Báo cáo đồ án Công nghệ thực phẩm Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000kgh

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

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
Đề tài:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA
MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP
LIỆU 8000Kg/h
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN
SVTH: NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC
MSSV: 2005140345
MAI THANH PHÚC
MSSV: 2005140414
LỚP:

05DHTP1

TP.HCM, tháng 12 năm 2017


GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... 6
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................................7
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.......................................................................8
LỜI MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG.................................................10
1.

Giới thiệu chung...................................................................................................10

2.

Nguyên liệu và sản phẩm......................................................................................10

3.

4.

2.1.

Đặc điểm nguyên liệu...................................................................................10

2.2.

Đặc điểm sản phẩm.......................................................................................11

2.3.

Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm..........................................................11

2.4.

Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm.................................................................12

Cô đặc và quá trình cô đặc...................................................................................12

3.1.

Định nghĩa cô đặc.........................................................................................12

3.2.

Bản chất của sự cô đặc.................................................................................12

3.3.

Ứng dụng của cô đặc....................................................................................12

3.4.

Các phương pháp cô đặc..............................................................................13

3.5.

Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc:...............................................13

Các thiết bị cô đặc................................................................................................13
4.1.

Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt)...............13

4.2.

Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm.....................................15

4.3.

Các thiết bị và chi tiết...................................................................................15

4.4.

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng..........................................................16

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC................................17
1.

Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục..............................................................................17
1.1.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc.......................................................17

1.2.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet.....................................18

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

3


1.3.
2.

Hoạt động của hệ thống................................................................................19

Thao tác vận hành................................................................................................20

2.1.

Chuẩn bị.......................................................................................................20

2.2.

Vận hành.......................................................................................................20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH..........................................21
1.

2.

3.

4.

5.

Cân bằng vật chất và năng lượng.........................................................................21
1.1.

Dữ kiện ban đầu............................................................................................21

1.2.

Cân bằng vật chất.........................................................................................21

1.3.

Tổn thất nhiệt độ...........................................................................................21

1.4.

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (’)...........................................................22

1.5.

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)..................................................23

Cân bằng năng lượng...........................................................................................26
2.1.

Cân bằng nhiệt lượng...................................................................................26

2.2.

Phương trình cân bằng nhiệt........................................................................27

Thiết kế thiết bị chính...........................................................................................30
3.1.

Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc.....................................................30

3.2.

Nhiệt tải phía tường (qv)...............................................................................34

3.3.

Tiến trình tính các nhiệt tải riêng..................................................................35

3.4.

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc....................................36

3.5.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt........................................................................37

Tính kích thước của thiết bị cô đặc.......................................................................37
4.1.

Tính kích thước buồng đốt............................................................................37

4.2.

Tính kích thước buồng bốc............................................................................40

4.3.

Tính kích thước các ống dẫn.........................................................................44

4.4.

Tổng kết về đường kính.................................................................................45

Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc.......................................................................46
5.1.

Tính cho buồng đốt.......................................................................................46

5.2.

Tính cho buồng bốc......................................................................................48

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

4


6.

5.3.

Tính cho đáy thiết bị.....................................................................................53

5.4.

Tính cho nắp thiết bị.....................................................................................58

5.5.

Tính mặt bích................................................................................................60

5.6.

Tính vỉ ống....................................................................................................62

5.7.

Khối lượng và trai treo.................................................................................64

Tính toán thiết bị phụ............................................................................................69
6.1.

Thiết bị truyền nhiệt......................................................................................69

6.2.

Tính thiết bị ngưng tụ baromet......................................................................75

7.

Bồn cao vị.............................................................................................................83

8.

Bơm...................................................................................................................... 85
8.1.

Bơm chân không...........................................................................................85

8.2.

Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ.............................................................87

8.3.

Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị................................................89

8.4.

Bơm tháo liệu................................................................................................91

TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH................................................................................................95
KẾT LUẬN....................................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................97

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

5


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực
phẩm TP. Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Hóa học của trường đã tạo điều kiện
cho em được thực hiện đồ án.
Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là
kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc biệt, em
xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Quyền, người đã tận tình hướng
dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt
nhất. Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên
bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ
án sau này ạ.
Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp
của mình. Kính chúc Thầy Nguyễn Hữu Quyền luôn có sức khỏe tốt, đạt được nhiều
thành công trong công việc và cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

6


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV:2005140345 Lớp:05DHTP1
Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc

MSSV: 2005140414 Lớp: 05DHTP1

Nhận xét:
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:
TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2017

Giáo viên hướng dẫn
(ký và ghi họ tên)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

7


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV: 2005140345 Lớp: 05DHTP1
Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc

MSSV: 2005140414

Lớp: 05DHTP1

Nhận xét:
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:
TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2017

Giáo viên phản biện
(ký và ghi họ tên)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

8


LỜI MỞ ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và
Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công
nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn 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.
Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục,
năng suất nhập liệu 8000 kg/h”. Với:
+ Năng suất nhập liệu 8000kg/h
+ Nồng độ nhập liệu: 18 % khối lượng
+ Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng
+ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at
+ Nguồn nhiệt là hơi bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1.5 ati
-

Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.

-

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (tự chọn).
Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên

đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó,
chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy Cô và bạn bè để củng cố và
mở rộng kiến thức chuyên môn.
Chúng em chân thành cảm ơn.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG

1. Giới thiệu chung
Đôi nét về ngành công nghệ mía đường ở nước ta và vị trí của cô đặc trong công nghệ
mía đường.
Như đã biết, ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời và
ngày càng phát triển ở nước ta. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta,
ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. 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 quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, sản xuất gỗ ép.... Trong
tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho
cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm.
Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các nhà máy đường với quy mô lớn nhỏ
mọc lên ở nhiều địa phương như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, …. Tuy nhiên nó
chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có

liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường
mía. Ngoài ra, vấn đề cung cấp mía nguyên liệu, sự cạnh tranh của các nhà máy đường,
cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.
Bên cạnh đó, cây mía lại có đặc tính là độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu
hoạch trễ và không chế biến kịp thời...
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao và đổi mới dây chuyền
thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi
phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng
không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường
2. Nguyên liệu và sản phẩm
2.1. Đặc điểm nguyên liệu
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

10


Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
 Dung môi: nước.
 Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không
có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem 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, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng.
2.2. Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:


Dung môi: nước.



Các chất hoà tan: có nồng độ cao.

2.3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi
không ngừng.
a)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, tổn thất nhiệt do
nồng độ, nhiệt độ sôi.

b)Biến đổi tính chất hoá học:
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd:
asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

11


Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hoà tan ở nồng độ
cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.

Phân hủy chất cô đặc.
Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa
các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
Phân hủy một số vitamin.
c)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 nồng độ cao.
2.4. Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm


Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.



Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.



Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi.

3. Cô đặc và quá trình cô đặc
3.1. Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung
dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc 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 lý – hóa lý. Tùy theo
tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách
một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng)
hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
3.2. Bản chất của sự cô đặc

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

12


khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp
nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá
trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở
trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không
khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
3.3. Ứng dụng của cô đặc


Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây...



Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ....

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô
đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn.
Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền
với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu
quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm
bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có
kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của
thiết bị cô đặc.

3.4. Các phương pháp cô đặc


Phương pháp nhiệt: 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 một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra

dưới dạng tinh thể của 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 ta phải dùng máy lạnh.
3.5. Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc:
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

13


Hiện nay phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị
cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn mặc dù chỉ là
một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy.
Cùng với sự phát triển của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những
thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải
có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới
của thiết bị cô đặc.
4. Các thiết bị cô đặc
4.1. Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt)
4.1.1. 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:
+ 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.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

14


4.1.2. 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.
4.2. Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm
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:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

15


-

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.

4.3. Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:
+ 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
+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.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

16


+ Bơm chân không.
+ Các van.
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất...
4.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng


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.

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC
1. Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục
1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn
cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và
được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ,
đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

17


đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. 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. 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. Dung dịch sau
khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi
nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra
ngoài.
Nguyên lý hoạt động của nồi cô đặc
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống
tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong
khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho
dung dịch đang chuyển dộng trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên
xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dung
môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài.
Nguyên lý hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp

lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với
ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với
trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do
trên khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống
truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dòng chuyển động
tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị; từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống
trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng.
Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra
khỏi dòng. Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại
được hoàn lưu.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

18


Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa
sản phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của
buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất
làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn
dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành
lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên
trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi
thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ
giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không duy trì áp suất
chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được
lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không
cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn
theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.

Bơm chân không có nhiệm vụ hút không ngưng ra ngoài đế tránh trường hợp
khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong
thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.
1.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet


Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
+ Hơi nước (chủ yếu)
+ Dung môi dễ bay hơi
+ Khí không ngưng

Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp
với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất.
Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn
cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho
bơm (chỉ hút khí không ngưng).
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

19


Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó,
nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân
không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn tách lỏng.
Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột
áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
1.3. Hoạt động của hệ thống
1.3.1. Nhập liệu:
Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ
khoảng 300oC được đun nóng đến nhiệt độ cận sôi và đưa vào nồi cô đặc qua cửa nhập

liệu.
Ban đầu nhập đủ 2,5 m3 thì tiến hành cô đặc, nguyên liệu vẫn tiếp tục nhập vào đề
bù lượng hơi thứ bốc lên cho đến khi đủ thể tích nguyên liệu cho 1 mẻ thì chấm dứt nhập
liệu.
Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình
gia nhiệt cho 2,5 m3 nguyên liệu của mẻ sau.
1.3.2. Quá trình cô đặc:
Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m3, quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất
chân không do bơm chân không tạo ra.
Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 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.
Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng
chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo
bơm chân không ra ngoài.
Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều
kiện chân không do bơm chân không tạo ra.
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

20


Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo
sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm
2. Thao tác vận hành
2.1. Chuẩn bị

Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không,
bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu.
 Kiểm tra độ kín của hệ thống.

 Đóng các van.
 Tắt bơm
2.2. Vận hành


Khởi động bơm chân không cho hệ thống đạt điều kiện chân không( khi lần

đầu hoạt động). Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên. Đợi cho đến khi quá trình
ổn định.


Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết

bị cô đặc. Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì điều chỉnh lưu lượng nhập liệu
cho phù hợp.


Mở từ từ van hơi đốt.



Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.



Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất, sẵn

sàng ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra.


Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt.



Ngưng cấp hơi đốt.



Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng

van. Chấm dứt một mẻ cô đặc.


Ta bắt đầu các thao tác cho một mẻ mới.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

21


CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
1. Cân bằng vật chất và năng lượng
1.1. Dữ kiện ban đầu
Dung tích đường mía


Nồng độ nhập liệu xđ = 18% (khối lượng)



Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng)



Năng suất nhập liệu Gc = 8 tấn/h = 8000 kg/h



Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,74 at


Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,74 = 0,26 at.

Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1,5 ati.



Vậy Pdư = 1,5at


Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,5 = 2,5 at.

Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC



1.2. Cân bằng vật chất
Suất lượng tháo liệu (Gc)
Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:
Gđ.xđ = Gc.xc


Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
Gđ = G c + W
 W = Gđ – Gc = 8000 – 3600 = 4400 (kg/h)
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

22


1.3. Tổn thất nhiệt độ
-

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,26 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta
có:
Áp suất tuyệt đối (at)

Nhiệt độ sôi (0C)

0,2
0,3

59,7
68,7

 Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 64,950C.
∆’’’ 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)
 tsdm( P0) = 64,95 +1 =65,950C
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ (0C)
65
70

Áp suất (at)
0,2550
0,3177

Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,95 0C
P0 = 0,266 at
1.4. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (’)
Theo công thức 5.3, trang 184, [5], ta có:
’ ’

=

[0C]

Trong đó:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

23


’
’

: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.

f : hệ số hiệu chỉnh
f = 16,14.
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 = 0,266at. Ta nội suy được: r = 2343,46 (J/Kg)
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.’= 0,7613.1,3 = 1,029
Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (’ ) là 1,0290C.

 tsdd(po)= tsdm(po) +∆’=65,95+ 1,029= 66,980C
1.5. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
∆p=Hop N/m2
Trong đó:
ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m3
ρs=0,5. ρdd

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

24


ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Chọn tsdd. (p0+∆p) = 68oC, C% = xc = 40%, ta có = 1178,53 kg/m3( trang 60 [1])
 ρs=0,5. 1178,53 = 589,265
 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 660C
Tra bảng I.249 trang 311, [1], = 978,34 kg/m3
Hop= [0,26+ 0,0014. ( 1178,53  978,34)]. 1,5 = 0,810 m
∆p = . 589,265. 9,81.= 0,0239N/m2
 ptb=p0+ ∆p= 0,266+ 0,0239= 0,2899 at
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất (at)
0,2

0,3

Tsdm
59,7
68,7

Tại ptb=0,2899. Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) 67,730C
Ta có:
∆’’ = tsdm(p0+∆p)  tsdm(p0) = 67,73 65,95 = 1,760C
∆’’= tsdd(p0+∆p)  tsdd(p0)
 tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 66,98 + 1,76 = 68,740C
Sai số chấp nhận. Vậy tsdd(ppt) = 660C
Sản phẩm lấy ra ở tại đáy  tsdd(p0+2∆p) = 66,98+ 2.1,029 = 69,0380C
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 1,029 +1,76 +1 = 3,780C

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

25