THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC,
NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 10 TẤN/H.

Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN HỮU QUYỀN
Sinh Viên Thực Hiện:
Trần Anh Thư

2005140570

Nguyễn Phạm Như Quỳnh

2005140472

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11, NĂM 2017
1



LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Công
nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, tập thể các thầy cô giảng dạy ở khoa công nghệ
thực phẩm đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong
quá trình học tập tại trường. Đặc biệt hơn nữa chúng em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu
Quyền, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý trong quá trình chúng em hoàn thành
Đồ án Kỹ thuật thực phẩm này.
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 chúng em được hoàn
thiện hơn. Chúng em xin cảm ơn rất nhiều.

3


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

4


DANH MỤC BẢNG

LỜI MỞ ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Kỹ Thuật Thực
Phẩm là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ thực
phẩm và hóa học. Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông
qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể,
thông dụng.
“Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 10000
kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Nguyễn Hữu Quyền, bộ môn Kỹ
Thuật Thực Phẩm , trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP. Hồ Chí Minh.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về ngành mía
5


đường cũng như quá trình cô đặc, 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.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA
I.

Giới thiệu tổng quan
Đường đã từng là một mặt hàng xa xỉ vào giai đoạn cuối thế kỉ XV đầu thế kỉ XVI tính
đến nay ngành sản xuất đường là một trong những ngành công nghiệp chế biến nông sản lâu
đời nhất trên thế giới. 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 sự nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản
phẩm.
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 và
nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu,..

6


Để tạo ra các sản phẩm đường có phẩm chất như mong muốn thì vấn đề công nghệ là
yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm. Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng
loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu,... Tất cả đều phải được tính toán một
cách chi tiết để hạn chế rủi ro trong quá trình vận hành.

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 và cấp bách.
Trong đó thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây
là thành phần không thể xem thường.
II.

Nguyên liệu và sản phẩm cuả quá trình
1. Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
− Dung môi: nước
− Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp và chiếm chủ yếu là đường
saccaroze. Các cấu tử này coi như không bay hơi trong quá trình cô đặc.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít. Tuy nhiên trước khi cô đặc
2.
−
−
3.

nồng độ đường thấp 6 – 10% khối lượng
Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch gồm:
Dung môi: nước
Các chất hòa tan: có nồng độ cao
Các biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đối không
ngừng

3.1 Biến đổi tính chất vật lý

Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch

−
−

thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổ thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ

sôi,..
3.2 Biến đổi tính chất hóa học
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit của các
cấu tử tạo thành các acid.
Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca

2+

ít hòa tan nồng độ cao, phân

hủy muôi hữu cơ và tạo kết tủa.
Phân hủy chất cô đặc.
7


Tăng màu do xảy ra phản ứng caramen, phân hủy đường khử, tác dụng tương hổ giữa
các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
Phân hủy một số vitamin
3.3 Biến đổi sinh học
Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao).
Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nhiệt độ cao
III.
Giới thiệu về quy trình công nghệ

1. Cô đặc và quá trình cô đăc
1.1 Định nghĩa:
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai
hay nhiều cấu tử. Quá trình cô dặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch
nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay
hơi hơn). Đó là các quá trình vật lí – hóa lí.
1.2 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 của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng
chất lỏng.
Phương pháp lạnh : khi hạ thấp nhiệt độ đến mốt mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra
dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.
Tùy tính chât cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng leen mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó
xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
2. Các thiết bị cô đặc nhiệt
2.1 Phân loại
2.1.1 Theo cấu tạo
-

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể
cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền
nhiệt. Bao gồm:

+
+

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

-

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này
dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm
chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt
cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
8


+
+

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

-

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung
dịch chảy dạng màng 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. Đặc biệt thích hợp cho các dung
dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:

+
+

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

vỡ.
2.1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình

− Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng
trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và
thời gian cô đặc ngắn nhất.
− Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch
tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.
− Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm
giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp
hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng
cao hiểu quả kinh tế.
− Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động nhưng
hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có
hoặc không có ống tuần hoàn. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có
thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
2.2
+
+
+
+
2.3
+
+
+

Thiết bị chính
Ống nhập liệu, ống tháo liệu.
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp.
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.
Thiết bị phụ

Bể chứa nguyên liệu
Bể chứa sản phẩm
Bồn cao vị
9


+
+
+
+
+
+
+
+
+
3.

Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ baromet.
Bơm nguyên liệu và bồn cao vị.
Bơm tháo liệu.
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.
Bơm chân không.
Các van.
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất...
Lựa chon thiết bị cô đặc dung dịch mía đường
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa
chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung
tâm.

Mục đích

-

Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị,
đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy.
Ưu điểm
-

Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong
thiết bị.

-

Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.

-

Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.

Nhược điểm:
-

Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.

-

Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.

-

Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
10


-

Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Phân bố hơi đều.
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.

 Sơ đồ.

Hình 1: Sơ đồ hệ thống cô đặc nước mia một nồi liên tục


Chú thích:

1.Bồn cao vị
.

2.Thiết bị gia nhiệt

8.Thuyết minh sơ đồ.
9. Thiết bị phân li

3.Lưu lượng kế

10. Bơm chân không

4.Nồi cô đặc

11. Bồn chứa nước ngưng

5.Cửa nhập liệu

12. Bơm sản phẩm
11


6.Áp kế

13. Bồn chứa sản phẩm

7.Thiết bị ngưng tụ Baromet

14.Bơm nhập liệu



Mô tả sơ đồ hệ thống

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu (13) được bơm nhập liệu (14) bơm lên bồn cao vị

(1) để ổn áp. Từ bồn cao vị (1), dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế (3) đi vào thiết bị
gia nhiệt sơ bộ (2) và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ (2) là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt
thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ống
được hàn dính vào thân. Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng
tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên
nhiệt độ sôi. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ).
Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống
Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc (4) để thực hiện quá trình bốc
hơi. Trong nồi cô đặc (4), dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không. Hơi thứ
bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet (7), ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài
bồn chứa nước ngưng (10), phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo
bơm chân không (9) ra ngoài. Sản phẩm đặc được bơm (11) đưa đến bồn chứa sản phẩm
(12).
 Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc



Cấu tạo thiết bị.

12


Hình 2: Cấu tạo nồi cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt (1), gồm có các các ống truyền nhiệt (2) và một ống
tuần hoàn trung tâm (3). Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong
khoảng không gian ngoài ống.
Phía trên buồng đốt (1) là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là buồng
bốc (4). Trong buồng bốc (4) có bộ phận tách những giọt lỏng (5) do hơi thứ mang theo.

13


Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc (4) rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt (2)
và ống tuần hoàn trung tâm (3), hơi đốt được đưa vào buồng đốt (1). Dung dịch được đun
sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt (2), khối lượng riêng của dung
dịch giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống.
Trong ống tuần hoàn (3), thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn
hơn so với ống truyền nhiệt (2) do đó lượng hơi tạo ra ít hơn. Vì vậy khối lượng riêng của
hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt (2). Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên
xuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt (2) lên trên và trở lại ống tuần hoàn (3) tạo nên
dòng tuần hoàn tự nhiên.
Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc (4), hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên
qua bộ phận tách giọt (5). Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi
thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ
yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một
lượng dung dịch thiết bị.

.

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I.

Dữ liệu ban đầu
Dung tích đường mía
14


Nồng độ nhập liệu xđ = 20% (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng)

Năng suất nhập liệu Gc = 10 tấn/h = 10000 kg/h
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,76 at
⇒Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,76 = 0,24 at.
− Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 2,0 ati.
−
−
−
−

Vậy Pdư = 2,0at
⇒Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,0 = 3,0 at.
− Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC
II.

Cân bằng vật chất
1. Suất lượng nhập liệu (Gd)
Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:
Gđ.xđ = Gc.xc
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
Gđ = G c + W
⇒ W = Gđ – Gc = 10000 – 5000 = 5000 (kg/h)
-

III. Tổn thất nhiệt độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,24 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Nhiệt độ sôi (0C)

Áp suất tuyệt đối (at)
0,2
0,3

59,7
68,7

⇒ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 63,30C.
-

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ.

-

Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296 [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm( P0) – tc =
Trong đó
tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng).
Mà tsdm( P0) =+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)
15


 tsdm( P0) = 63,3+1 =64,3 0C
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ (0C)
60
65

Áp suất (at)

0,2031
0,2550

Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 64,30C
P0 0,248 at
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’)
Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có:
’ ’

=

[0C]

Trong đó:
’
’

: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.

f : hệ số hiệu chỉnh
f = 16,2.
Với
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K].
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất(at)
0,2
0,3

R
2358
2336

Tại P0 = 0,248at. Ta nội suy được: R = 2348,07 (J/Kg)

16


Với nồng độ cuối của dung dịch là 40% thì ’=1,3 ( vì khi cô đặc có tuần hoàn dung
dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch - Tra
theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] ).
’

= f.’= 0,7813.1,3 = 1,01 oC

Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (’ ) là 1,010C.
⇒ tsdd(po)= tsdm(po) +∆’=64,3+ 1,01= 65,310C
1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

∆p=Hop N/m2
Trong đó:
ρs : trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m3
ρs=0,5. ρdd
ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Hop: chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát của mực chất lỏng
Chọn tsdd. (p0+∆p) = 67oC, C% = xc = 40%, ta có = 1179,4 kg/m3( trang 60 [1])
⇒ ρs=0,5. 1179,4 = 589,7
⇒ Hop= [0,26+ 0,0014. ( pdd+ )]. ho

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2])
- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 670C
Tra bảng I.249 trang 311, [1], = 979,42 kg/m3
Hop= [0,26+ 0,0014. ( 1179,4 − 979,42)]. 1,5 = 0,810 m
∆p = . 589,7. 9,81.= 0,0239N/m2
⇒ ptb=p0+ ∆p= 0,248+ 0,0239= 0,272 at
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
17


Áp suất (at)
0,2
0,3

Tsdm
59,7
68,7

Tại ptb=0,272at. Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) = 66,180C
Ta có:
∆’’ = tsdm(p0+∆p) − tsdm(p0) = 66,18− 64,3 = 1,880C
∆’’= tsdd(p0+∆p) − tsdd(p0)
⇒ tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 65,31 + 1,88 = 67,19oC
Sai số chấp nhận. Vậy tsdd(ppt) = 670C
Sản phẩm lấy ra ở tại đáy ⇒ tsdd(p0+2∆p) = 65,31+ 2.1,01 = 67,330C
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 1,01 +1,88 +1 = 3,890C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3at, t D = 132,90C (bảng I.251,
trang 315, [1]).

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
Δthi = tD – (tc + ΣΔ)
⇒ Δthi = 132,9 – 63,3 – 3,89 = 65,860C
IV.

Cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD)
Theo , ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt

(công thức VI-3, trang 57, [2])

Trong đó:
18


Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W.
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W.
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.
Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qđ)
trang 57:
Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ)

( trang 57, [2]) (1)

Trong đó:
Gđ =10000 kg/h
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ.
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ

(công thức I.50, trang 153,[1])

o
Ở t = 30 C, x = 20% thì:
C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,2
C1 = 3732,45 J/kg.độ.

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 20%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang 60
[2]

0

C

Mà (tại áp suất P0)
0

•

C

Ở t = 64,5340C, x = 40% thì:
C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 64,534).0,4
⇒ C2 = 3379,09 J/kg.độ
19


⇒ Ctb = = = 3555,771 J/kg. độ

Thay tất cả vào (1) ta được:
⇒ Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ)= 10000.3555,71.(64,534-30)= 1,228. 109 (J/h)



(2)

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Qbh = W. r = 5000. 2348,07.103 = 1,174.1010 (J/h)

(4)

Trong đó:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = Gđ.(1- xđ/xc) = 5000 kg/h
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,248 at, J/kg
Tra bảng I.251, trang 314 [1]
Áp suất (at)
0,2
0,3

r. 10-3 (J/kg)
2358
2336

Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2348,07. 10-3 (J/kg).
 Nhiệt lượng dùng để khử nước ( Qkn)

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4, trang 57:

Trong đó:
: nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng
ban đầu của quá trình cô đặc, W
: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W.
Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua

(5)

20


 Nhiệt lượng tổn thất (Qtt)

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295:
Chọn Qtt = 5%. QD

(6)

Thay (3), (4), (5) và (6) vào (1), ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt
QD = 1,228.109 + 1,174.1010 + 5%. QD
⇔ (1 – 0,005). QD = 1,2968.1010
⇔ QD = 1,303.1010 (J/h) = 3619444,4 (J/s)

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 3691444,4 J/s
 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức VI.6a, trang 57, [2], ta có:

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc :
=6001,56 (kg/h)
Trong đó:
: nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc. = 1,303.1010 (J/h)
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3.1at, r= 2171.103 J/Kg ( tra bảng I.251,
trang 315, [1]).


Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:
Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,200 kg hơi đốt.
Tổng kết các thông số về cân bằng vật chất và năng lượng
Thông số

Kí hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ đầu

xđ

%wt

20

Nồng độ cuối

xc

%wt

40

Gđ

Kg/h

10000

Năng suất nhập liệu

21


Năng suất tháo liệu

Gc

Kg/h

5000

HƠI THỨ
Suất lượng

W

Kg/h

5000

Áp suất

P0

At

0,248

tsdm (P0)

0

64,3

Nhiệt độ

C

HƠI ĐỐT
Áp suất
Nhiệt độ
Lượng hơi đốt dùng
cho cô đặc
Lương hơi đốt tiêu
tốn riêng

Nhiệt lượng tiêu thụ
cho quá trình cô đặc

PD

At

3

tD

0

C

132,9

D

Kg/h

6001,56

Kg hơi đốt/kg
hơi thứ.

D
QD

W

1,200
1,188 .1010

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của
0
tsdd (P0)
C
65,31
dung dịch P0
Tổn thất nhiệt độ do
0
Δ’
C
0,234
nồng độ
Tổn thất nhiệt độ do
0
Δ’’
C
4,78
cột thủy tĩnh
Tổn thất nhiệt độ
0
Δ’’’
C
1,88
trên đường ống
Tổng tổn thất nhiệt

0
ΣΔ
C
3,89
độ
Chênh lệch nhiệt độ
0
Δthi
C
65,86
hữu ích
Bảng 1: Tổng kết các thông số cân bằng vật chất và năng lượng
V.

Tính toán truyền nhiệt
1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)

Theo công thức V-101, trang 28, [2]:
Ta có:

(1)

Với :
Trong đó:
3
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at, r = 2171.10 J/kg (tra bảng
22


I.251,trang 315,[2]).

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 1,5 m
A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm
Với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.
A: tra bảng trang 29,[2].
2
α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m .độ
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 126,40C
⇒ = 129,650C
Tra A ở [2] trang 28:
tm, 0C
A

100

120

140

179

188

194

⇒ A = 190,8950C
∆t1 = tD – tv1 = 132,9 – 126,4 = 6,50C
⇒ W/(m2.K) (1)
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1 = α1.Δt1 =8459,38.6,5=54985,97 W/m2.
2. Nhiệt tải riêng của dung dịch (q2 )

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình
cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các
bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.
Theo công thức VI.27, trang 71, [2]:
23


(*)
Trong đó :
: hệ số cấp nhiệt của nước.
(2)
(công thức V.90, trang 26, [2])
p= 0,248 at= 24328,8 N/m2
: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C
Cdd, Cn :nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước, J/Kg.độ
, : độ nhớt của dung dịch và của nước, N.s/m2
,: khôi lượng riêng của dung dịch và của nước, kg/m3
,: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và của nước, w/m.K
Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314. [1]
Nồng độ
40%

ρdm
980,08

Cdm
4183,62

µdm

λdm

0,428.10-3

66,48.10-2

Các thông số của dung dịch
ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59,60. [1]
µdd: tra bảng 9, trang 16, [8]
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường
C= 4190 – ( 2514 – 7,542t). x ; J/kg.độ
Trong đó:
+ t: nhiệt độ của dung dịch, 0C
+ x: nồng độ của dung dịch, %
( công thức I.50, Sổ tay tập 1, trang 153) [1])


Ở tsdd(ptb) = 66,180C, xc= 40% :
24


Cdd= 4190 – (2514 – 7,542. 66,18). 0,4= 3384,05 J/(kg.K)


λdd: Theo công thức I.32 Sổ tay tập 1, trang 123 [1]
Trong đó:
+ A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết,

A = 3,58.10-8

+ M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp đường saccharose
(C12H22O11) và H2O.
M = a.M(C12H22O11) + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol
a – phần mol của đường saccharose (C12H22O11).
Xem nồng độ đường saccharose (C12H22O11) trong dung dịch là 40% (xc)
⇒ a = = = 0,034
⇒ M = 0,034.342 + (1 – 0,034).18 = 29,02 kg/kmol

Số liệu theo nồng độ dung dịch
Nồng độ
40%

ρdd
1179,4

Cdd
3384,05

µdd
1,715.10-3

λdd
0,491

Thay các số vào (2)

⇒ α2 = 0,494 αn.

(3)9

3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv )

(4)
Trong đó
25