- Thiết bị cô đặc một nồi
- Làm việc gián đoạn
- Tuần hoàng liên tục
- Buồng đốt trong, ống tuần hoàng trung tâm
Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống
tuần hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch cần cô đặc.
Dung dịch đi bên trong ống, hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi vào khoảng trống phía
ngoài ống. Phía trên phòng đối gọi là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi – lỏng
còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt
lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc hơi, chảy vào

trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào phòng
đốt.
Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt,
khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống. Trong
ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so
với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn
hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt. Do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ
trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên
dòng tuần hoàn tự nhiên.
Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi, hơi thứ tách ra khỏi dung
dịch bay lên qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt


chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc hơi, còn dung dịch có
nồng độ tăng dần.
Khi năng suất của thiết bị lớn, có thể thay một ống tuần hoàn trung tâm bằng
một vài ống có dường kính nhỏ hơn.
Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm
từ 0,4-0,7 chiều cao ống. Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4-0,5 m/s.
Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15-20% thiết diện của tất các ống
truyền nhiệt.
Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là: cấu tạo đơn giàn, dễ cọ rửa và sửa
chữa, nhưng tốc độ tuần hoàn còn bé nên hệ số truyền nhiệt thấp.
Thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có .
váng cặn.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1. Tính lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống
Phương trình cân bằng vật liệu của hệ thống cô đặc 1 nồi là:

Gđ = W + Gc
Hay Gđ*Xđ = Gc*Xc
Từ 2 phương trình trên, ta rút ra lượng hơi thứ là:
W = Gđ*

(III.1, 105, STTKĐD)

Trong đó:
+ W: lượng hơi thứ của hệ thống cô đặc, kg/h
+ Gđ: lượng dung dịch ban đầu, kg/h.
Theo đề bài, Gđ = 2000 kg/h
+ xđ, xc: nồng độ đầu và cuối của dung dịch, % khối lượng
Theo đề bài, xđ = 10% và xc = 40%
Suy ra, lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống là:
W = 2000*(1- ) = 1500 kg/h.
2.1.2. Chia nồng độ từ xđ đến xc thành 6 khoảng nồng độ
Vì hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn nên quá trình cô đặc được chia thành 6
giai đoạn. Sau mỗi giai đoạn đều thêm vào một lượng dung dịch thích hợp, và giả


sử rằng trong mỗi giai đoạn đó thì nồng độ dung dịch không đổi bằng nồng độ trung
bình xtb.
Từ đó, có bảng số liệu sau:
Bàng 2.1. Các giá trị nồng độ theo từng giai đoạn
xđ

xc

xtb

1
2
3
4

10
13,78
20,6
24,93

17
24
29
34

13,5
18,89
24,8
29,47

1000,00
1088,24
825,00
746,03

588,24
625,00
586,03
547,02

411,76
463,24
238,97
199,01

Lượng dung
dịch thêm vào
(kg)
1000
500
200
160

5

29,11

37

33,06

687,02

540,52

146,5

140

6 29,11

40

34,56

546,52

505,53

40,99

0

Giai
đoạn

Gđ

Gc

W

2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ
Chọn áp suất hơi ngưng tụ Pngt (at) =0,1 at

(I.251 , 314, STT1)

Tngt =45,4

(I.251, 314, STT1)

Nhiệt độ hơi thứ tht = 46,4

(I.251, 314, STT1)

Pht (at) = 0,17 at

(I.251, 314, STT1)

2.2.2. Xác định nhiệt độ tổn thất

Hình 2.1: Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc

T: nhiệt độ của hơi đốt.
t*: nhiệt độ sôi của dung dịch có giá trị lớn nhất.


t**: nhiệt độ sôi của dung dịch ở bề mặt thoáng.
ttb: nhiệt độ sôi của dung dịch, ký hiệu ttb = ts.
tht: nhiệt độ hơi thứ.
tng: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ.
2.2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (Δ’)
Δ’ = Δo’*f, °C
với f = 16,2*

(VI.11, 59, STT2)

Trong đó:
+ Δo’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi ở áp suất thường, °C. Tra đồ thị VI.2 (61, STT2)
+ f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc với áp suất khác áp suất
thường.
+ Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thì bằng
nhiệt độ hơi thứ, K. Tm = 46,4
+ r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (áp suất hơi
thứ trên bề mặt dung dịch), J/kg. Tra bảng I.251 (314, STT1) r = 2490.103 J/kg
f=16,2* = 0,66
Bảng 2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao
xtb (%)
Δo’
Δ’

13,5
0,25
0,165

18,89
0,50
0,33

24,8
2,00
1,32

29,47
2,50
1,65

33,06

3,00
1,98

34,56
3,25
2,15

2.2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ”)
Ptb = P’ + ΔP, N/m2

(VI.12, 60, STT2)

với ΔP = (h1 + h2/2)*ρs*g, N/m2
và ρs = ρ/2, kg/m3.
Trong đó:
+ P’: áp suất trên bề mặt dung dịch, N/m 2.(bằng áp suất hơi thứ trên mặt
thoáng dung dịch). P’ = 0,17 at
+ ΔP: áp suất thuỷ tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống, N/m2.
+ h1: chiều cao của lớp dung dịch kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, h1 = 0,2 m


+ h2: chiều cao của ống truyền nhiệt, h2 = 2 m.
+ ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3. ρs= 0,5 ρ
+ ρ: khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3. (I.86, 58 , STT1)
+ g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.
Δ” = ttb – tht


Bảng 2.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

xtb(%)
13,5
18,89
24,8
29,47
33,06
34,56

ρ(kg/m3)
1054,64
1078,00
1104,59
1126,59
1143,96
1151,33

ΔP(N/m2)

Ptb(at)

6207,61
6345,11
6501,62
6631,11
6733,35
6776,73

0,79
0,80
0,82

0,83
0,84
0,85

ttb(°C)

Δ”(°C)

92,63
93
93,64
93,96
94,28
94,6

46,23
46,60
47,24
47,56
47,88
48,20

2.2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống (Δ’’’)
Chọn Δ’” = 1°C
2.2.2.4. Tổn thất nhiệt độ chung cho toàn hệ thống cô đặc (ΣΔ)
ΣΔ = Δ’ + Δ” + Δ”’
Bảng 2.4 Tổn thất nhiệt độ chung cho toàn hệ thống cô đặc

xtb (%)
Δ’

Δ”
Δ’”
ΣΔ

13,5
0,165

18,89
0,33

24,8
1,32

29,47
1,65

33,06
1,98

34,56
2,15

46,23
1,00

46,60
1,00

47,24
1,00

47,56
1,00

47,88
1,00

48,20
1,00

47,40

47,93

49,56

50,21

50,86

51,35

2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi
- Nhiệt độ sôi của dung dịch: ts = tht + Δ’ + Δ”
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích: Δti = thđ – ts
- Chọn nhiệt độ hơi đốt là: t hđ =99,1°C. Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa
1at
Bảng 2.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi
xtb (%)
ts (°C)

Δti (°C)

13,5

18,89

24,8

29,47

33,06

34,56

92,80
6,31

93,33
5,77

94,96
4,14

95,61
3,49

96,26
2,84

96,75

2,35

2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT
Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát sau:
F = , m2
Trong đó:
+ Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W
+ K: hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ
+ Δti: hiệu số nhiệt độ hữu ích, °C.
2.3.1. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Q
Q=D*r

,W


Trong đó:
+ D: lượng hơi đốt, kg/s
+ r: ẩn nhiệt ngưng tụ, r = 2264.103 J/kg. Tra bảng I.251 (314, STT1)
Lượng hơi đốt tiêu tốn chung được tính theo công thức:

D=

Wi ∗ ii + ( Gdi − Wi ) ∗ Ci ∗ ti − Gd ∗ Cd ∗ t d
0,95 ∗ ( i − Cng ∗ θ )

, kg/h

Với:
+ Wi: lượng hơi thứ bốc lên trong từng giai đoạn, kg/h
+ Gđi: lượng dung dịch ban đầu của từng giai đoạn, kg/h

+ ii: hàm nhiệt của hơi thứ, J/kg

(Tra bảng I.251, 314, STT1)

+ tđ, ti: nhiệt độ sôi ban đầu và sau khi cô đặc của dung dịch ở từng giai đoạn,
°C
+ Cđ, Ci: nhiệt dung riêng ban đầu và sau khi cô đặc của dung dịch ở từng
giai đoạn, tra theo nhiệt độ sôi của dung dịch, J/kg.độ.
Cđ = 4186(1- Xtb) , (J/kg; độ)
Ci = 4190 – (2514 – 7,542t)x (J/kg độ)

(I.43, 152,STT1)
(I.50,153, STT1)

Trong đó : t : nhiệt độ của dung dịch.()
Xtb : phân khối lượng của chất hòa tan
+ Cng: nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ, J/kg.độ

( I.149, 168, STT1)

+ i: hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg. Vì hơi đốt là hơi bão hoà nên i = r là ẩn
nhiệt ngưng tụ, r = 2264.103 J/kg. Tra bảng I.251 (314, STT1)
+ i – Cng * ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ , r = 2490.10 3 J/kg. Tra bảng I.251
(314, STT1)


Bảng 2.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
xtb

13,5

18,89

24,8

29,47

33,06

34,56

ts

92,80

93,33

94,96

95,61

96,26

96,75

G

1000,00

1088,24

825,00

746,03

687,02

546,52

W

441,76

463,24

238,97

199,01

146,50

40,99

ii*10-3

2581,00

2581,00

2581,00

2581,00

2581,00

2581,00

i*10-3

2264,00

2264,00

2264,00

2264,00

2264,00

2264,00

Cđ

3767,40

3599,96

3265,08

3055,78

2804,62

2637,18

Ci

3945,10

3848,07

3744,14

3661,63

3598,88

3573,34

Cng

4638,088

4638,088

4638,088

4638,088

4638,088

4638,088

D

420,61

445,76

240,69

205,96

160,60

59,66

544918,15

466283,23

363590,89

135068,98

Q

952250,80 1009208,72

2.3.2. Tính hệ số truyền nhiệt K

K =

1
1
1
+ Σr +
α1
α2

, W/m2độ

Trong đó:
+ α1: hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt đến ống truyền nhiệt, W/m2độ
+ α2: hệ số cấp nhiệt từ thành ống truyền nhiệt đến dung dịch, W/m2độ
+ Σr: tổng nhiệt trở, m2độ/W.
2.3.2.1. Tính tổng nhiệt trở
= + r1 +r2, m2độ/W

Trong đó:
+ δ: bề dày ống truyền nhiệt, δ = 0,002 m
+ λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, λ = 16,85W/m.độ.
(I.125,127, STT1)
+ r1: nhiệt trở lớp cặn bẩn, m2độ/W
+ r2: nhiệt trở hơi nước (có lẫn dầu nhờn), m2độ/W
Chọn hơi đốt là nước sạch. Theo V.1, 4, STT2:


Nhiệt trở của cặn mặt ngoài:
r1 = 0,464.10-3. (m2.độ/W)

Nhiệt trở của cặn mặt trong:
r2 = 0,387.10-3. (m2.độ/W)
= + 0,464.10-3 + 0,387.10-3 = 9,69.10-4 m2độ/W
2.3.2.2. Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
= 2,04.A. (W/m2.độ

(V.101,28, STT2)

Trong đó:
+ H: chiều cao của ống truyền nhiệt, H = 2 m.
+ r: ẩn nhiệt hơi ngưng tụ, J/kg. r = 2264.10 3 J/kg. Tra bảng I.251 (314,
STT1)
+ Δt1: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị, t1 = thđ - tT1 °C.
+ A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng nước ngưng tm .
tm =

( 29, STT2)

,°C

2.3.2.3. Tính hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
α2 = Ψ * αn, W/m2độ

(V.27,71, STT2)

Trong đó:
+ αn: hệ số cấp nhiệt của nước, W/m2độ
αn = 0,145*(P)0,5*(Δt)2,33

(V.91,26, STT2)

Với:
•
•

P: áp suất làm việc.P = 1at = 9,81.104 N/m2
Δt: hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của thành thiết bị phía tiếp xúc
với chất lỏng sôi và nhiệt độ sôi của chất lỏng, °C.

+ Ψ: hệ số hiệu chỉnh của dung dịch
Ψ= 0.565 .

(V.27,71, STT2)

Với:
λdd: độ dẫn điện của dung dịch, W/m.độ

(I.32, 123, STT1)

λn:độ dẫn điện của nước tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch ,W/m.độ
( I.129,133,STT1)
ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3

(I.86,58,STT1)


ρn: khối lượng riêng của nước tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch,
kg/m .
(I.5, 11, STT1)
3

Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ

( I.50,153, STT1 )

Cn: nhiệt dung riêng của nước tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch,
J/kg.độ
( I.149, 168, STT1)
µdd: độ nhớt của dung dịch, N.s/m2

( I.114, 114, STT1)

µn: độ nhớt của nước tương ứng với nhiệt độ sôi của dung dịch, N.s/m2
( I.102, 94, STT1)
Bảng 2.7. Hệ số cấp nhiệt do chất lỏng sôi
xtb
ts
λdd
λn
ρdd
ρn
Cdd

13,5
88,35
0,26
0,58
1056,77
966,63
3931,06

18,89
88,85
0,26
0,58
1078,44
966,30
3839,28

24,8
89,27
0,26
0,58
1105,51
966,03
3729,32

29,47
89,50
0,26
0,58
1133,78
965,87
3619,31

33,06
89,90
0,25
0,58
1153,31

965,61
3546,72

34,56
90,30
0,25
0,58
1173,41
965,34
3474,36

Cn

4638,09

4638,09

4638,09

4638,09

4638,09

4638,09

µdd*103

1,15

1,15

1,14

1,14

1,12

1,11

µn*103

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

Ψ

1,09

1,13

1,09

1,13

1,13

1,12

2.3.2.4. Tính hệ số truyền nhiệt K
- Giả sử Δt1 (hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và thành thiết bị phía tiếp xúc với hơi
đốt), suy ra nhiệt độ thành thiết bị phía tiếp xúc với hơi đốt tT1
tT1 = thđ – Δt1
Suy ra nhiệt độ màng nước ngưng tm. Từ đó, xác định được A.( 29, STT2)
tm =

,°C

- Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ α 1, suy ra nhiệt lượng truyền từ hơi
ngưng tụ đến thành thiết bị q1
q1 = α1 * Δt1
- Tính nhiệt độ thành thiết bị phía tiếp xúc với dung dịch tT2
tT2 = tT1 – Δt,
với Δt = q1 * Σr
tT2 = tT1 – q1. = tT1 – q1. 9,69.10-4 ()
Chọn các giá trị Δt1 có bảng số liệu sau:


Bảng 2.8 Giá trị tT2
xtb
Δt1
tT1

13,5
2
97,10

18,89
1,5
97,60

24,8
1
98,10

29,47
0,75
98,35

33,06
0,5
98,60

34,56
0,25
98,85

tm

98,10

98,35

98,60

98,73

98,85

98,98

A
α1
q1
Δt
tT2

177,80
4276,37
8552,75
8,30
88,80

177,92
4493,41
6740,11
6,54
91,06

178,05
4736,41
4736,41

4,59
93,51

178,18
4834,38
3625,78
3,52
94,83

178,30
5001,32
2500,66
2,43
96,17

178,43
5132,36
1283,09
1,24
97,61

Suy ra, hiệu số nhiệt độ giữa thành thiết bị phía tiếp xúc với dung dịch và nhiệt
độ sôi của dung dịch Δt2
Δt2 = tT2 – ts
- Tính hệ số cấp nhiệt của nước α n, hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi α 2.Từ đó suy
ra nhiệt lượng truyền từ thành thiết bị đến chất lỏng sôi q2
q2 = α2 * Δt2
- Để đảm bảo quá trình truyền nhiệt là ổn định thì q 1 và q2 phải gần bằng nhau,
điều kiện cho phép là:

q − q

η =  1 2 *100 ≤ 5
 q1



Bảng 2.9 Hệ số truyền nhiệt
xtb

13,5

18,89

24,8

29,47

33,06

34,56

Δt1

18,2

12,2

8,2

6,2

4,2

2,2

tT1

80,9

86,9

90,9

92,9

94,9

96,9

tm

90

93

95

96

97

98

A

174

175,5

176,5

177

177,5

178

α1

5605,61

6248,55

6940,38

7463,92

8250,45

9725,37

q1

102022,10

76232,31

56911,12

46276,30

34651,89

21395,81

Δt

98,96

73,95

55,20

44,89

33,61

20,75

tT2

92,91

94,13

95,45

96,95

97,37

97,83

Δt2

0,11

0,80

0,49

1,34

1,11

1,08

αn

1025675,16

461688,68 209304,87

114956,40

50444,05

11948,99

α2

1122498,90

520046,13 228121,37

129636,33

56885,76

13335,07

q2

119786,12

416165,53 112766,16

173822,34

63343,99

14421,84

K

870,11

883,42

894,08

899,53

901,89

871,22

-17,41

-445,91

-98,14

-275,61

-82,80

32,59

Vì

q − q

η =  1 2 *100 ≤ 5
 q1


nên loại giá trị K ở giá trị xtb = 34,56

2.3.3. Tính F

F =Σ

Qi
K i ∗ ∆t i

Bảng 2.10. Diện tích truyền nhiệt
xtb
Q
K
Δt
Fi
F

0,135

0,1889

0,248

0,2947

0,3306

953867,84
870,11
98,96
11,08

1008505,70
883,42
73,95
15,44

481624,74
894,08
55,20
9,76

347532,24
899,53
44,89
8,61

222721,58
901,89
33,61
7,35

52.24


Chọn F theo tiêu chuẩn =65 m2

(193, QTTBT5)

2.4. TÍNH KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC VÀ BUỒNG ĐỐT
2.4.1. Kích thước buồng bốc
Đường kính buồng bốc
Db=

,m

(VI.35, 72,STT2)

V b = , m3

(VI.32, 71, STT2)

Trong đó:
+ Hb: chiều cao buồng bốc,
+ Vb: thể tích buồng bốc, m3
Thể tích buồng bốc

Với:
W: lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống, W = 1500kg/h.
ρh: khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3
Ut: cường độ bốc hơi thể tích, m3/m3h
Chọn Utt = 1600( m3/m3.h), áp suất hơi trong buồng bốc 1at.

= 0,579 (kg/m3)

( bảng I.251.STT 1, 315).
Vb = = 1,62 m3

Chiều cao của không gian hơi được tính bằng công thức:
Hkgh = m
Chọn Db = 1600 mm

(VI.34 STT 2 , 72)
(194,QTTBT5)

Hkgh = = 0,81 m
2.4.2. Kích thước buồng đốt
2.4.2.1. Xác định số ống truyền nhiệt
n= =
Trong đó:
+ F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2.
+ l: chiều dài ống truyền nhiệt, l = 1,5m.
+ dn: đường kính ống truyền nhiệt, m.
Chọn ống có kích thước 38x2 (mm) ,
Do 1 > 2 nên d = 34 mm

(16,QTTBT 5)


n = = 405 ống
Chọn nt = 410 ống

(V.11,48, STT2)

2.4.2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm
dth =
Với: ft: tiết diện ngang của ống tuần hoàn, thường bằng 25 ÷ 30% tổng tiết
diện ngang của các ống truyền nhiệt FD. Chọn ft= 25% FD
FD= nt. m2
FD= 410. = 0,37 m2
ft= 25% FD = 25%*0,37= 0,09
dth = 0,34 m
Chọn Dth theo tiêu chuẩn bằng 400 mm

(190, QTTBT5)

Giá trị bước ống:
t = .dth = 1,4 . 0,0325 = 0,046 ( m)
(= 1,3-1,5). Chọn =1,4
Chọn t = 50mm
Xét (F – Ftn)/F < 5%
số ống truyền nhiệt còn lại:
n= 410 – 38 = 372 ống
2.4.2.3. Đường kính buồng đốt
Đối với thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm và bố trí ống truyền nhiệt theo
hình lục giác đều thì đường kính trong của buồng đốt tính theo công thức:
Dt = , m

(VI.40, 74, STT2)

Trong đó:
+ dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m
+ β = t/dn : hệ số, với t: bước ống. β =1,4

+ Ψ: hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường Ψ= 0,7 ÷ 0,9.
+ l: chiều dài của ống truyền nhiệt, l= 1,5m.
+ dth: đường kính ngoài của ống tuần hoàn, dth = 400mm
+ Sin60°: do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy
sát nhau tạo thành một tam giác đều có góc α = 60°.