đồ án thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa năng suất 3 tấn/h

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHO
DUNG DỊCH NƯỚC DỨA NĂNG SUẤT 3 TẤN/H

Thành phố Hồ Chí Minh 1/11/2016


LỜI MỞ ĐẦU
Mục tiêu của đồ án “Thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa năng suất 3 t ấ n /h”
là thiết kế hệ thống cô đặc dứa từ nồng độ chất khô 15% đến 60% với năng suất 3
tấn/h đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về quá
trình cô đặc dung dịch nước dứa, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất,
năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và
những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết
bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư
công nghệ thực phẩm. Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm
vững các kiến thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực phẩm.
Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc,
thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai.
Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có
thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ là
nguồn động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt
đẹp hơn, hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cám ơn!


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...........................................................................................1

CHẤT......................................................................11
CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC........................................................19
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHI TIẾT THIẾT BỊ.......................................25
CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ................................................................40


THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHO DUNG DỊCH NƯỚC DỨA
NĂNG SUẤT THIẾT BỊ LÀ 3 TẤN/H
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về dứa
1.1. Nguồn gốc
Dứa có tên khoa học là Annas comusmin là loại quả nhiệt đới. Chi này có
nguồn gốc từ khu vực Nam Mỹ và được đưa tới các đảo khu vực Caribe nhờ những thổ
dân Anh điêng Carib. Năm 1493, Christopher Columbus lần đầu tiên đã nhìn thấy các
loại cây của chi này tại Guadeloupe. Các cánh đồng trồng dứa thương phẩm được
thành lập tại Hawaii, Philippines, Đông Nam Á, Florida và Cuba. Dứa đã trở thành
một trong những loại cây ăn trái phổ biến nhất trên thế giới. (Morton& Julia F, 2011 ).
Ở nước ta dứa được trồng nhiều ở Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Giang, Bắc Ninh,
Tuyên Quang, Thanh Hoá, Nghệ An, Tây Ninh, Kiên Giang.
(khoahocchonhanong.com)
1.2. Những đặc tính chủ yếu
Dứa có các lá gai mọc thành cụm hình hoa thị. Các lá dài và có hình dạng giống
mũi mác và có mép lá với răng cưa hay gai. Hoa mọc từ phần trung tâm của cụm lá
hình hoa thị, mỗi hoa có các đài hoa riêng của nó. Chúng mọc thành cụm hình đầu rắn
chắc trên thân cây ngắn và mập. Các đài hoa trở thành mập và chứa nhiều nước và
phát triển thành một dạng phức hợp được biết đến như là quả dứa (quả giả), mọc ở
phía trên cụm lá hình hoa thị.
1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam
− Dứa Victoria (dứa tây, dứa hoa) có các giống:

•

Dứa hoa Phú Thọ: thuộc nhóm Queen, trồng được nơi đất chua xấu. Lá có
nhiều gai và cứng, quả nhỏ, thịt quả vàng đậm, thơm, ít nước, giòn.

•

Dứa Na hoa: lá ngắn và to, quả to hơn dứa hoa Phú Thọ, phẩm chất ngon, năng
suất cao.

−

Dứa Cayen: lá chỉ có ít gai ở đầu mút lá, lá dài cong lòng máng, quả to, khi chưa
chín quả màu xanh đen, khi chín chuyển màu da đồng. Quả nhiều nước, thịt vàng
ngà, mắt dứa to và nông, vỏ mỏng, thích hợp với đóng hộp.

−

Dứa ta thuộc nhóm Red Spanish: chịu bóng rợp, có thể trồng xen trong vườn quả,
vườn cây lâm nghiệp. Dứa Cayen trồng phổ biến ở Tam Điệp, Ninh Bình.

4


−

Dứa ta (Ananas comosus var spanish hay Ananas comosus sousvar - red spanish) là
cây chịu bóng tốt, có thể trồng ở dưới tán cây khác. Quả to nhưng vị ít ngọt

−

Dứa mật (Ananas comosus sousvar - Singapor spanish) có quả to, thơm, ngon,
trồng nhiều ở Nghệ An và Thanh Hóa

−

Dứa tây hay dứa hoa (Ananas comosus queen) được du nhập từ 1931, trồng nhiều ở
các đồi vùng Trung du. Quả bé nhưng thơm, ngọt

−

Dứa không gai (Ananas comosus cayenne) được trồng ở Nghệ An, Quảng Trị, Lạng
Sơn. Cây không ưa bóng. Quả to hơn các giống trên. (khoahocchonhanong.com)

1.4. Giá trị dinh dưỡng
Trong 100g phần ăn được của dứa cung cấp:
Năng lượng: 202 kJ (48 Kcal)
Carbohydrates: 12,63g
Chất béo: 0.12 g
Protein: 0.54 g
Vitamins:
• Thiamine (B1): 0.079 mg
• Riboflavin (B2): 0.031 mg
• Niacin (B3): 0.489 mg
• Pantothenic acid (B5): 0.205 mg
• Vitamin B6: 0.110 mg
• Folate (B9): 15 µg
• Vitamin C: 36,2 g
− Chất khoáng:
• Calcium: 13 mg

• Sắt: 0.28 mg
• Phospho: 8 mg
• Magnesium: 12 mg
• Kali: 115 mg
• Kẽm: 0.1 mg
−
−
−
−
−

(Nutritiondata.com)

5


1.5. Lợi ích của dứa
− Hỗ trợ hệ miễn dịch: vitamin C trong dứa có chức năng chính như một chất chống
oxi hóa tan trong nước của cơ thể, giúp cơ thể chống lại các gốc tự do. Điều này
khiến cho dứa trở nên vô cùng hữu dụng trong việc chống lại những bệnh lý như
bệnh tim, xơ vữa động mạch và đau khớp.
− Làm xương chắc khỏe: Dứa chứa gần 75% lượng mangan (một khoáng chất quan
trọng) cần thiết cho cơ thể, có vai trò quan trọng trong việc phát triển xương và các
mô liên kết. Do đó, dứa là một lựa chọn hoàn hảo cho những người lớn tuổi có
xương đang ngày trở nên giòn hơn.
Dứa
− Thúc đẩy quá trình tiêu hóa: Giống
như nhiều loại rau và quả khác, dứa chứa nhiều
chất xơ giúp tiêu hóa. Thêm vào đó, dứa còn chứa một lượng đáng kể bromelain,
một loại enzym phân hủy protein, từ đó đẩy nhanh quá trình tiêu hóa.

Phân
loạichứng minh là có đặc tính chống viêm, có
− Chống viêm: Bromelain cũng đã
được
Dập, nát
thể giúp làm giảm nguy cơ đau khớp và sưng tấy. Viêm quá mức có thể dẫn tới một
loạt các bệnh nguy hiểm, bao gồm
Xửcảlýung thư, và theo một số nhà dinh dưỡng học
thì bromelain có thể giúp phòng ngừa bệnh. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể
Vỏ, mắt dứa
về việc liệuNước
bromelain trong dứa có kết quả tương tự hay không.
Rửa
− Giảm đông máu: Bromelain có thể ngăn ngừa hình thành máu đông, khiến cho dứa
trở thành món ăn cực tốt cho người có nguy cơ bị đông máu. (Morton& Julia F,
Ép
2011 ).

Lọc thô
Bã

Gia nhiệt
Ly tâm
Phụ gia

Cô đặc

Chai

Rót chai

Nắp

Ghép nắp
Thanh trùng
Bảo quản

1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc

Nước dứa
6
cô đặc


7


2. Tổng quan về phương pháp
2.1. Khái niệm 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 và áp suất tương ứng. Trong công nghệ hoá học và thực
phẩm cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích:
•

Làm tăng nồng độ chất tan

•

Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

•

Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng
hơi còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi. Do đó nồng độ của dung
chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp này cùng bay
hơi, chỉ khác nhau về nồng độ, ở mỗi nhiệt độ. Hơi của dung môi tách ra trong quá
trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng một thiết bị khác.
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất như: áp suất chân không, áp
suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi,
hay trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi. Quá trình cô đặc có thể gián đoạn hay 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 để cô đặc.
Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc 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 áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật. Khi làm việc ở áp suất thường thì có thể
dùng thiết bị hở; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân
không 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 bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi. Với cô đặc một nồi
thường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế. Còn
cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa kinh tế cao
về sử dụng nhiệt. (Nguyễn Tấn Dũng, 2015)

8

2.2. Các phương pháp cô đặc
− Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần bằng áp suất tác dụng lên mặt
thoáng chất lỏng.
− 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.
2.3. Phân loại và ứng dụng
2.3.1. Theo cấu tạo
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm
cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất.
Thiết bị cô đặc được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây:
Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên) đối với nhóm này
thường có hai loại như sau:
Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); Có thể có ống tuần hoàn
trong hay ống tuần hoàn ngoài
Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi).
Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) đối với nhóm này
thường có hai loại như sau:
Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
Loại 4: có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, loại này thường cũng có hai loại:
Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt
ngoài.
Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài.
Phạm vi ứng dụng
a) Nhóm 1:

TBCĐ nhóm 1 chủ yếu dùng để cô đặc dung dịch khá loãng có độ nhớt thấp, đảm bảo
sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Tỷ số giữa chiều
dài của ống truyền nhiệt với đường kính của nó: H/d dưới 50. Đặc điểm loại ống ngắn
H/d <30
9


b) Nhóm 2:

TBCĐ nhóm 2 có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch, tốc độ chuyển động của
dung dịch từ (1.5÷3.5) m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính của nhóm
này là tăng cường hệ thống truyền nhiệt K; dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt,
có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần bề mặt truyền nhiệt.
Có loại dùng cánh khuấy đặt ở trung tâm buồng đốt để tuần hoàn dung dịch.
c) Nhóm 3:

TBCĐ nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy màng (màng mỏng hay màng hơi
mỏng) qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ
lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch (chẳng hạn như dung dịch sinh tố,
nước quả ép, dung dịch lên men, sữa,..).(Nguyễn Tấn Dũng, 2015)
2.3.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình
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 là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suất chân
không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp
lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích
khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.

Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể kết hợp điều khiển
tự động.( Phạm Văn Bôn&Nguyễn Đình Thọ,2006).
2.4. Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều
Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ nhất của nồi này vào
đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi
vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần,
nồng độ của dung dịch tăng dần 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 phải có 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 làm hơi đốt của nồi sau.
Cô đặc hai nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. Vì
nếu ta giả thiết rằng cứ một kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được một kg hơi
thứ. Như vậy cứ một kg hơi đốt đi vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg hơi thứ
tương ứng với số nồi trong hệ thống cô đặc. Hay nói cách khác là lượng hơi đốt làm
bốc hơi một kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ, khi cô đặc hai nồi: một kg hơi
10


đốt vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi một kg hơi đốt của nồi đầu: một kg hơi thứ này sẽ đưa
sang nồi thứ hai cũng làm bay hơi được 1 kg hơi thứ nữa. Như vậy, đối với hệ thống cô
đặc hai nồi, ta được 2 kg hơi thứ. Vậy lượng hơi đốt tính cho một kg hơi thứ là 0.5 kg.(
Phạm Văn Bôn& Nguyễn Đình Thọ, 2006)
Ưu điểm:
−

Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa
các nồi.

−

Cô đặc hai nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi.

Khuyết điểm
Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch sau lại
tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ
giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
2.5. Vật liệu và phương pháp
Dứa là nguyên liệu có độ nhớt cao, có nhiều váng cặn, ta chọn thiết bị cô đặc có
ống tuần hoàn trung tâm, 2 nồi, làm việc liên tục. Thiết bị cô đặc dạng này 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. Nhưng
tốc độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp.

I.
Dung dịch
II.
Sản phẩm
III.
Hơi đốt
IV.
Nước ngưng
V.
Hơi thứ
1. Phòng đốt
11


2. Ống truyền nhiệt

3. Ống tuần hoàn trung tâm
4. Phòng phân ly

5. Bộ phận tách bọt
3. Quy trình của hệ thống

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
12


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.
Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 4 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. (Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, 2006).

13


CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu
•

Năng suất nhập liệu: GD = 3000 kg/h

•

Nồng độ nhập liệu: xD = 15%

•

Nồng độ cuối của sản phẩm: xC = 60%
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất

G D . xD = G C . xC

 GC = = = 750 (kg/h)
•

Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống
Áp dụng công thức: W = GD . (1 - ) , kg/h

 W = 3000.(1 - ) = 2250 (kg/h)

Giả thiết phân bố hơi thứ trong các nồi
Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : = 1,2
Khi đó ta có hệ phương trình
= 1,2 (1)
W1 + W2 = W = 2250 (kg/h) (2)
Từ (1) và (2) giải hệ ta có:
W1 = 1227,27 kg/h
W2 = 1022,73 kg/h
Xác định nồng độ dung dịch từng nồi
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:

x'C = =

=25,38

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:

14

x"C = =

= 60 (%)

2. Cân bằng nhiệt lượng

Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi

2.1.

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
Chọn áp suất trong thiết bị ngưng tụ Baromet :0,2 at
Ta có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ: Tng = 59,7 oC
Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là 4 at
Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt của nồi 1 và áp suất trong thiết bị ngưng tụ
baromet là:
P = P1 – Png = 4 – 0,2 = 3,8 (at)
Giả sử chia đều tổng chênh lệch áp suất cho 2 nồi, mỗi nồi có chênh lệch:

pi =

=1,9 (at)

Chọn hệ số f ở các nồi: f1=1,13; f2=0,98
Chênh lệch áp suất làm việc trong các nồi:
p1=f1. pi = 1,13×1,9=2,147 (at)
p2=f2. pi = 1,9×0,98= 1,862 (at)
Ở nồi 2: p2: 0,2 (at)
Ở nồi 1: p1=0,2+1,862=2,062 (at)
Áp suất hơi đốt nồi 1: 2,062+2,147=4

Theo bảng hơi nước ta xác định nhiệt độ hơi thứ bão hòa và ẩn nhiệt tạo thành
hơi thứ của từng nồi:
Nồi i

Nhiệt độ hơi thứ bão hòa Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg)
(oC)

Nồi 1

120,54
15

2205


Nồi 2

59,7

2357

Hơi đốt nồi 1

142,9

2131

2.2.

Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Loại

Nồi 1
Áp
(at)

Nồi 2
suất Nhiệt
(oC)

độ Áp
(at)

Tháp ngưng tụ
suất Nhiệt
(oC)

độ Áp
suất
(at)

Hơiđốt

P1= 4

T1=142,9

P2=2,062

T2=120,54

Hơithứ

P'1=2,062

T'1=120,54

P'2=0,2

T'2=59,7

2.3.

Nhiệt độ
(oC)

Png=0.2 Tng=59,7

Xác định nhiệt độ tổn thất

Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp
suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.3.1.

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ '

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là

tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:
Theo Tiaxenko: ' = o'f
Mà f = 16.2. (0C)
Trong đó:
0': tổn thất nhiệt độ do tsdd>tsdm ở áp suất thường
f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường
ri: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t’i, J/kg
t'i: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i, oC
Từ hình VI.2/60 sách sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2
16


Nồi 1: với nồng độ cuối là 25,38%=> 0' = 0,88
Nồi 2: với nồng độ cuối là 60%=> 0'= 2,6
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng độ
dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (xC) do đó ' lấy theo nồng độ cuối dung dịch
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ '

Nồi 1: '1='0×16,2× = 0,88×16,2×

Nồi 2: '2=2,6×16,2×

= 1,001oC

= 1,978oC

Tổng 2 nồi Σ'='1+'2= 1,001+1,978=2,98oC

xC
kl)

(% o' (oC)

Ti '(oC)

η.10-3
(J/kg)

i' (oC)

Nồi 1

25,38

0,88

120,54

2205

1,001

Nồi 2

60

2,6

59,7

2357

1,978

2 Σ'=1' + 2' = 2,98 oC

Tổng
nồi

2.3.2.

Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (")

Theo bảng I.86 sách sổ tay tập 1/59 xác định khối lượng riêng cua dung dịch
đường tại 20oC
Nồng độ (%)

ρ1= (kg/m3)

25,38

1107,15

60

1288,73

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:
P = ρs.g.Hop (N/m2)
17

Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd
ρdd: 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(ρdd – ρdm))].Htt

Chọn Htt=1,8m
Nồi 1:
Hop= [0,26+0,0014(1107,15-998)]×1,8= 0,743(m)

Ptb= P1'+0,5ρdd.g.Hop= 2,062 +

=2,083 (at)

Ở p1'=2,062 at, ts= 120,54oC
ptb= 2,083 at, ts= 120,84oC
"1= 120,84 -120,54= 0,3oC
Nồi 2:
Hop= [0,26+0,0014(1288,73-998)]×1,8= 1,2 (m)

Ptb= P2'+0,5ρdd.g.Hop=0,2 +

=0,239(at)

Ở p2 = 0,2 at, ts= 59,7oC
Ptb=0,239 at, ts= 63,5oC
"2= 63,5-59,7=3,8oC
Tổng tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh:
Σ"= 0,3+3,8=4,1oC

2.3.3.

Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia
và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1oC. Do đó:
"'1 = 1oC
18


"'2=1 oC
 Σ"'='''1+'''2=2oC
2.3.4.

Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc

Σi='+''+'''= 2,98 + 4,1+2= 9,08 oC
2.4.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở các nồi

Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống:
t= TD-tc=142,9-59,7=83,2oC
Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích của hệ thống là
Σti=t-Σi=83,2-9,08=74,12oC
2.5.

Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi

Nồi 2: t2= 59,7+1+1,978+3,8=66,478oC

Nồi 1: t1= 120,54+1+1,001+0,3=122,841oC
2.6.

Tính các hệ số truyền nhiệt của các nồi

Theo nhiệt độ sôi và nồng độ trong các nồi đã tính được, ta xác định các thông số
vật lý và hóa lý của dung dịch (khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt dung
riêng)
Chọn đường kính ống và chiều dài
Tính hệ số truyền nhiệt của các buồng đốt (một bên hơi nước ngưng tụ, một bên
dung dịch sôi) có chú ý lớp cặn bám ở ống chừng 0,5 mm
2.7.

Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

C= 4190 – (2541 – 7,542.t).x (J/Kg.độ)
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=114,806, x=15%)
Cd=4190 – (2541 -7,542.114,806).0,15=3942,78 (J/kg.độ)
Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1=114,806, x= 20%)
19


C1= 4190 – (2514 – 7,542.114,806).0,2=3860,37 (J/kg.độ)
Nồi 2: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (ts2= 75,24,x=30%)
C2= 4190 – (2514 – 7,542.75,24).0,3=3606,04 (J/kg.độ)
2.7.1. 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
Cd, 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
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).C2.ts2
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
20


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

W1=
Thông số tính toán
Hơi đốt

Hơi thứ

Dung dịch

t(oC)

I (J/kg)

Cn
(J/kg.độ
)

T (oC)

i(J/kg)

C(J/kg.độ
)

Ts (oC)

Nồi 1

142,9

2730,2

4284,9

109,42

2704

3860,37

114,806

Nồi 2

108,42

2594,8

4228,3

60,7

2647,6

3606,04

75,24

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

= 762.401 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:
W2= W – W1 = 1500-762.401= 737.599 (kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu dùng:
= 1117.101(kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo công thức
m= = =0.745 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Trong đó: D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/h)
21


W: lượng hơi thứ thoát ra kh
i cô đặc (kg/h)

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Tính buồng bốc:

3.1.

Do lượng hơi thứ bốc lên ở hai nồi xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi II nhỏ hơn nên
khối lượng riêng của hơi nồi II sẽ nhỏ hơn nồi I thể thích hơi thoát ra ở nồi II sẽ lớn
hơn nồi I, nên ta chỉ tính nồi II từ đó cũng chính là kích thước nồi I.
Vận tốc hơi (Wh ) của hơi thứ trong buống bốc phải thông qua 70-80% vận tốc
lắng .
W0 = (m/s) (Công thức trong [5] / 276).
Trong đó và là khối lượng riêng của giọt lỏng và hơi thứ (kg/m3).
Ở t0 = 75,4 = 974.56 (kg/m3 )
= 0.2457 (kg/m3).
d là đường kính giọt lỏng, chọn d = 0.0003 .

ε là hệ số trở lực.
0.2 < Re < 500 → ε = 0.44
Với Re =
Chọn đường kính buồng bốc Db = 1400mm.
Diện tích buồng bốc: Fb = = = 1.54 m.
Lượng thể tích: Vb = = 0.65 (m/s).
Vận tốc hơi: h = = = 0.422 (m/s).
Chuẩn số Re: = =2.83
Vì 0.2< Re =2.83 <500 → ε = = = 9.91
Vận tốc lắng:
W0 = = = 1.25 (m/s)
Wh = 0.422 (m/s), W0 = 1.25 (m/s) →thỏa điều kiện
22


Chiều cao buồng lắng:
Ut’’ (1600 - 1700 m3 / m3h ) chọn Ut’’=1600 (m3 / m3 h) : cường độ bốc hơi thể
tích
Áp suất của hơi thứ có ảnh đến cường độ bốc hơi thể tích Ut:
Ut= f * Ut’( 0.4 at)
Dựa vào đồ thị VI. 3 [2]/72 ở P = 0.4 at → f = 0.85
Ut = f * Ut’= 0.85 * 1600=1360 (m3/ m3 h)
Thể tích không gian hơi: Vb= = = 1.75 m3.
Chiều cao buồng bốc Hb = = = 1.1 (m).
Do quá trình cô đặc có hiện tượng dung dịch sôi nên chọn Hb cao hơn tính toán.
Hb’ = Hb + 0.6 = 1.1 + 0.6 = 1.7 m
Chọn chiều cao buồng bốc Hb = 1.8 m =1800 mm.
4.1. Tính Buồng Đốt:
4.3.1.

Xác định ống truyền nhiệt:

n=
F: bề mặt truyền nhiệt.
І = H = 1.5 m chiều dài ống truyền nhiệt.
D: đường kính ống truyền nhiệt.
Chọn loại ống có đường kính 38 * 2mm → d = 38 - (2*2) = 34 mm.
Vậy số ống truyền nhiệt n = == 124.89 ống.
Dựa vào bảng V 11.2 /48b (sắp xếp ống theo hình sáu cạnh kiểu bàn cờ) chọn số
ống = 127 ống .
4.3.2.

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:

Dth=
Trong trường hợp đối lưu tự nhiên ta chọn Fth = 0.3 FD
Với FD =là diện tích tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt .
23


Fth = 0.3 FD = 0.3 *= 0.3 * = 0.12 m2
Vậy Dth= = = 0.39 m
Chọn Dth= 0.4 m = 400 mm.
Đường kính buồng đốt:

4.3.3.

Pbđ =2.6 + *
2.6+
Trong đó Dbđ đường kính trong buồng đốt.

Dn là đường kính ngoài buồng đốt.
hệ số thường =1.3
Dth đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm.
Dth = 400 +8*2 = 416 mm =0.416 m.
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt.
Thay vào ta có:
2.6+=
=21.61→ Dbđ = 21.61 *0.038 = 0.82 m
Chọn đường kính chuẩn cho vỏ buồng đốt Dbđ =1000 mm =1m.
(dựa vào bảng XIII .6 2/359 ).
4.3.4.

Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:

Kiểm tra đường kính ống tuần hoàn:
Dth= t (b-1) +4c (công thức V .140.[2]/49 )
b là số ống trên đường chéo.
= =1.3 chọn = 1.3 → t= *dn = 1.3*0.038 = 0.0494.
b>+1= = 8.4
chọn b = 9 ống
suy ra số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm
24


là n’ : b= 2a-1 → a = −= 5
a là số ống sáu cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng
Dựa vào công thức V. 139 [2] /48 ta tính được:
n’ = 3a(a-1) +1 =3*5(5-1)+1= 61 ống.
Vậy số ống truyền nhiệt còn lại n= 127- 61 = 66 ống.
Bề mặt truyền nhiệt F:

F = 3.14*1.5*(127*0.038+0.416) =24.68 25.
4.3.5.

Kích thước các ống dẫn:

Đường kính các ống dẫn theo công thức tổng sau:
D=

(m).

G : là lưu lượng lưu chất (kg/s).
W: vận tốc lưu chất (m/s).
là khối lượng nhập liệu (kg/m3).
4.3.5.1.

Ống nhập liệu nồi I:

Chất lỏng nhớt w =0.5 1 m/s chọn w = 0.5 (m/s).
G = 1500 kg/h = 0.417 (kg/s).
= 1027.7 (kg/m3) I 1.86 [I] /58
Vậy thay vào tính D = = 0.032 (m).
4.3.5.2.

Ống tháo liệu nồi I (ống nhập liệu nồi II)

Xc = 12.05 % ta có: Gc* Xc = Gđ * Xđ Gc= =
Vậy Gc = 0.242 (kg/s).
Chon w = 0.7 m/s.
= 1048.52 (kg/m3) I 1.86 [I] /58
D = = 0.02 (m).

4.3.5.3.

Ống tháo liệu nồi II:
25

= 871.37 (kg /h).