THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI LIÊN TỤC MÍA ĐƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ÓAHHỌC
KHOA KỸ THUẬT
Bộ môn Hóa hữu
cơ

ĐỒ ÁNTHIẾT KẾ
KỸ THUẬT HOÁ HỌC
MSMH: CH4007

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI LIÊN TỤC MÍA ĐƯỜNG
ên hướng dẫn:
PGS.TS êLThị Kim Phụng
Giảng vi
Sinh vi
ên:Nguyễn Phạm Thanh Hải
Mã số sinh vi
ên:1411065Lớp:HC14CHC
Ngành:Hóa hữucơ

Năm học2017-2018


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH
Bảng 3.1 Nhiệt độ và áp suất hơi đốt và hơi thứ ................................................................
16
Bảng 3.2 Nồng độ molan và độ tăng điểm sôi ...................................................................
17

Bảng 3.3 Tổn thất do cột chất lỏng của các nồi .................................................................
18
Bảng 3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch nhập liệu và đầu ra nồi 1 và nồi 2 ...................
19
Bảng 3.5 Các thông số tính toán cân bằng nhiệt lượng ......................................................
20
Bảng 4.1 Các thông số tính toán nhiệt tải phía hơi đốt………………………………………………………23
Bảng 4.2 Các thông số tính toán hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ........................................
24
Bảng 4.3 Các thông số tính tóan nhiệt tải phía dung dịch sôi ............................................
25
Bảng 5.1 Vận tốc lắng w0…………………………………………………………………………………………………...29
Bảng 5.2 Chiều cao buồng bốc nồi 1 và nồi 2 ....................................................................
30
Bảng 5.3 Vận tốc và đường kính ống dẫn ..........................................................................
32
Bảng 6.1 Thông số tính toán và bề dày tối thiểu buồng đốt nồi 1 và nồi 2………………. …...34
Bảng 6.2 Thông số tính toán bề dày nắp ............................................................................
46
Hình 2.1 Quy trình cô đặc mía đường………………………………………………………………………………..13

2


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH...............................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................................. 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG.........................................................7
1.1 Nguyên liệu và sản phẩm quá trình cô đặc mía đường.....................................................8
1.1.1 Đặc điểm nguyên liệu................................................................................................8
1.1.2 Đặc điểm sản phẩm...................................................................................................8
1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc...................................8
1.1.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm....................................................................................9
1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc...............................................................................................9
1.2.1 Định nghĩa................................................................................................................. 9
1.2.2 Các phương pháp cô đặc...........................................................................................9
1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt................................................................................9
1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc..........................................................................................10
1.2.5 Đánh giá khả năng phát triển cô đặc........................................................................10
1.3 Các thiết bị cô đặc nhiệt.................................................................................................10
1.3.1 Theo cấu tạo............................................................................................................10
1.3.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình....................................................................11
1.4 Các thiết bị và chi tiết....................................................................................................11
CHƯƠNG 2: CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ..................................................................13
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG...............................................15
3.1 Dữ kiện ban đầu.............................................................................................................15
3.2 Cân bằng vật chất........................................................................................................... 15
3.2.1 Suất lượng nhập liệu Gđ...........................................................................................15
3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):.............................................................................15
3.2.3 Lượng hơi thứ mỗi nồi............................................................................................15
3.2.4 Xác định nồng độ cuối dung dịch từng nồi...............................................................16
3


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

3.3 Cân bằng năng lượng......................................................................................................16

3.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi.......................................................................16
3.3.2. Xác định nhiệt độ tổn thất.......................................................................................16
3.3.3 Cân bằng năng lượng...............................................................................................18
CHƯƠNG 4: TRUYỀN NHIỆT..............................................................................................22
4.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp............................................................................22
4.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi...........................................................................22
4.2.1 Tính tổng nhiệt trở r..............................................................................................22
4.2.2 Tính nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)...................................................................22
4.2.3 Tính nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)...................................................................23
4.2.4 Kiểm tra lại giả thuyết chọn t1...............................................................................25
4.2.5 Tính hệ số truyền nhiệt mỗi nồi K...........................................................................25
4.3 Hệ số nhiệt hữu ích thực của mỗi nồi t 'hii.....................................................................26
4.3.1 Lượng nhiệt cung cấp cho mỗi nồi..........................................................................26
4.3.2 Tính nhiệt hữu ích thực của mỗi nồi t 'hii................................................................26
4.3.3 Kiểm tra lại nhiệt hữu ích giữa các nồi....................................................................26
4.4 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F..............................................................................26
CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC................................................................................27
5.1 Tính buồng bốc..............................................................................................................27
5.1.1 Đường kính buồng bốc............................................................................................27
5.1.2 Chiều cao buồng bốc...............................................................................................29
5.2 Kích thước buồng đốt....................................................................................................30
5.2.1 Xác định số ống truyền nhiệt...................................................................................30
5.2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm......................................................................30
5.2.3 Đường kính buồng đốt.............................................................................................31
5.3 Tính kích thước các ống dẫn, tháo liệu..........................................................................32
CHƯƠNG 6: TÍNH CƠ KHÍ CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ..............................................33
6.1 Tính cho buồng đốt.........................................................................................................33
4

CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

6.1.1 Sơ lược về cấu tạo....................................................................................................33
6.1.2 Tính toán..................................................................................................................33
6.1.3 Tính bền cho các lỗ..................................................................................................35
6.2 Tính cho buồng bốc.......................................................................................................36
6.2.1 Sơ lược cấu tạo........................................................................................................36
6.2.2 Tính toán.................................................................................................................36
6.2.3 Tính bền cho các lỗ.................................................................................................40
6.3 Tính cho đáy thiết bị......................................................................................................41
6.3.1 Sơ lược cấu tạo........................................................................................................41
6.3.2 Tính toán.................................................................................................................41
6.4 Tính nắp thiết bị.............................................................................................................45
6.4.1 Sơ lược cấu tạo........................................................................................................45
6.4.2 Tính toán bề dày nắp...............................................................................................45
6.5 Tính mặt bích................................................................................................................. 47
6.5.1 Mặt bích nối buồng đốt và buồng bốc.....................................................................47
6.5.2 Mặt bích nối buồng đốt và đáy................................................................................48
6.5.3 Mặt bích nối buồng bốc và nắp...............................................................................48
6.6 Tính vỉ ống..................................................................................................................... 49
6.6.1 Tính cho vỉ ống ở trên buồng đốt............................................................................49
6.6.2 Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt...........................................................................50
6.7 Tính tai treo.................................................................................................................... 51
6.7.1 Sơ lược cấu tạo tai treo............................................................................................51
6.7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị....................................................................................51
6.7.3 Tổng khối lượng......................................................................................................53
CHƯƠNG 7: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ.......................................................................................55
7.1 Thiết bị ngưng tụ baromet..............................................................................................55
7.1.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ............................................................55
7.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị.............................55

5


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

7.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet.............................................56
7.2 Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu......................................................................................59
7.3 Tính bơm chân không.....................................................................................................61
7.4 Tính bơm nước vào thiết bị ngưng tụ..............................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................64

6


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu cầu
thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được
thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó 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 cộng nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường
đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, 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 là nguyên
liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu…
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. Xuất phát từ

tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ
vàkhông chế biến kịp thời.
Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản
xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà
máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên hoà, … nhưng với sự phát triển ồ ạt của
diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, 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.
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, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu

7


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem
thường.
Một vài số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn):
Năm
1945- 19521965- 1977- 1978- 1979- 1980Sản lượng

1981-

1946

1953

1966

1978

1979

1980

1981

1982

19934

35486

63097

92280

91858

88920

91000

97900

1.1 Nguyên liệu và sản phẩm quá trình cô đặc mía đường
1.1.1 Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu ở dạng dung dịch bao 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 sacácaroze. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá
trình cô đặc.

1.1.2 Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch gồm:
- Dung môi: nước
- Các chất hòa tan ở nồng độ khá cao
1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Trong quá trình cô đặc, tính chất cô bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không
ngừng.
1.1.3.1. 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, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ
sôi.
1.1.3.2. Biến đổi tính chất hoá học:
8


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

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.
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 axit amin.
1.1.3.3. 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 nồng độ cao.
1.1.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm
Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:
- 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.
1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc
1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai
hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng có chênh lệch
nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay
hơi hơn). Đó là các quá trình vật lý - hóa lý.
1.2.2 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 của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt
thoáng chất lỏng.

9


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

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.
1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử: để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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 khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài.
Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên
cạnh đó, sự bay hơi 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)
khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc.
1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc
Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái
cây…
Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …
1.2.5 Đánh giá khả năng phát triển cô đặc
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá 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 nhà máy thì 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. 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.

10

CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

1.3 Các thiết bị cô đặc nhiệt
1.3.1 Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá
loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5
m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung
dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. 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,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước
trái cây, hoa quả ép…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.
1.3.2 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 100oC, 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 đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ
làm giảm hiệu quả 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.
11


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.4 Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chính:
- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…
- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…

Thiết bị phụ:

- Lưu lượng kế
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo

12

CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

CHƯƠNG 2: CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hình 2.1 Quy trình cô đặc mía đường
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên lưu lượng kế đến thiết bị gia nhiệt và
được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi. Dung
dịch sau khi cô đặc từ nồi 1 được chuyển sang nồi 2, hơi thứ nồi 1 được dùng làm hơi đốt
cho nồi 2. Dung dịch cô đặc từ nồi 2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào bể
chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí không ngưng từ nồi 2 đi ra phía trên của thiết bị cô đặc
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 không ngưng được bơm chân không hút ra
ngoài.
Nguyên lý làm việc 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, hơi đốt sẽ đi trong
13


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là:
do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó hệ số
truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Kết quả
là khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hòan trung tâm lớn hơn trong ống truyền
nhiệt, tạo một dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị. Phần phía trên thiết bị là buồng
bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt để tách những
giọt lỏng ra khỏi hơi thứ.
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.
Dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng
chứa sản phẩm.

14


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 Dữ kiện ban đầu
Dung dịch đường mía
-

Nồng độ đầu xđ = 8 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC.

-

Nồng độ cuối xc = 25%.
Năng suất Gc = 250 kg/h.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất tuyệt đối hơi đốt là 3 at.
Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: P = 0,4 at.

3.2 Cân bằng vật chất
3.2.1 Suất lượng nhập liệu Gđ
Theo công thức 5.16 trang 327 [3] Gđxđ
= Gcxc

xc



Gđ = G c 
(3.1)

25

xñ  = 250

8  = 781,25 kg/h

3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):
Theo công thức 5.17 trang 327 [3]
W = Gđ – Gc = 781,25 - 250 = 531,25 kg/h.

(3.2)

Trong đó: Gc là suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /h.
3.2.3 Lượng hơi thứ mỗi nồi
W1
Giả sử tỉ lệ hơi thứ nồi 1 và nồi 2 là 1,1
W2
15


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Khi đó ta có hệ phương trình
{ W W W1  2 531,25
W11,1

W2

Vậy W1  278,27 kg/h, W2  252,98 kg/h
3.2.4 Xác định nồng độ cuối dung dịch từng nồi
Theo công thức 5.25 v 5.26 trang 331 [3]
G xdd

781,25.0,08

Nồng độ cuối dung dịch ra khỏi nồi 1 x1 


Gd W1

Nồng độ cuối dung dịch ra khỏi nồi 2 x2 

G xd d



0,1243

(3.3)


781,25  278,27

781,25.0,08

 0,25

(3.4) Gd  W1 W2 781,25

 278,27  252,98

3.3 Cân bằng năng lượng
3.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
Áp suất tuyệt đối hơi đốt vào nồi 1: P1  3at , Tra bảng 41 trang 40 [5], ta được nhiệt độ
hơi đốt nồi 1 T1 132,9oC
Áp suất ở thiết bị ngưng tụ Png  0, 4at
Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc     P

P1

0, 4  2,6at Chọn phân phối áp suất giữa các nồi là

Png
P1

3

 2,6

P2

Lại có    PP1

P2 3at

Vậy ta được  P1 1,73at ,  P2 0,867at

Vậy ta được bảng
Bảng 3.1 Nhiệt độ và áp suất hơi đốt và hơi thứ

16


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Loại

Nồi 1

Nồi 2

Tháp ngưng tụ

Áp suất

Nhiệt độ

p suất

Nhiệt độ

Áp suất

Nhiệt độ

(at)

(°C)

(at)

(°C)

(at)

(°C)

Hơi đốt

3

132,9

1,267

105,7

0,4

75,4

Hơi thứ

1,31

106,7

0,418

76,4

3.3.2. Xác định nhiệt độ tổn thất
3.3.2.1 Tổn thất do nồng độ tăng cao (Δ’)
Dùng phương pháp Babô để tính nhiệt độ sôi dung dịch đường trong nồi 1 và nồi 2. Độ
tăng điểm sôi của dung dịch hệ lỏng-rắn:
 ' E Cs.m (5.9a trang 318 [3])

(3.5)

Trong đó: Es là hằng số nghiệm sôi, với nước Es  0,529
Cm là nồng độ molan của chất tan trong dung dịch (mol/kg dung môi)
Bảng 3.2 Nồng độ molan và độ tăng điểm sôi
Nồi

Nồng độ C% Nồng độ Cm

Độ tăng điểm
sôi Δ’

Nhiệt độ sôi, tsdd , °C

Nồi 1

12,42

0,415

0,219

100,219

Nồi 2

25,0

0,975

0,516

100,516

Vậy tổng tổn thất do nồng độ tăng cao:    ''1

'2 0,219  0,516  0,735oC

3.3.2.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (Δ”)
Tra bảng I.86 trang 58 [1] ta được:
Nồng độ(%)
Khối lượng riêng ρ (kg/m3)
12,42

1051,92

25,0

1105,51

Chọn chiều cao ống đốt Htt 1,5m
Chiều cao thích hợp để tính theo kính quan sát mực chất lỏng H op
Hop  [0,26  0,0014( dd 

dm

)].Htt (2.20 trang 118 [4])

(3.6)

Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình: ptb
ptb  p0

0,5hhgHop (2.19 trang 118 [4])

(3.7)
17


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Trong đódd là khối lượng riêng của dung dịch không kể bọt hơi, kg/m3
po là áp suất ở mặt thóang của dung dịch, at
1
 hh  dd là khối lượng riêng của dung dịch sôi, kg/m

3

2

dm là khối lượng riêng của dung môi (nước) tại nhiệt độ sôi (tra bảng 43 trang

42 [5]), kg/m3

g  9,81m s/ 2 là gia

tốc trọng trường
Tính toán, ta được bảng sau

Bảng 3.3 Tổn thất do cột chất lỏng của các nồi
Nồi

H op ,m

po ,at

Nhiệt độ nồi
ở p0 , °C

ptb ,at

Nhiệt độ nồi Δ”,°C
ở ptb , °C

Nồi 1

0,503

1,31

106,7

1,32

107,23

0,53

Nồi 2

0,616

0,418

76,4

0,435

78,02

1,62

Vậy tổng tổn thất do áp suất thủy tĩnh l    " "1

"2 0,531,62  2,15oC

3.3.2.3 Tổn thất trên đường ống dẫn hơi thứ Δ’’’
Chọn  '''i 1o C , suy ra  '''i 2o C
Vậy tổng tổn thất của cả hệ thống là   ' "

'''

0,735  2,15  2

4,89 C
o

3.3.2.4 Hiệu số nhiệt hữu ích và nhiệt độ sôi từng nồi
Hiệu số nhiệt hữu ích nồi 1:
    thi1
25,45oC

T1

(T2

)

1

132,9  (105,7  0,219  0,53 1)

Hiệu số nhiệt hữu ích nồi 2:
  thi2

T2

(Tng  2 )105,7(75,40,516 1,62 1)

 27,16oC

18


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Nhiệt độ sôi thực tế nồi 1: ts1   T1
thi1 132,9  24, 45  107, 45oC

Nhiệt độ sôi thực tế nồi 2:
ts2   T2 thi2 105,7  27,16  78,54oC

3.3.3 Cân bằng năng lượng
3.3.3.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
Cdd = 4190 – (2514 –7,52t )x, J/kg.K ( 1.50 trang 153 [1])

(3.8)

Trong đó t là nhiệt độ của dung dịch, °C
x là nồng độ khối lượng của dung dịch
Ta được bảng sau:

Bảng 3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch nhập liệu và đầu ra nồi 1 và nồi 2
Dung dịch

Nhiệt độ t,°C

Nồng độ x

Nhiệt dung riêng Cdd , J/Kg.K

Nhập liệu

106,95

0,08

4053,71

Đầu ra nồi 1

107,45

0,1242

3978,31

Đầu ra nồi 2

78,54

0,25

3709,58

3.3.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nồi 1:
DiG C td d d Wi11 (Gd W C t1) 1 1  DCng1 1Qxq1 Qcd1

Nồi 2
Wi1 1  (Gd W1)C1 t1 W i2 2  (Gd W C t)

2
ng 22 Qxq2 Qcd 2

2

WC1

Trong đó:
Gd là lưu lượng nhập liệu ban đầu, kg/h
19


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

W, W1 lần lượt là hơi thứ của cả hệ thống, của nồi 1, kg/h
hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h

D là lượng

i, i1, i2 lần lượt là hàm nhiệt của hơi đốt, hơi

thứ nồi 1, nồi 2, J/kg (tra bảng 40 trang 38 [5])
t d, t1, t2 lần lượt là nhiệt độ sôi của dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, °C
Cd, C1, C2 làn lượt là nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 của dung dịch,
j/kg.độ
ϴ1, ϴ2 lần lượt là nhiệt độ nước ngưng của nồi 1, nồi 2, °C
Cn1, Cn2 lần lượt là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ, (tra
bảng 27 trang 29 [5] )
Qxq1, Qxq2 lần lượt là nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh, J
Qcd1, Qcd2 lần lượt là nhiệt cô đặc nồi 1, nồi 2, J, với quá trình cô đặc mía đường

Qcd1=Qcd2=0
Chọn nước ngưng ở trạng thái lỏng sôi, ta có ϴ1=T1=132,9°C, ϴ2=T2=105,7°C. Ta có
bảng số liệu sau
Bảng 3.5 Các thông số tính toán cân bằng nhiệt lượng

Đầu vào
Dung dịch đường

Nồi 1

Nồi 2

Dung dịch đường

Dung dịch đường

(đầu ra)

(đầu ra)

Nhiệt độ sôi

106,95

107,45

78,54

Nhiệt dung riêng

4053,71

3978,31

3709,58

Lưu lượng dung
dịch ra

781,25

502,98

250

4254,21

4255,33

Nhiệt dung riêng
nước ngưng

Nhiệt độ

Hơi đốt

Hơi thứ

132,9

106,7

Hơi thứ
76,4
20


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Hàm nhiệt i

2730000

2689877

2633800

278,27

252,98

Lượng hơi thứ

Chọn Qxq1  0,05D i( Cng11)  0,05Dr(1) , Qxq2  0,05D i( Cng2 2 )  0,05Dr(2) , r là ẩn
nhiệt hóa hơi nước, tra bảng 40 trang 38 [5], r(1)  2174030(J) , r(2)  2243240(J)
Lượng hơi thứ bốc lên nồi 1
W1  Wi2  (Gd W C t)2 2 G Ctd

11

0,95 (r 1)  i2 Ct1 1


 273,38kg h/

W2   W

W1531,25273,38  257,87kg h/

Lượng hơi đốt tiêu tốn chung:
D  Wi1 1 (Gd W C t1) 1 1 G C td d d
0,95(i1 Cng11)



 304,10kg h/

3.3.3.3 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ giữa các nồi
C(%)1 

100% 1,76%  5% , thỏa mãn

C(%)2 

100% 1,90%  5% , thỏa mãn

Vậy lượng hơi thứ nồi 1 là W1=273,38 kg/h, nồi 2 l W2=257,87 kg/h
Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là D=304,10 kg/h

21

CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

CHƯƠNG 4: TRUYỀN NHIỆT
4.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Nồi 1
Q1  Dr(1)  304,10.2170,88  660166,97kJ h/ 183,38kW

(4.1)

Nồi 2
Q2 Wr1 (2)  273,38.2243,24  613262,93kJ h/ 170,35kW

(4.2)

4.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
4.2.1 Tính tổng nhiệt trở r


 r rcau1   rcau2 (công thức 1.6 trang 13 [5])

(4.3)


rcau1  0,000232m2.K/ W là nhiệt trở màng nước, bảng 32 trang 325 [5] rcau2 
0,000372m2.K/ W là nhiệt trở lớp cặn, bảng 32 trang 32 [5] δ=2mm=0,002m

là độ dày ống λ=16,3 là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, thép
X18H10T, trang 13 [2]



Vậy  rrcau1   rcau2  0,000232 


0,002

 0,000372  0,00073m K W2 /

16,3

4.2.2 Tính nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)
Theo công thức V.101 trang 28 [2], hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng 1:



1  2,04* A* 



r 0,25
 H *t1 

 q1 1 *t1

(4.4)

22

CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

Trong đó: r là ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt, kJ/kg, tra bảng 41
trang 39 [5] H là chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m.
A là phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng, 0C, tra ở bảng 1.5 trang 43 [4] Ta
có bảng sau
Bảng 4.1 Các thông số tính toán nhiệ tải phía hơi đốt
Nồi 1

Nồi 2

130,62

103,22

2,28

2,48

131,76

104,46

Chiều cao ống truyền nhiệt H

1,5

1,5

Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt r

2174072

2249512

A

191,74

180,45

α1

11044,79

10265,28

Nhiệt tải phía hơi đốt q1

25182,13

25457,91

chọn Tw1
Δt1
Nhiệt độ trung bình

4.2.3 Tính nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)
Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:
0,565

dd 

2

0,435

dd  C 

2 n  n  n   Cddn ddn W /m2 K
(4.5)

q2 2t2

Trong đó:
n -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
n = 0.145. p0,5. t22,33

trang 26 [2]

Cdd, Cn lần lượt là nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước J/kg.độ
23


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC

dd, n lần lượt là độ nhớt của dung dịch và nước, Ns/m2
 dd, n lần lượt là khối lượng riêng dung dịch và nước, kg/m3 dd,
n lần lượt là hệ số dẫn nhiệt dung dịch và của nước, W/m.độ
Các thông số của dung dịch:

Cdd = 4190 – (2514 –7,52t)x, J/kg.K, Cn tra bảng 27 trang 29 [5]
dd: Tra bảng 1.112 trang 114 [1], n tra bảng 9 trang 18 [5]
 dd: tra bảng I.86 trang 58 [1], n tra bảng 43 trang 42 [5]
dd: theo công thức ( I.32 ) trang 123 [1]

dd  3,58.108.dd .3

dd

,W /mK

(4.6)

M dd

Bảng 4.2 Các thông số tính toán hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Nồi 1

Nồi 2

Nồng độ trung bình

0,1021

0,1871

Nhiệt dung riêng Cp

4016,01

3830,39

Khối lượng riêng pdd

1040,92

1077,2

Mdd

51,09

78,63

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λdd

0,4087

0,3534

Nồi 1

Nồi 2

18,30

18,50

Khối lương phân tử trung bình

n tra bảng 43 trang 42 [5]
Tính Δt2
Ta có   twq r1 , tw2  tw1

tw ,   t2

t2

Ta tính được
Δtw

24


CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG HAI NỒI LIÊN TỤC
tw2

112,32

84,72

Δt2

4,87

6,18

Tính hệ số dẫn nhiệt phía dung dịch sôi 2 , nhiệt tải phía dung dịch sôi q2

Bảng 4.3 Các thông số tính tóan nhiệt tải phía dung dịch sôi

Nồi 1

Nồi 2

Độ dẫn nhiệt của nước n

0,6845

0,6741

Khối lượng riêng nước pn

952,55

972,72

Nhiệt dung riêng của dung dịch Cdd

4016,01

3830,39

Nhiệt dung riêng của nước Cân

4247,53

4190

Độ nhớt nước n

0,264

0,362

Độ nhớt dung dịch dd

0,264

0,552

Tính αn

6764,3

6869,15

Tính α2

5328,94

4172,23

Tính q2

25955,62

25801,74

4.2.4 Kiểm tra lại giả thuyết chọn t1
C(%)1 

100%  2,98%  5% , thỏa mãn

25801,7425457,91
C(%)2 
100% 1,33%  5%
25801,74
, thỏa mãn

25