Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước mía

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ NIÊN LUẬN KỸ THUẬT THỰC PHẨM.........................................................................................V
PHẦN 1: GIỚI THIỆU.................................................................................................................................................1
1.1. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU....................................................................................................... 1
1.1.1.Giới thiệu chung về cây mía...................................................................................................................1
1.1.2. Phân loại mía.........................................................................................................................................1
1.1.3. Cấu tạo của cây mía..............................................................................................................................3
1.1.4. Thành phần hóa học của cây mía..........................................................................................................5
1.1.5. Thu hoạch và bảo quản..........................................................................................................................6
1.1.6. Quy trình cô đặc nước mía....................................................................................................................7
1.1.7. Thuyết minh............................................................................................................................................8
1.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC.................................12
1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc..................................................................................................................12
1.2.2. Phân loại..............................................................................................................................................12
1.2.3. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm........................................................................................13
CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH..............................................................................................................................14
2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU............................................................................................................................14
2.1.1.Lượng nước bốc hơi của hệ thống (hơi thứ).........................................................................................14
2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong nồi.........................................................................................................14
2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong nồi.................................................................................................15
2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.............................................................................................................. 15
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ nồi..........................................................................................................15
2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ ∑∆..............................................................................................................15
2.2.3. Hiệu suất nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch...................................................................17
2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch...................................................................................................17
2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ nồi.....................................................................................................18
2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT...........................................................................................................19
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp.........................................................................................................19
2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của nồi................................................................................................................19
2.4. KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT.................................................................................................................24
2.4.1. Số ống truyền nhiệt..............................................................................................................................24

2.4.2. Ống tuần hoàn trung tâm.....................................................................................................................25
2.4.3. Đường kính trong buồng đốt................................................................................................................25
2.5. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC.................................................................................................................26
2.6. ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN.............................................................................................................27
2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng........................................................................................................27
2.6.2. Đối với hơi bão hòa.............................................................................................................................28
2.7. TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH........................................................................................................... 30
CHƯƠNG 3. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC.........................................................................................................31
3.1. HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI............................................................................................................31
3.1.1. Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi.............................................................................................................31
3.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH................................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................................34


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1: Mía loài saccharum officnarum L
Hình 1.2: Mía loài saccharum sinense Roxb, Emend, Jesw
Hình 1.3: Mía loài Saccharum spontaneum L
Hình 1.4: Rễ mía
Hình 1.5: Thân mía
Hình 1.6: Lá mía
Hình 1.7: Hoa mía
Hình 1.8: Hạt mía
Hình 1.9: Sơ đồ quy trình cô đặc nước mía
Hình 2.1. Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.3. Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch
Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần dinh dưỡng cuả mía (tính trên 100g)..........................................5
Bảng 2.1. Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi....................................................................15
Bảng 2.2. Lượng nhiệt do hơi cung cấp.......................................................................19
Bảng 2.3. Gía trị A phụ thuộc và tm..............................................................................20
Bảng 2.4. Hệ số cấp nhiệt , phía hơi ngưng tụ.............................................................21
Bảng 2.5. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi.................................................................22
Bảng 2.6. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi............................................................24
Bảng 2.7. Bề mặt truyền nhiệt.....................................................................................25
Bảng 2.8. Kích thước buồng bốc.................................................................................27
Bảng 2.9. Kích thước các ống dẫn...............................................................................29
Bảng 2.10. Bảng tóm tắt thiết bị chính.........................................................................30


QUY ƯỚC KÍ HIỆU
Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước kí hiệu như sau:
- [ AI - X] - Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.
- [ AII - X] - Sổ tay qúa trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.
-[B - X] - Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Ts Phan Văn
Thơm.
-[ AIII - X] - Các quá trinh và thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3,
các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toàn.
Với: X: Số trang
Số chỉ công thức, bảng hay địa chỉ web được ghi trong dấu ( ).


PHẦN 1: GIỚI THIỆU
1.1. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1.1.1.Giới thiệu chung về cây mía
Cây mía xuất hiện trên trái đất từ thời rất xa xưa, khi lục đại châu Á và châu Úc
còn dính liền. Một số tác giả cho gần vùng Tân Guinia là quê hương của cây mía
nguyên thủy và từ đây mía được đưa đến các vùng khác nhau trên thế giới. Tuy nhiên,
trong tác phẩm “ Nguồn gốc của cây trồng” của De Candelle lại viết: “ Cây mía được
trồng đầu tiên ở vùng Đông Nam Á, rồi từ đó qua Châu Phi và sau cùng là Châu Mỹ”
(Humbert, 1963). Trong ngôn ngữ Sankrit( tiếng phạn) các từ như Sarkara hay Sakkara
chỉ tên đường ăn là bất nguồn từ ngôn ngữ Châu Á, đều đó càng khẳng định cây mía
được bất nguồn từ đây. Khi cây mía được đưa đến trồng ở vùng Ả Rập, tên Sarkara
hay Sakkara được chuyển thành Sukkar. Từ vùng Ả Rập cây mía được đưa sang
Ethiopia, Ai Cập, rồi Sicilia… và những thập tự quân đưa đến Chipre. Những người Ả
Rập cũng đưa mía vào Tây Ban Nha, thái tử Bồ Đào Nha Don Enrique nhập mía đem
trồng ở đảo Madeira rồi từ đó chuyển đến Canarias. Ở vùng này, điều kiện khí hậu, đất
đai rất thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của cây mía, và chính nơi đây đã sản
xuất ra tất cả lượng đường tiêu dung của Châu Âu trong vòng 300 năm. Cây mía được
đưa đến châu Mỹ trong chuyến đi thứ 2 của Cristobal Colon vào năm 1493 và trồng tại
đảo Santo Domingo. Cuối thế kỉ 18 ở châu Âu người ta tìm ra loại đường mới lấy từ
cây củ cải đường rồi từ đó đường mía và đường củ cải cùng song song phát triển
(Humbert, 1963).
1.1.2. Phân loại mía
Mía thuộc họ Gramineae ( hà thảo), họ phụ Andropogoneae, tộc Saccharinnae, chi
Saccharum. Chi Saccharum có 10 loài, trong đó chủ yếu có 3 loài mía trồng và 2 loài
dại.
Các loại mía trồng
 Loài Saccharum officnarum L (1753) (mía nhiệt đới, mía quý)

Hình 1.1: Mía loài saccharum officnarum L

(Nguồn: />madeira_hg.jpg)
Là loài mía trồng chính, vì vậy tên Saccharum officinarum.L được dùng để chỉ chung

cho các loài mía trồng. Loài mía này thích hợp vùng nhiệt đới. Đặc điểm chính là: cây
to, thịt mềm, nhiều nước, tỉ lệ đường cao. Nhược điểm chính: tính kháng bệnh thấp.


nbhgt

Các giống địa phương của nước ta thuộc loài S.officinarum có mía voi, mía đỏ, mía
tím,mía mưng…
 Loài Saccharum sinense Roxb, Emend, Jesw (1819) (Mía Trung Quốc)

Hình 1.2: Mía loài saccharum sinense Roxb, Emend, Jesw

(Nguồn:)
Thân nhỏ, lóng hình thót, lá mía hẹp, mềm rủ. Chính sớm đẻ khỏe, để gốc tốt. Loài
này phân bố chủ yếu ở vùng nam Trung Quốc, bắc Việt Nam. Các gống mía Gie của ta
thuộc loài này
 Loài Saccharum barber jesw (1925) (mía Ấn Độ)
Thích hợp điều kiện á nhiệt đới. Thân nhỏ, lóng hình trụ, tỷ lệ xơ cao. Đặc tính nông
học có lợi là sức sống khỏe, đẻ khỏe, bộ rễ phát triển manh, chịu han tốt, kháng được
nhiều loại sâu bệnh.
Các loài mía dại
 Loài Saccharum spontaneum L. (1771) (mía dại vùng Tây Nam Á)

Hình 1.3: Mía loài Saccharum spontaneum L

(Nguồn: )
Đặc điểm chủ yếu là thân nhỏ, vỏ cứng, sức sống khỏe, tỉ lệ xơ cao, đường rất thấp, ra
hoa sớm, tính thích ứng rộng, ít bị sâu phá hoại, có khả năng kháng bệnh tốt. Các loại
lau, sậy của nước ta thuộc loài này.
 Loài Saccharum robustum Bround Jesw (1929)

Jeswiet phát hiện ra loài này ở Tân Gui-nê năm 1929. Đặc điểm loài này là thân nhỏ,
lóng dài, tỉ lệ đường thấp, sức sống khỏe và ra hoa. Thân cây tuy cao nên cứng nên
chống được gió bảo và sâu đục thân, kháng bệnh kém, nhất là những bệnh ở cổ rể.
2


nbhgt

Trong tộc Saccharinae có nhiều chi có quan hệ chặt chẽ với chi saccharum.
Mulkherjee đã xếp các chi này vào 1 hệ thống gọi là “phức hệ Saccharum”, gồm các
chi: Saccharum + Eriathus + Sclerostachia + Narenga + Sorghum. Trong thiên nhiên,
các chi trong phức hệ Saccharum có thể tạp giao với nhau và sự tạp giao này đã xảy ra
trong quá trình phát triển và di chuyển của giống. Brande cho rằng sự xuất hiện các
dạng đa bội là bằng chứng rõ rệt về sự tạp giao này. Sự tạp giao tự nhiên này đã phát
sinh loài S.-officinarum – cơ sở của những giống mía đầu tiên.
1.1.3. Cấu tạo của cây mía
Cây mía bao gồm các bộ phận (hay các tổ chức) chính là: rễ, thân, lá, hoa và hạt. Mỗi
bộ phận của cây mía đều có những chức năng riêng. Đối với sản xuất, chế biến, thân
mía là đối tượng chủ yếu, là sản phẩm thu hoạch.
Rễ: Mía có hai loại rễ chính: rễ sơ sinh (rễ hom) và rễ thứ sinh (rễ vĩnh cửu). Trong
loại rễ thứ sinh còn được chia làm ba nhóm theo chức năng sinh lý của nó là rễ hấp
thụ, rễ chống đỡ (rễ xiên) và rễ ăn sâu (rễ hút nước). Ngoài ra, còn có một loại rễ thứ
ba gọi là rễ phụ sinh đâm ra từ đai rễ ở trên thân mía.

Hình 1.4: Rễ mía

(Nguồn: />%C3%ADa#imgrc=nb3hK_Awz7BCFM:)
Thân mía: được hình thành bởi nhiều dóng (hay còn gọi là lóng) hợp lại, có màu sắc và
hình dạng khác nhau. Có giống mía vỏ màu xanh, có giống vỏ màu vàng, màu đỏ xẫm,
màu tím hoặc ẩn tím,... về hình dạng dóng, có giống dóng hình trụ, có giống dóng hình

ông chỉ, hình trống, hình chóp cụt xuôi hoặc ngược (còn gọi là hình chùy xuôi hoặc
ngược), có giống hình cong,… Nhiều giống mía thân thẳng nhưng cũng có giống các
dóng nối nhau theo hình zig-zag,...

3


nbhgt

Hình 1.5: Thân mía

(Nguồn: />%20mia#imgrc=AyhA3s_46hVnGM:)
Lá mía: Bộ lá giữ vai trò rất quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển của cây
mía. Lá làm nhiệm vụ hô hấp và thực hiện quá trình quang hợp, là tổ chức đồng hóa
thực sự của cây trồng. Lá còn có bẹ lá và phiến lá.

Hình 1.6: Lá mía

(Nguồn: />%C3%ADa#imgrc=k-CuWTAFSU9F8M:)
Hoa mía: Cấu tạo của hoa mía gồm trục chính và các nhánh cấp 1, cấp 2,... (còn gọi là
gié và gié con) và trên những gié con là những hoa mía nhỏ. Mỗi hoa mía được bao
bởi 2 mảnh vỏ, được tạo thành bởi hai lớp màng trong và màng ngoài.

Hình 1.7: Hoa mía

(Nguồn: />%C3%ADa#imgrc=UFT6P1zR_y0IlM:)
Hạt mía: trông như một chiếc vảy khô, nhẵn, hình thoi, ở trong chứa albumin, tinh bột
và một mầm nhỏ. Khi chín, hạt có màu biến đổi từ vàng sang màu hạt dẻ và không bị
nứt.

4


nbhgt

Hình 1.8: Hạt mía

(Nguồn: />%C3%ADa#imgrc=aw-yn-7FzoD41M:)
1.1.4. Thành phần hóa học của cây mía.
- Trong thân mía có Sacarroza 7-10%, protein 0.22%, chất béo 0.5%.
- Các chất men: Lacaza, tyrozinaza, oxydaza ba loại men này chỉ có trong mía no.
- Vỏ cây mía chứa chất béo gồm axit oleic, axit linoleic, axit stearic và axit capronic.
- Nước mía có màu nâu.
Bảng 1.1. Thành phần dinh dưỡng cuả mía (tính trên 100g)

Thành phần
Chất béo và sáp
Pectin
Axit tự do
Axit kết hợp
Chất vô cơ
SiO2
K2O
Na2O
CaO
MgO
Fe2O3
P2O5
SO2
Cl

H2O

Tỷ lệ (%)
0,20
0,08
0,12
0,25
0,12
0,01
0,02
0,01
vết
0,07
0,02
vết
74,5

1.1.5. Thu hoạch và bảo quản
Dấu hiệu mía chín, mia chín là lúc ham lượng đường saccharose trong mía đạt tối đa
và một lượng đường khử còn lại ít nhất. Thu hoạch mía tốt nhất là khi mía đạt độ chín
kỹ thuật, có hàm lượng đường phần gốc và phần gốc tương đương nhau.
Sau thu hoạch mía hàm lượng đường saccharose giảm nhanh, do đó mái cần được vận
chuyển về nhà máy và ép càng sớm càng tốt.
Để giảm suy thoái mía người ta nên đốn mía khi trời mát và cho mía ngả về một phía
sao cho ngọn của hàng đốn sau phủ lên gốc của mía đốn trước để không bị phơi nắng.
Khi chuyên chở lấy lá mía phủ lên lớp mía, nếu trời nắng gắt thì tưới nước lên mía.
5


nbhgt

6


nbhgt

1.1.6. Quy trình cô đặc nước mía
MÍA
XỬ LÝ SƠ BỘ
LẤY NƯỚC MÍA

BÃ

LỌC

BÙN LỌC

CÔ ĐẶC
SI RÔ
Hình 1.9: Sơ đồ quy trình cô đặc nước mía

7


nbhgt

1.1.7. Thuyết minh
Xử lí sơ bộ:
sơ đồ công đoạn xử lý sơ bộ
MÍA

CẨU
CÂN
SAN BẰNG
BĂM CHẶT
ĐÁNH TƠI
LẤY NƯỚC MÍA

8


nbhgt

Giai đoạn khai thác nước mía:
Mục đích công nghệ: mục đích công nghệ của giai đoạn khai thác nước mía nhằm lấy
kiệt nước mía trong cây mía. Giai đoạn khai thác nước mía là giai đọan đầu tiên và
quan trọng của dây chuyền sản xuất đường. Chỉ tiêu quan trọng của giai đoạn này là
năng suất ép mía và hiệu suất ép mía.
- Năng suất ép mía: năng suất của hệ máy ép là số tấn mía ép được trong một đơn vị
thời gian với hiệu suất ép nhất định. Đơn vị của năng suất thường dùng là tấn mía/ngày
hoặc tấn mía/giờ.
- Hiệu suất ép mía: hiệu suất ép là số liệu quan trọng để đánh giá khả năng làm việc
của phân xưởng ép. Hiện nay hiệu suất ép thường đạt từ 92-96%.
Ép:
Nguyên tắc thực hiện
Để lấy nước mía, cần phá vỡ các tế bào của cây mía bằng cách dùng lực cơ học xé tơi
và ép dập thân cây. Giai đoạn khai thác nước mía chia làm hai bước: xử lý và ép
mía. Cây mía vừa dài vừa cong, vỏ mía lại có một lớp sáp trơn nên gây khó khăn cho
việc ép lấy nước. Vì vây để năng cao năng suất ép và hiệu suất ép, đầu tiên mía cần
chặt băm nhỏ. Cây mía sau khi đổ vào băng tải sẽ được san bằng, đi qua các dao chặt
hai lần. Ở lần thứ nhất: mía được chặt thành từng khúc nhỏ 20-25 mm. Sau đó mía

được chuyển đến máy ép dập hay vào búa đập để xé mía thành từng sợi nhỏ có đường
kính từ 1-2 mm. Mía xé tơi sẽ được băng chuyền chuyển đến hệ máy ép hay còn gọi là
hệ các che ép mía. Mục đích chủ yếu của quá trình ép là chiết rút tới mức tối đa cho
phép lượng đường saccharose có trong cây mía. Vì nước mía nằm trong các tế bào, do
đó nếu chỉ sử dụng lực ép cơ học thuần tuý thì sẽ không tách triệt để lượng đường có
trong cây mía. Bổ sung thêm một lượng nước vào trong quá trình ép sẽ giúp tăng hiệu
suất tách đường.

9


nbhgt

Giai đoạn làm sạch nước mía
Nguyên tắc thực hiện
Để loại bỏ những tạp chất thô không hòa tan, đơn giản là có thể sử dụng các loại rây
có kích cỡ khác nhau. Để loại bỏ chất keo, cần tạo các điều kiện để keo tụ hay sử dụng
các chất hấp phụ lôi kéo các chất keo đồng kết tủa sau đó lắng, lọc để loại các kết tủa
này để các chất tan kết tụ và phân riêng tủa bằng các biện pháp lắng hoặc lọc. để loại
các chất màu hòa tan, phương pháp hữu hiệu nhất là hấp thụ bằng than và đât hoạt
tính. Cuối cùng, để loại các chất hòa tan không keo tụ như cation kim loại kiềm hay
các anion dễ tan thì sử dụng các cột trao đổi ion.
Quá trình lắng – lóng
Nguyên tắc của lắng-lóng là dựa vào độ chênh lệch khối lượng riêng của các hạt kết
tủa và nước mía để phân lớp. Vận tốc lắng hay nổi của các chất kết tủa phụ thuộc vào
độ nhớt, kích thước của tủa và độ chênh lệch khối lượng riêng giữa tủa và dịch nước
mía hỗn hợp. Để làm giảm độ nhớt, nước mía được gia nhiệt tới 100-105oC. Để làm
tăng kích thước của các hạt kết tủa, ngay từ giai đoạn tạo tủa, cấu tạo điều kiện thích
hợp để bông tủa kết tụ lớn. Trong giai đoạn lắng, cần bổ sung một số chất trợ lắng có
khả năng tạo dạng keo và quện các chất tủa lơ lửng thành khối lớn.

 Quá trình lọc
Mục đích: khai thác, tận thu phần đường còn sót trong nước bùn. Trong quá trình
lọc nước bùn, cần bổ sung một phần các xơ mịn dể làm chất trợ lọc. các dạng thiết bị
lọc thường được sử dụng trong sản xuất đường mía là thiết bị lọc khung bản và lọc
chân không thùng quay. Ngoài ra còn sử dụng thiết bị lọc dĩa và thiết bị lọc ống.
 Quá trình cô đặc
Mục đích công nghệ: làm bốc hơi nước mía có nồng độ từ 13- 150Bx đến nồng độ
mật chè 60- 650Bx. Mục đích nhằm loại nước, giảm khối lượng thành phẩm trước khi
tẩy màu, và là quá trình chuẩn bị kết tinh đường .
Các biến đổi nguyên liệu: ở nhiệt độ cao và nước bốc hơi saccharose sẽ bị biến đổi
thành glucose và fructose. Quá trình diễn ra nhanh chóng nếu trong dung dịch đường
có tính acid. Khi nước mía bốc hơi, một phần khoáng chưa loại bỏ hết sẽ tạo cặn gây
hạn chế khả năng truyền nhiệt
Phương pháp thực hiện: quá trình cô đặc được thực hiện ngay sau qúa trình
lắng – lọc và trước khi qua quá trình loại các chất không đường hòa tan. Do nồng độ
đương trước và sau khi cô đặc khác nhau nhiều nên để giảm bớt các biến đổi của
đườngcũng như tiết kiệm năng lượng cần sử dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tiếp
nhau. Hơi thứ củ nồi trước sẽ được tận thu làm hơi đốt cho nồi sau. Dung dịch nước

10


nbhgt

đường đi qua mỗi nồi được tách đi một phần nước, do đó nồng độ đường tăng
dần. Trong quá trinh cô đặc nước mía, nhiệt độ sôi của dung dịch đường thay đổi phụ
thuộc vào áp suất, nồng độ đường saccharose và tinh độ của nước mía hỗn hợp. ngoài
ra trong các nhà máy công nghiệp, cần lưu ý đến tổn thất do áp suất thủy tĩnh gây ra
bởi chiều cao cột nước. điều này dẫn đến sự chênh lệch về điểm sôi giữa bề mặt và
dưới đáy cột nước Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là có sự chênh lệch

nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch đường. thông thường, các nhà máy ở nước ta
thường sử dụng hệ cô đặc cùng chiều để bốc hơi. Chênh lệch áp suất giữa các nồi được
tính toán sao cho nước mía có thể dễ dàng di chuyển từ nồi trước ra nồi sau. Thêm
nữa, để đảm bảo cho nồi cuối nước vẫn bốc hơi, trong công nghiệp thường sử dụng hệ
nồi bốc hơi áp lực chân không.

11


nbhgt

1.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay nhiều cấu
tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất
hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên.
Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi
riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất
thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,…
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở
nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ.
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi
truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt
gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp
suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc
áp suất dư) thì dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi

hoặc nhiều nồi.
Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi
thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt).
Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi
trước làm hơi đốt cho nồi sau.

1.2.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm
cấu tạo có 6 loại được chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên.
+ Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài.
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)
+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.
+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
1.2.3. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

12


nbhgt

Cấu tạo: gồm
- Phòng đốt.
- Ống truyền nhiệt
- Ống tuần hoàn.
Nguyên tắc hoạt động

Dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía
ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành
xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới
lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và
làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi
nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra.
Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch.
+ Hệ số truyền nhiệt K khá lớn.
+ Khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc dung
dịch dễ bị bẩn tắt.
+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng.
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn
trung tâm cũng bị đun nóng.

13


nbhgt

CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1.Lượng nước bốc hơi của hệ thống (hơi thứ)
- Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi - cô đặc.
Gđ.xđ = Gc.xc
[B - 105] - (III - 3)
Với: Gđ , Gc , W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ,

kg/h.
xđ , xc : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khối lượng)
2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong nồi

W
Gc xc
bản tính là 1 giờ. Gđ xđ
Cân bằng vật chất tổng quát: Cô đặc
Gđ = Gc + W, kg/h
Với: Gđ , Gc , W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ,
kg/h
Theo đầu đề: Gc = 2000 kg/h
 W = Gđ - 2000
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
Gđ.xđ = Gc.xc
[B - 105] - (III - 3)
Với: xđ , xc : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khối
lượng)
Ta có: xđ = 12%= 0,12
xc = 50% = 0,5
 0,12.Gđ = 0,5.Gc
 Gđ = .Gc = .2000 = 8333,3 ( kg/h) =2,3148 (kg/s)

 W = 8333,3 - 2000 = 6333,3 (kg/h) = 1,7593 (kg/s)
2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong nồi
a: Nồng độ đường trong dung dịch là 50% (Xc)
a = = = 0,05 (mol)
2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ nồi
Ta xác định được hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ tra [B - 39] - (II - 7)

Bảng 2.1. Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi.

Nhiệt độ (oC)

Áp suất (at)
Hơi đốt
Hơi thứ
Hơi ngưng

1,721
0,2550
0,24462

115
65
64
14


nbhgt

2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ ∑∆

Hình 2.1. Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc

Tổn thất do nồng độ tăng cao ∆’
Theo công thức Tisencô:
∆’ = ∆o’.f
[B - 106] - (III - 5)
mà

f = 16,2
Trong đó:
- ∆o’: Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.
∆’ = 3,95 oC. Tra trên />- f : Hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suất
thường (hiệu suất áp suất thường = 1at). [B - 106]
Tm : Nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thì bằng nhiệt
độ hơi thứ oK.
r : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung moou ở áp suất làm việc (J/kg). [B - 39]
Lấy r = 2345,2.103
Mà
f = 16,2. = 0,789
∆’ = ∆o’.f = 3,95 . 0,789 = 3,117 oC
Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ∆’’
- Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu của lớp dung dịch: Ở trên bề mặt dung
dịch thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất ở trên
15


nbhgt

mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong quá trình tính
toán, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch:
Ptb = P’ + ∆P, N/m2
[B - 110] - (III - 7)
2
Với ∆P = (h1 + . ρs.g, N/m
Và ρs = ρ , kg/m3
Trong đó:
- P’ : Áp suất trên bề mặt dung dịch, N/m2
P’ = Pht= 0,2250 (at)

- ∆P : Áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống, N/m2
- h1: Chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
của dung dịch, m.
- h2: Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt, m.
- ρs: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3.
- ρ: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3.
- Gia tốc trọng trường, m/s2.
ρ = 1246,7 kg/m3
Tra />- Ta có:
∆P = (h1 + ).ρs.g
= (h1 + )..g
= (0,5 + ) . . 9,81 = 6115,06 (N/m2)
= = 0,062 (at)
- Ta có:
Ptb = P’ + ∆P = Pht + ∆P = 0,2250 + 0,062 = 0,287 (at)
Tra theo [B - 39] => ttb = 67,5 oC
Công thức tra trang 111_STTB [4]
∆’’ = ttb - tht = 67,5 - 65 = 2,5 oC [B - 111]
Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống ∆’’
Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi
khác và từ nồi cuối cùng đến thiết bị ngưng tụ là 1oC.
∆’’’ = 1oC
[B - 111]
Tổn thất chưng trong toàn hệ thống cô đặc
∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 3,117 + 2,5 + 1 = 6,617 oC
[B - 111]
2.2.3. Hiệu suất nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu suất nhiệt độ hữu ích ∆ti
∆tch = T - tng = thd - tng = 115 - 64 = 51 oC

[B - 111]

∆ti = ∆tch - ∑∆ = 51- 6,617 = 44,383 oC
Nhiệt độ sôi dung dịch ts
ts = tht + ∆’ + ∆’’ = 65 + 3,117 + 2,5 = 70,62 oC

[B - 111] - (III - 10)

2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch
- Nhiệt dung riêng đầu của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức
sau:
16


nbhgt

Cđ = 4186. (1 - Xđ), (J/Kg.độ)

[AI - 152] - (I- 43)

Với: X - Nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%)
 Cđ = 4186.(1 - 0,12) = 3683,68 (J/Kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của dung dịch cuối:
Cdd = Cc = 4190 - (2514 - 7,542.ts).Xc, J/Kg.oC
= 4190 - (2514 - 7,542 . 70,62) . 0,5
= 3199,308 (J/Kg.độ)

[AI - 153] - (I - 50)

2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ nồi

Gọi:
D: Lượng hơi nước cho vào nồi, kg/s.
I: Hàm nhiệt hơi đốt, (J/kg)
I = 2704.103 (J/kg) [B - 39]
i: Hàm nhiệt hơi thứ
i = 2617,5.103(J/kg) [B - 39]
tđ, ts: Nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, oC.
θ = tng = 115oC, nhiệt độ của nước ngưng, coi nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ của
hơi đốt.
Cđ, Cc, Cn: Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng, (J/kg.độ).
Cn = 4242 (J/kg.độ) [B - 38]

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống

17


nbhgt

- Do dung dịch đầu: Gđ, Cđ, tđ
- Do hơi đốt: D, I
Lượng Lượng nhiệt vào:
nhiệt mang ra:
- Do sản phẩm: Gc, Cc, tc
- Do hơi thứ: W.i
- Do nước ngưng: D, C, θ
Ta có:
Công thức [AIII - 142] - (I - 32)
D = W + GđCđ
= 1,7593(kg/s).

2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
QD = D.r

(W)

r: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
r =2221.103 (J/kg), tra ở thđ =115 oC

[B - 39]

QD = D.r = 2,016 . 2221.103 = 4477536 (W)
Bảng 2.2. Lượng nhiệt do hơi cung cấp.

Nồi

D (kg/h)

Thđ (oC)

r (J/kg)

Q (W)

7257,6

115

2221000

4477536

2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của nồi
Hệ số cấp nhiệt
Qúa trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:
- Nhiệt truyền từ hơi đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt và tải
nhiệt riêng q1.
- Dẫn nhiệt qua thành ống.
- Nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt và tải nhiệt riêng q2.
18


nbhgt

- Ta có:
∆t1 = thđ - tT1, oC
∆t2 = tT2 - tS, oC
∆t = ∆t1 + ∆t2

Hình 2.3. Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch

Hệ số cấp nhiệt , phía hơi ngưng tụ
- Hệ số cấp nhiệt , với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số đối với hơi bảo hòa
ngưng tụ ta tính theo công thức [AII - 28] - (V - 101)

Với:
r: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
H: Chiều cao ống truyền nhiệt (H = 1,5 m)
A: Trị số phụ thuộc tm
A=

Bảng 2.3. Gía trị A phụ thuộc và tm

Tm (oC) 0
A

104

20

40

60

80

100

120

140

160

180

120

139

155

169

179

188

194

197

199

Chọn ∆t1 = 5 oC
tT1 = thđ - ∆t = 115 - 5 = 110 oC
Nhiệt độ màng tm:
19


nbhgt

tm = = = 112,5 oC
A = 184,625

[AII - 29]

r = 2221.103 (J/kg), Tra ở thđ = 115 oC [B - 39]
Vậy:
= 2,04.184,625.= 9723,3 (W/m2.độ)
Ta có:

q1 = . ∆t1 = 9723,3 . 5 = 48616,68 (W/m2)
Bảng 2.4. Hệ số cấp nhiệt , phía hơi ngưng tụ

thđ
tS
∆t1
tT1
tm
A
r
q1
o

C
C
o
C
o
C
o
C
J/kg
o

W/m2.độ

Nồi 115 70,62

5

W/m2
110 112,5 148,625

2221.103 9723,3

Hệ số cấp nhiệt , từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
- Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.
∆t2 = tT2 - tS mà tT2 = tT1 - q1. ∑r
Với: ∑r = r1+ r2 + r3
- Chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa) là nước sạch theo [AII - 4] - (VI)
=> r1 = 0,232.10-3 nhiệt trở của nước sạch (m2. độ/W)
=> r2 = 0,387.10-3 nhiệt trở của cặn bẩn (m2.độ/W)
- Chọn bề dày của ống truyền nhiệt: = 0,002 (m)
20

48616,68


nbhgt

- Chọn vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt:
= 50 W/m.độ
 r3 = = = 4.10-5
∑r = r1 + r2 + r3 = 0,232.10-3 + 0,387.10-3 + 4.10-5 = 6,59.10-4 (m2.độ/W)
tT2 = tT1 - q1. ∑r = 110 - (48616,68 . 6,59.10-4) = 77,9 oC
 ∆ = - = 77,9 - 70,62 = 7,28 oC

- Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp
nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức [AIII - 71] - (VI - 27)
- Ta có:

= =. (W/m2.K)
Trong đó:
- : Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc dung dịch theo nồng độ. Do nước sôi sủi bọt
nên được tính theo công thức [B - 44]
= 3,14. p 0,13q0,7 , W/m2 độ
∆ = 7,28oC
P = Pht . 9,81.104 = 0,2550 . 9,81.104 = 25015,5 (N/m2)
= 3,14 . 25015,50,13 . 48616,680,7 = 22358,7 (W/m2.độ)
Bảng 2.5. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi

q W/m2
Nồi

48616,68

tT1 oC

tT2 oC

∆t2 oC

αn(W/m2.độ)

110

77,9

7,28

22358,7

- Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg. độ)
- μdd: Độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)
μdd = 35,817 (mpa.s) = 0,035817 (Ns/m2)
Tra theo: />- : Khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)
= 1246,7 (Kg/m3)
Tra theo: />21


nbhgt

- Cn: Nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg. độ)
Cn = 4183 (J/kg. độ)
- μn: Độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)
μn = 0,434.10-3 (Ns/m2)
- ρn: Khối lượng riêng nước khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)
ρn = 980,5 (kg/m3)
- Hệ số dẫn nhiệt của nước (W/m.độ)
λn = 66,3.102 (W/m.độ)
Cn, μn, ρn

[B - 39]

λdd: Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng
Theo công thức [AI - 132] - (I - 32)
λdd = A.Cp.ρ. (W/m.độ)
Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)
 Cp = Cdd = 3199,308 (J/kg.độ)
ρ: Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)
ρ = ρdd = 1246,7 (kg/m3)

A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước
A = 3,58.10-8

[AI - 123]

M: Khối lượng mol của hỗn hợp loãng, ở đây hỗn hợp là đường và nước.
M = a. Mđường + (1 - a). MH2O
 M = 0,05 . 342 + (1 - 0,05) . 18 = 34,2 (kg/mol)
λdd = 3,58.10-8 . 3199,308 . 1246,7. = 0,473 (W/m.độ)
 = 22358,7.
=6707,61 (W/m2.độ)
 q2 = . ∆t2 = 6707,61 . 7,28 = 48831,4

22