THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC ĐƯỜNG MÍA

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC ĐỂ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH
ĐƯỜNG MÍA

SVTH:

Nguyễn Thanh Phong

MSSV:

14072651

Lớp:

DHHO10C

GVHD:

Th.S Võ Thanh Hưởng

Tp. Hồ Chí Minh 2017


LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học máy và thiết bị là một đồ án quan trọng trong khối ngành công nghệ
hóa học hướng dẫn sinh viên giải quyết một vấn đề tổng hợp về công nghệ thiết kế các

thiết bị làm việc trong công nghiệp cũng như đời sống. Giúp sinh viên có kiến thức
nền tảng về việc vận hành sử dụng thiết bị cũng như sửa chữa để phục vụ cho công
việc và học tập của sinh viên sau khi tốt nghiệp.
Mía đường là sản phẩm quan trọng và có nguồn nguyên liệu dồi dào từ nền nông
nghiệp nước nhà. Để tận dụng hết nguồn lực này cần có các phương pháp khoa học và
tối ưu để tách chiết đường ra khỏi nguyên liệu với mức chi phí thấp nhất. Cô đặc
chính là phương pháp hiệu quả và dễ sử dụng nhất. Cô đặc làm tăng nồng độ đường
lên và giảm lượng nước trong nước mía bằng cách làm bốc hơi nước sử dụng nguồn
hơi đốt là hơi nước bão hòa, với hệ thống cô đặc hai nồi liên tục giúp tăng hiệu quả
năng lượng và phù hợp với yêu cầu về năng suất sản phẩm lớn.
Dung dịch mía đường là nguyên liệu có độ nhớt thấp, lẫn chủ yếu là tạp chất cơ học,
dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao vì thế ta phải xử lý nguyên liệu trước khi cho qua hệ
thống cô đặc, hệ thống cần làm việc dưới nhiệt độ thấp hơn 180 oC để tránh sự phân
hủy của đường, với việc sử dụng hơi nước bão hòa làm hơi đốt giúp tăng hiệu quả
truyền nhiệt và dễ dàng thu hồi, không gây hại đến môi trường.
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía gồm 3 phần chính:
Phân tích đề bài – tìm hiểu và phân tích các yếu tố được giao trước khi đi vào thiết kế
Tính thiết bị chính – tính toán các thông số cần thiết cho thiết bị cô đặc mía đường
Tính thiết bị phụ - tính toán và chọn lựa các thiết bị hỗ trợ cho việc cô đặc như ống
dẫn, tai đỡ, bích ghép,….
Mặc dù bài báo cáo được chuẩn bị trong thời gian khá dài nhưng vẫn còn nhiều thiếu
sót, mong quý thầy cô đọc và phân tích các lỗi sai để em kịp thời sửa chữa và nhận
định đúng về các vấn đề đó.
Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Phong
(E-mail: )

MỤC LỤC


PHÂN TÍCH ĐỀ BÀI............................................................................................1



TÍNH TOÁN THÔNG SỐ.....................................................................................3

A – THIẾT BỊ CHÍNH...................................................................................................3
1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT..........................................................................................3
1.1. Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên..........................................................................3
1.2. Nồng độ dung dịch cho từng nồi.........................................................................3
2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG...................................................................................4
2.1. Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi................................................................................4
2.2. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ...........................................................................4
2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi dung môi
nguyên chất, ∆’.......................................................................................................4
2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, ∆’’.....................................5
2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong ống dẫn, ∆’’’............................5
2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch......................................6
2.4. Tìm lượng hơi đốt và hơi thứ mỗi nồi.................................................................7
2.5. Tính bề mặt truyền nhiệt.....................................................................................9
2.5.1. Lượng nhiệt trao đổi.....................................................................................9
2.5.2. Hệ số truyền nhiệt K....................................................................................9
2.5.3. Tính toán đường kính trong buồng đốt.......................................................13
2.6. Kích thước buồng bốc.......................................................................................14
B – THIẾT BỊ PHỤ.....................................................................................................15
3. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET.......................................................................15
3.1. Lưu lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ......................................................15

3.2. Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi baromet.....................15
3.3. Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ.........................................................16
3.3.1. Đường kính trong.......................................................................................17
3.3.2. Kích thước tấm ngăn..................................................................................17
3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ........................................................................18


3.3.4. Kích thước ống Baromet............................................................................19
3.4. Bơm chân không...............................................................................................21
4. ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN.....................................................................................22
C – TÍNH CƠ KHÍ.......................................................................................................23
5. CHIỀU DÀY THIẾT BỊ..........................................................................................23
5.1. Nồi 1.................................................................................................................23
5.1.1. Buồng đốt...................................................................................................23
5.1.2. Đáy buồng đốt............................................................................................25
5.1.3. Buồng bốc..................................................................................................26
5.1.4. Nắp buồng bốc...........................................................................................27
5.2. Nồi 2.................................................................................................................28
5.2.1. Buồng đốt...................................................................................................28
5.2.2. Đáy buồng đốt............................................................................................28
5.2.3. Buồng bốc..................................................................................................29
5.2.4. Nắp buồng bốc...........................................................................................29
5.3. Vỉ ống...............................................................................................................30
5.4. Hệ thống tai đỡ..................................................................................................31
5.4.1. Khối lượng vật liệu....................................................................................31
5.4.2. Khối lượng thép.........................................................................................31
5.4.3. Khối lượng nước........................................................................................33
5.5. Mặt bích............................................................................................................34
6. TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU............................................................................37
6.1. Tính chiều cao bồn cao vị.................................................................................37

6.1.1. Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu..............................................................37
6.1.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt..................................38
6.1.3. Tổn thất đường ống từ thiết bị trao đổi nhiệt đến vị trí nhập liệu...............38
6.2. Chọn bơm.........................................................................................................39
D – TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................41



1. PHÂN TÍCH ĐỀ BÀI
Số liệu ban đầu:
-

Năng suất nhập liệu: 1.8 (tấn /h)

-

Nồng độ nhập liệu: 6 % khối lượng

-

Nồng độ sản phẩm: 18 % khối lượng

-

Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: 100 mmHg

-

Sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt (áp suất tự chọn, độ ẩm 5%)

-

Loại nồi cô đặc tự chọn

Phân tích
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:
-

Dung môi là nước

-

Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử khác nhau với hàm lượng thấp, chủ yếu là
sacarozơ. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc.

Do đường ở nhiệt độ cao dễ bị phân hủy thành caramen vì thế ta nên cô đặc đường ở
nhiệt độ thấp. Để tận dụng nhiệt và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, ta chọn hệ
thống hai nồi cô đặc liên tục xuôi chiều.
Với năng suất nhập liệu không cao 1800 kg/h và nồng độ yêu cầu sản phẩm thấp
0.18% khối lượng. Chọn thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm để giảm thiểu
năng lượng sử dụng và dễ dàng chế tạo cũng như bảo trì hệ thống.
Các ưu điểm của hệ thống cô đặc hai nồi:
-

Độ chân không nồi hai cao hơn nồi môt, dung dịch sẽ tự di chuyển từ nồi một
sang nồi hai mà không phải tốn năng lượng

-

Nhiệt độ sôi dung dịch của nồi trước cao hơn nồi sau, do đó khi đi từ nồi một

sang nồi hai dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt thải ra này có thể đủ làm
bay hơi một lượng nước, gọi là quá trình tự bốc hơi hay tự sôi.

Ống tuần hoàn trung tâm giúp tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong nồi cô
đặc, vận tốc tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng. Nhưng
do ống tuần hoàn cũng tham gia trao đổi nhiệt nên làm cho vận tốc tuần hoàn giảm.
Muốn hệ làm việc tốt thì phải thiết kế sao cho ống tuần hoàn không trao đổi nhiệt.

1


Sơ đồ quy trình

1- Thùng chứa

5- Thiết bị đun nóng

9- Nước ngưng

2- Bơm

6- Dung dịch vào

10- Sản phẩm cuối

3- Bồn cao vị

7- Hơi đốt vào

11- Nước làm lạnh

4- Lưu lượng kế

8- Hơi thứ

12- Hệ thống paromet

Hình 1: Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều

2


Quy trình làm việc của hệ thống:
Nguyên liệu được bơm từ bồn chứa (1) lên bồn cao vị, sau đó đưa qua thiết bị nung
nóng số (5) thông qua lưu lượng kế số (4). Nguyên liệu sau khi gia nhiệt được đưa vào
nồi cô đặc thứ nhất, tại đây dung dịch được cô đặc lên nồng độ 0.09 % khối lượng, sản
phẩm cô đặc của nồi một tiếp tục đưa vào giữa tháp nồi hai để cô đặc đến nồng độ yêu
cầu, lượng hơi thứ sinh ra ở nồi một sẽ được đưa hoàn toàn qua nồi hai, đóng vai trò là
hơi đốt. Sản phẩm cô đặc ở đáy tháp được bơm ra ngoài tồn trữ, sản phẩm đỉnh là
lượng hơi thứ sinh ra sẽ được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ Baromet. Nước ngưng sẽ
được tuần hoàn sử dụng làm hơi đốt hoặc thải bỏ.
Quy ước ký hiệu
Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:
Ví dụ: [3 – 125] tức là tài liệu tham khảo số 3 trang 125

3


2. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ
A – THIẾT BỊ CHÍNH

1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1.1. Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên
Chọn thời gian hoạt động là 1 giờ
Cân bằng vật chất tổng quát:
Gđ = Gc + W , kg/h
Gđ, Gc, W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ, kg/h
Ta có Gđ = 1800 kg/h (đề bài)
Với

xđ = 0.06
xc = 0.18

Suy ra:

W = Gđ (1- xđ/xc) = 1800(1-1/3) = 1200 kg/h

1.2. Nồng độ dung dịch cho từng nồi
Giả sử lượng hơi thứ cho từng nồi:
W1 = W2 = W/2 = 600 kg/h
Nồi 1:
G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ, kg/h
Cân bằng vật chất tổng quát:
G1 = Gđ – W1 = 1800 – 600 = 1200 kg/h
Cân bằng vật chất đối với cấu tử khô:
G1x1 = Gđxđ
x1: nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng)
x1 = Gdxd/G1 = 0.09 = 9%
Nồi 2:
Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 chính là nồng độ sản phẩm cuối
x2 = xc = 0.18 = 18%

4


2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
2.1. Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
Theo như đề bài
-

Png = 100 mmHg = 0.136 at ứng với nhiệt độ 51.14oC

-

Chọn áp suất hơi đốt: PHD = 1.2 at ứng với nhiệt độ tHD = 104.2oC

Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống:
∆P = PHĐ – Png = 1.2 – 0.136 = 1.064 at
Giả sử phân bố áp suất cho 2 nồi như sau:
Phân bố áp suất hơi cho từng nồi
Hơi đốt

Hơi thứ nồi 1

Hơi thứ nồi 2

PD, at

tD, oC

P1, at

t1, oC

P2, at

t2, oC

1.2

104.2

0.5

80.9

0.136

51.54

Giả sử này được chấp nhận khi hiệu số nhiệt độ hữu ích giả thuyết và tính toán sai
lệch nhau không quá 5%
2.2. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ
2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi dung môi
nguyên chất, ∆’
Đó chính là hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên
chất ở áp suất ở áp suất bất kỳ.
∆’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô:
∆’ = ∆0’ f = tsdd – tsdm , độ
Với

[2 – 59]

∆0’ – tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường
f – hệ số hiệu chỉnh
tsdd – nhiệt độ sôi dung dịch, độ
tsdm – nhiệt độ sôi dung môi, độ

∆’ tra từ , do cô đặc tuần hoàn có dung dịch nên tra theo
nồng độ cuối và ứng với nhiệt độ hơi thứ:
5


Nồi 1: Nhiệt độ hơi thứ ở 80.9oC, nồng độ cuối 0.09% → ∆1’ = 0.08
Nồi 2: Nhiệt độ hơi thứ ở 51.54oC, nồng độ cuối 0.18% → ∆1’ = 0.366
2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, ∆’’
∆” = ttb – t0 , độ
ttb, t0 – nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất Ptb, P

[2 – 60]

0
[2 – 60]

Ptb – áp suất thủy tỉnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc, N/m2
P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2
h1 – chiều cao dung lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch, m
h2 – chiều cao ống truyền nhiệt, m
ρdds – khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, ρdds = pdd/2 , kg/m3
g – gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s2
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

Nồi

x

G, kg/h

P0, at

tht

Ptb ,at

ts tb

delta '

delta ''

1

0.09

1200

0.5

80.9

0.551

83.2

0.08

2.3

2

0.18

600

0.136

51.54

0.186

58.87

0.366

7.33

2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong ống dẫn, ∆’’’
Thường chọn ở mỗi nồi từ 1 – 1,5 oC

[2 – 67]

Chọn ∆1’’’ = ∆2’’’ = 1oC

Tổng tổn thất nhiệt độ
Nồi

∆’

∆”

∆’’’

∑∆

1

1.05

1

2.13

2

0.08
0.37

6.13

1

7.50

Tổng

0.45

7.18

2

9,63

2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình
của dung dịch.
6


Hiệu số nhiệt độ hữu ích chung của toàn hệ thống:
∆thi = ∆tch – ∑∆ , độ

[2 – 67]

∆tch – hiệu số nhiệt độ chung, là hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt tD của nồi 1 và nhiệt độ
hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ tng
Suy ra:

∆tch = tD – tng = 104,2 – 51,54 = 52,66 oC

Vậy

∆thi = 52,66 – 9,63 = 43,03

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi
Ở mỗi nồi thì:

∆thi = T - ttb

T – nhiệt độ hơi thứ mỗi nồi
ttb – nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi
Nồi

Nhiệt độ hơi đốt, oC

Nhiệt độ sôi dung
dịch, oC

Hiệu số nhiệt độ
hữu ích, oC

1

104.2

83.2

21.00

2

80.9

58.87

22.03

Có nhiều phương pháp phân bố nhiệt độ hữu ích.
Chọn phương pháp phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các nồi bằng nhau,
khi đó đối với 1 nồi hơi thứ bất kỳ:
[4 – 155]

Điều kiện này sẽ được kiểm tra sau khi tính hệ số truyền nhiệt K để so sánh với giả
thiết nêu trên.

7


2.4. Tìm lượng hơi đốt và hơi thứ mỗi nồi
Giả thiết:
-

Toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2

-

Không có tổn thất nhiệt ra môi trường

-

Bỏ qua nhiệt khử nước.

Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0oC

Hình 2: Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng hệ thống cô đặc hai nồi
Các phương trình cân bằng năng lượng
Nồi 1:
D( iđ – Cn1θ1)(1 – φ) = G1C1Ts1 – GđCđTđ + W1i1
Nồi 2:
W1( i1 – Cn2θ2) = G2C2Ts2 – G1C1T1 + W2i2
Trong đó:
D – khối lượng hơi đốt cho nồi 1 trong 1 giờ, kg/h
W1 , W2 – khối lượng hơi thứ cho nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h
Gđ , G1 , G2 – khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h
Cđ , C1 , C2 – nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 , J/kg.độ
8


Tđ , T1 , T2 – nhiệt độ dung dịch ban đầum ra khỏi nồi 1, nồi 2 , oC
iđ , i1 , i2 – enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1 và hơi thứ nồi 2, J/kg
Cn1 , Cn2 – nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ
θ1, θ2 – nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2, oC.
Các thông số trong từng nồi

83.2

Cdd
kJ/kg.độ
3.982

Cnc
kJ/kg.độ
4.190

i’’nc
kJ/kg
2646

G
kg/h
1200

rHD
kJ/kg
2249

58.87

3.7758

4.186

2592

600

2307

Nồi

Ts dd

1

2

tHD, oC
104.2
80.9

Từ giả thiết ban đầu W1 + W2 = 1200 và 2 phương trình trên ta có:
D = 618,42 kg/h
W1 = 577,19 kg/h
W2 = 622,81 kg/h
Kiểm tra lại kết quả tính toán lượng hơi thứ với công thức sau:

Nồi

Cdd
kJ/kg.độ

Cnc
kJ/kg.độ

1

3.982

4.190

W, kg/h
Nhiệt độ
nước ngưng Giả thuyết Tính toán
104.2

Sai số
%

600

577.19

3.9

80.9
600
3.7758
4.186
Ta thấy W1 < W2 là do hiện tượng tự sôi của dung dịch

622.81

3.6

2

Vậy, giả thiết ban đầu được chấp nhận.
Nhận xét:
 D/W1 = 1,071. Dùng 1,071 kg hơi đốt để bốc hơi 1 kg hơi thứ nồi 1 là chấp
nhận được
 D/W = 0,515. Hệ thống 2 nồi dùng 0,515 kg hơi đốt để bốc hơi được 1 kg hơi
thứ, xét về mặt năng lượng thì lợi ích gấp đôi.

9

2.5. Tính bề mặt truyền nhiệt
2.5.1. Lượng nhiệt trao đổi
Q = D.r.(1-φ), W

[5 – 115]

r – ẩn nhiệt ngưng tụ hơi đốt, J/kg
φ – độ ẩm hơi nước
Nồi
1
2

tHD,
o

C
104.2
80.9

rHD
kJ/kg
2249
2307

D, kg/h

QD, kJ/h

QD, W

618.42
577.19

1390822 386339.3
1331577 369882.6

2.5.2. Hệ số truyền nhiệt K
[5 – 115]
qtb – nhiệt tải riêng trung bình, W/m2
∆thi – hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, oC
2.5.2.1. Nhiệt tải riêng trung bình
[5 – 116]

Hình 3: Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch

10


q – nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m2
q1 – nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2
q2 – nhiệt tải riêng về phía dung dịch sôi, W/m2
tbh – nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, oC
tdds – nhiệt độ sôi dung dịch, oC
tw1 , tw2 – nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, oC
∆t1 = tbh – tw1 , oC
∆t2 = tw2 – tdds , oC
∑r – tổng nhiệt trở của thành ống đốt, m2.độ/W
α1 , α2 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, W/m2.độ

Ta có:

q1 = α1∆t1
q2 = α2∆t2
Theo lý thuyết:

q = q1 = q2

Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử ∆t1 để tính nhiệt tải riêng, sau đó
kiểm tra lại bằng cách so sánh q1 và q2. Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấp nhận
giả thiết.
2.5.2.2. Tổng nhiệt trở của thành ống đốt
∑r = r1 +δ/λ + r2 , m2.độ/W
r1 – nhiệt trở trung bình của hơi nước, r = 0,464*10-3 m2.độ/W

[2 – 3]
[2 – 4]

r2 – nhiệt trở trung bình của lớp cặn bẩn, r2 = 0,387*10-3 m2.độ/W
δ – chiều dày thành ống đốt, m
λ – hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng đồng hợp kim (60Cu-40Ni) có bề dày 2mm,
đường kính ngoài 80 mm, đường kính trong 78 mm. Có λ = 26,8 W/m.độ.
Suy ra:

∑r = r1 +δ/λ + r2 = 0,464*10-3 + 0,002/26,8 + 0,387*10-3 = 0,000917
11


2.5.2.3. Hệ số cấp nhiệt α1 và α2

a/ Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1, W/m2.độ
Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trên bề mặt
đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

[2 – 28]
A – hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

[2 – 28]

tm = 0,5 (tbh + tw1)
tbh – nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt, oC
tw1 – nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ, oC
∆t1 = tbh – tw1
H – chiều cao ống, m
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ W/m2.độ
Nồi
1
2

rHD
kJ/kg
2249

tHD,

tw1

tm

∆t1

103.16
79.86

103.680

1.040

α1
q1
2
W/m .độ
W.m2
180.280 13474.77 14013.76

80.379

1.043

164.260 12346.90 12877.82

o

C
104.2

2307
80.9
b/ Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi

A

Trường hợp dung dịch sôi (dung môi là nước) và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ
số cấp nhiệt được tính theo hệ số cấp nhiệt của nước αn như sau:
[2 – 71]
Với: dd biểu thị cho dung dịch, n biểu thị cho nước
λ – hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ
ρ – khối lượng riêng, kg/m3
C – nhiệt dung riêng, J/kg.độ
µ - độ nhớt động lực học, Ns/m2
Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2 – 100 at được
tính theo công thức:
12


αn = 45,3(∆t2)2,33 p0,5 , W/m2.độ

[5 – 44]

∆t2 = tw2 – tdds, oC
p – áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (áp suất hơi thứ), at
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức:
[2 – 123]
A – hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, đối với nước A = 3,58*10-8
Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ
ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
M – khối lượng mol
Do qw = q1 → ∆tw = tw1 – tw2 = qw ∑r = q1∑r
Tính toán giá trị hệ số cấp nhiệt của nước
Nồi

P0, at

q1

tw1

tw

tw2

∆t2

1

0.5

14013.76

103.68

90.315

7.115

2

0.136

12877.82

80.379

12.8
11.18

αn ,
W/m2.độ
3098.097

68.053

9.183

2928.225

độ nhớt
N.s/m2

α2
W/m2.độ

q2
W/m2

So với
q1

0.40161 0.000476
0.67454 0.000334

2008.25

14287.9

2.0%

0.31653 0.000965
0.64779 0.000541

1467.02

13471.38

4.6%

Suy ra hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi
p dd
kg/m3

Cdd
J/kg.độ

dd

1013.491

3982

Nước

972

4190

dd

1006.4

3719.5

Nước

987.384

4186

Nồi
1
2

lamda
W/m.độ

13


Hệ số truyền nhiệt theo từng nồi
Nồi

qtb

∆thi

K

Q/K

∆thi tính

21.00

QHD,
W
386339.3

673.849

544.666

20.42

F,
m2
28.07

1

14150.83

2

13174.60

22.03

369882.6

598.030

618.502

22.03

28.07

Vậy điều kiện bề mặt truyền nhiệt của 2 nồi bằng nhau được thỏa mãn, Với F thực tế
lớn hơn so với lý thuyết 10%. Chọn F thực tế là F = 32 m2
Khi đó, số ống truyền nhiệt được tính như sau

Tra chuẩn được n = 127 ống.
Trong đó ống truyền nhiệt trung tâm chiếm 15% tổng số ống tương đương 23 ống
Vậy số ống truyền nhiệt thực tế là n = 104 ống
2.5.3. Tính toán đường kính trong buồng đốt
Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính như sau:
[2 – 74]
Với: β = 1,3 – 1,5
t - bước ống, t = β.dn
dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m
� - hệ số sử dụng lưới đỡ ống thường từ 0,7 – 0,9

L – chiều dài ống truyền nhiệt, m
dth – đường kính ngoài của ống tuần hoàn, m
Suy ra:

Vậy đường kính trong của 2 nồi là Dtr = 1.46 m
Chọn Dtr = 1.5 m
14


2.6. Kích thước buồng bốc
Đường kính buồng bốc:
[2 – 72]
Vkg/h: thể tích không gian hơi, m

3
[2 – 71]

Với

W - lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

Utt – cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích
hơi nước bốc lên trong một đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trên một đơn vị
thời gian), m3/m3h
Ở áp suất thường, Utt = 1600 – 1700 m3/m3h, áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến
Utt. Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1at nên ta có thể chọn U tt
= 1700 m3/m3h
ρht - khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3
Hkgh – chiều cao không gian hơi.
Ta chọn chiều cao không gian hơi Hkgh = 2.5 m, khi đó đường kính buồng bốc được

tính:
Nồi

tht

Pht

1
2

80.9
51.54

0.5
0.136

ρht ,
kg/m3
0.3027
0.08272

Utt
1700
1700

W,
kg/h
577.19
622.81

V, m3

Dbb, m

1.122
4.429

0.756
1.502

Đường kính buồng bốc thường lớn hơn buồng đốt không quá 0,6 m. Ta chọn đường
kính nồi 2 làm đường kính chung cho 2 buồng bốc của 2 nồi. Làm tròn Dbb = 1.6 m
Vì dung dịch chiếm 0,4 m chiều cao buồng bốc nên tổng chiều cao tối thiểu của buồng
bốc sẽ là:
Hbb = Hkgh + h1 = 2.5 + 0.4 = 2.9 m
Vậy ta có:

Hbb = 2.9 m
Dbb = 1.6 m
15


B – THIẾT BỊ PHỤ
3. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET
3.1. Lưu lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ

[2 – 84]
Gn – lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s
W – lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s
i – hàm nhiệt của hơi ngưng tụ, J/kg

t2đ, t2c – nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối của nước lạnh, oC
Cn – nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ
Ở đây W = W2 = 622.81 kg/h = 0.1718 kg/s
Giả sử t2đ = 25oC, t2c = 43oC suy ra t2tb = 34oC
Cn (34oC) = 4178 J/kg.độ
i (51.54oC) = 2592000 J/kg

3.2. Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi baromet

Với

Gk = 0.000025W + 0.000025Gn + 0.01W
= 0.000025 x 0.1718 + 0.000025 x 5.51 + 0.01 x 0.1718
ρk = 1,25 kg/m3

Suy ra:

16


3.3. Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ

Hình 4: Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet
1- cửa vào nước lạnh

4- cửa hơi vào

2- ống thông với thiết bị thu hồi

5- ống Baromet

3- tấm ngăn

17


3.3.1. Đường kính trong

[2 – 84]
W – lượng hơi ngưng tụ, W = 0.1718 kg/s
ρh – khối lượng riêng của hơi ngưng ở 51.54oC, ρh = 0.08272 kg/m3
ωh – tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s
Thiết bị ngưng tụ làm việc ở áp suất 0.136 at nên có thể chọn ωh trong khoảng 5535m/s.
Chọn ωh = 40 m/s
Suy ra:

Lấy tròn Dba = 0.4 m
3.3.2. Kích thước tấm ngăn
Tấm ngăn dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn được
xác định như sau:
[2 – 85]
Dba – đường kính trong thiết bị ngưng tụ, Dba = 400 mm
Suy ra:

b = 250 mm

Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ, giả sử nước làm nguội là nước bẩn thì đường kính
các lỗ bằng 5 mm
Tổng diện tính bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ là:
[2 – 85]

Gnc – lưu lượng nước, m3/s
Ở nhiệt độ trung bình 34oC thì khối lượng riêng của nước là 994 kg/m3
18


Gnc = 5.51 kg/s = 5.54.10-3 m3/s
ωc – tốc độ của tia nước, m/s
Chọn chiều cao gờ của tấm ngăn là 40mm thì ωc = 0.62 m/s. Suy ra

Chiều dày tấm ngăn chọn 4mm
Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước lỗ được xác định theo công thức:

Với

d – đường kính lỗ, d = 5mm

fe/ftb – tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ với tổng diện tích tiết diện của
thiết bị ngưng tụ, thường từ 0.025 – 1. Chọn bằng 0.1

3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ
Mức độ đun nóng nước được xác định theo công thức [2 – 85]

Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 5mm, tra bảng VI.7 [2 – 86] ta có:
Số ngăn: 8
Số bậc: 4
Khoảng các trung bình giữa các ngăn: 400 mm
Tra bảng VI.8 [2 – 88] Với đường kính trong Dba = 0.315 m, ta có những kích thước
cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet sau: (đơn vị mm)
Chiều dày thành

S

5

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến đáy

a

1300

Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy

P

1200

Bề rộng của tấm ngăn

b

Khoảng cách giữa tâm thiết bị ngưng tụ với thiết bị thu hồi

K1

675

Chiều cao của hệ thống thiết bị

H

4300

19


Chiều rộng của hệ thống thiết bị

T

1300

Đường kính thiết bị thu hồi

D1

400

Chiều cao thiết bị thu hồi

h

1400

Hơi vào

d1

300

Nước vào

d2

100

Hỗn hợp khí và hơi ra

d3

80

Nối với ống Baromet

d4

125

Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi

d5

80

Hỗn hợp khí và hơi ra khỏi thiết bị thu hồi

d6

50

Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet

d7

50

Ống thông khí

d8

Đường kính các cửa ra và vào

Vậy chiều cao hữu ích của thiết bị là
Hhi = 4.3 m
3.3.4. Kích thước ống Baromet
Đường kính trong:

[2 – 86]
W – lượng hơi ngưng, kg/s
Gn – lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s
ω – tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống Baromet, m/s
Chọn ω = 0.6 m/s

Chiều cao ống Baromet:
H = h1 + h2 + 0.5
 h1 được tính như sau:

h1 = 10.33pck/760 , m

pck – độ chân không trong thiết bị ngưng tụ: pck = 760 -735.6png = 659.96 mmHg
Suy ra: h1 = 8.97 m

20