Tính toán thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục

ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH II
Đề tài: Tính tốn thiết kế thiết bị cơ đặc nước mía 1 nồi liên tục,
năng suất 1200kg sản phẩm/h

SVTH: Cao Đức Anh
MSSV: 20143322
Lớp: QTTB 05
GVHD: ThS. Phạm Thanh Phong

Hà Nội, 06/2018


LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Chuyên
ngành II là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các q trình và thiết bị của cơng nghệ
thực phẩm. Bên cạnh đó, mơn học này cịn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thơng qua
việc tính tốn, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể,
thơng dụng.
Vì vậy em chọn đề tài “Tính tốn thiết kế thiết bị cơ đặc nước mía một nồi
liên tục, năng suất sản phẩm 1200 kg/h”
Đồ án này đề cập tới các vấn đề liên quan về ngành mía đường cũng như q
trình cơ đặc, quy trình cơng nghệ, tính tốn cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền
nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết
theo yêu cầu.
Em xin chân thành cảm ơn cơ Phạm Thanh Phong đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn em trong quá trình thiết kế. Sự xem xét và đánh giá khách quan của cô sẽ là nguồn
động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn,
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................2
CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN.........................................................................................3

Tổng quan về ngành cơng nghiệp mía đường.......................................................3

1.1.1

Ngun liệu mía đường..................................................................................3

1.1.2

Ngun liệu và sản phẩm của q trình cơ đặc mía đường............................4

1.1.3

Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm...........................................................4

1.1.4

Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hố...........................................5

1.2

Cơ đặc và q trình cơ đặc....................................................................................5

1.2.1

Định nghĩa.....................................................................................................5

1.2.2

Các phương pháp cơ đặc................................................................................5

1.2.3

Phân loại các hệ thống cô đặc........................................................................6

1.2.4

Những biến đổi cơ bản trong q trình cơ đặc...............................................7

1.2.5

Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc...................................................7

1.2.6

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc.................................................7

1.2.7

Lựa chọn thiết bị cơ đặc nước mía.................................................................8

CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ...................................................................9

2.1

Sơ đồ hệ thống......................................................................................................9

2.2

Ngun lí làm việc của hệ thống...........................................................................9

CHƯƠNG 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT.....................................................................12

3.1

Dữ kiện ban đầu..................................................................................................12

3.2

Cân bằng vật chất...............................................................................................12

3.3

Cân bằng năng lượng..........................................................................................12

3.3.1

Chế độ nhiệt độ............................................................................................12

3.3.2

Các tổn thất nhiệt độ....................................................................................13

3.3.3

Cân bằng nhiệt lượng...................................................................................16


3.3.4

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc....................................................................18

3.3.5

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng........................................................................18

CHƯƠNG 4

TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CƠ ĐẶC.................19

4.1

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1).....................................................................19

4.2

Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)......................................................................19

4.3

Nhiệt tải riêng phía tường (qv)............................................................................21

4.4

Tiến trình tính nhiệt tải riêng..............................................................................22

4.5

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cơ đặc..........................................................22

4.6

Diện tích bề mặt truyền nhiệt..............................................................................23

CHƯƠNG 5
5.1

TÍNH THIẾT BỊ CƠ ĐẶC....................................................................24

Tính buồng đốt...................................................................................................24

5.1.1

Xác định số ống truyền nhiệt trong nồi........................................................24

5.1.2

Đường kính ống tuần hồn trung tâm...........................................................24

5.1.3

Sắp xếp vỉ ống..............................................................................................25

5.1.4

Đường kính buồng đốt.................................................................................25

5.1.5

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt.....................................................................25

5.2

Tính buồng bốc...................................................................................................26

5.2.1

Tính đường kính buồng bốc Db....................................................................26

5.2.2

Tính chiều cao buồng bốc hơi......................................................................27

5.3

Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu.........................................................27

5.3.1

Ống nhập liệu...............................................................................................28

5.3.2

Ống tháo liệu................................................................................................28

5.3.3

Ống dẫn hơi đốt............................................................................................28

5.3.4

Ống dẫn hơi thứ...........................................................................................29

5.3.5

Ống dẫn nước ngưng....................................................................................29

5.3.6

Ống xả khí khơng ngưng..............................................................................30

5.3.7

Tổng kết về đường kính ống.........................................................................30

CHƯƠNG 6
6.1

TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ...............................................................31

Tính thiết bị ngưng tụ Baromet...........................................................................31


6.1.1

Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ.................................................31

6.1.2

Thể tích khơng khí và khí khơng ngưng cần hút ra khỏi thiết......................31

6.1.3

Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet..............................32

6.2

Tính tốn và chọn bơm.......................................................................................34

6.2.1

Bơm chân khơng..........................................................................................34

6.2.2

Chọn bơm chân khơng.................................................................................35

CHƯƠNG 7
7.1

TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ..................................36

Tính cho buồng đốt.............................................................................................36

7.1.1

Sơ lược cấu tạo.............................................................................................36

7.1.2

Tính tốn......................................................................................................36

7.2

Tính cho buồng bốc............................................................................................37

7.2.1

Sơ lược cấu tạo.............................................................................................37

7.2.2

Tính tốn......................................................................................................37

7.3

Tính cho đáy thiết bị...........................................................................................41

7.4

Tính nắp thiết bị..................................................................................................41

7.5

Tính mặt bích......................................................................................................43

7.5.1

Sơ lược cấu tạo.............................................................................................43

7.5.2

Chọn mặt bích..............................................................................................43

7.6

Tính vỉ ống.........................................................................................................44

7.6.1

Sơ lược cấu tạo.............................................................................................44

7.6.2

Tính tốn......................................................................................................45

7.7

Tính tai treo chân đỡ...........................................................................................46

7.7.1

Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ...................................................................46

7.7.2

Thể tích các bộ phận thiết bị........................................................................46

7.7.3

Khối lượng các bộ phận thiết bị:..................................................................49

7.7.4

Tổng khối lượng...........................................................................................49

7.7.5

Chọn chân đỡ tai treo:..................................................................................50

KẾT LUẬN...................................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................52



DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Ngun liệu mía đường......................................................................................3

1


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5.1. Số liệu đường kính các ống..............................................................................30
Bảng 7.1. Số liệu bích nối buồng bốc và buồng đốt.........................................................43
Bảng 7.2. Số liệu bích nối buồng đốt và đáy....................................................................44
Bảng 7.3. Số liệu bích nối buồng bốc và nắp...................................................................44
Bảng 7.4. Bảng số liệu kích thước tai treo.......................................................................50

2


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về ngành cơng nghiệp mía đường
1.1.1 Nguyên liệu mía đường
Mía là nguyên liệu chính để sản xuất đường saccharose. Cây mía có nguồn gốc từ
Ấn Độ. Thuộc họ hòa thảo (Poacease), giống Saccharum. Ở nước ta cây mía được trồng
suốt từ Bắc vào Nam.

Hình 1.1. Ngun liệu mía đường
Ngành cơng 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 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 cơng nghiệp có liên quan khơng gắn kết với
nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển cơng nghiệp đường mía.

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành cơng nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng,
mía đường hiện nay khơng 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 cịn 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 và khơng 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
3


nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…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 cơ đặc là
một yếu tố quan trọng khơng kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần
không thể xem thường.
1.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm của q trình cơ đặc mía đường
1.1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
 Dung mơi: nước.
 Các chất hịa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như khơng có) và
chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như khơng bay hơi trong

q trình cơ đặc.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít. Nồng độ đường trước khi
cô đặc khoảng từ 15-20% khối lượng.
1.1.2.2 Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
 Dung mơi: nước.
 Các chất hồ tan: có nồng độ cao hơn ban đầu.
1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm
Trong q trình cơ đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi
không ngừng.
 Biến đổi tính chất vật lý:
Thời gian cơ đặc tang làm cho nồng độ dung dịch tang dẫn đến tính chất dung dịch
thay đổi:
-

Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiêt, hệ số
truyền nhiệt.
- Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do
nồng độ, nhiệt độ sôi.
 Biến đổi tính chất hóa học:
4


-

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 bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ít hịa tan ở nồng
độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
- Phân hủy chất cơ đặc.

- Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ
giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
 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 và giá trị sinh hoá
 Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.
 Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu.
 Thành phần hóa học chủ yếu khơng thay đổi.

1.2 Cơ đặc và q trình cơ đặc
1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung
dịch gồm 2 hai hay nhiều cấu tử. Q trình cơ 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 q trình vật lý – hố lý. Tuỳ theo tính chất
của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi trong q trình đó), ta có thể tách một phần
dung mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương
pháp làm lạnh (kết tinh).
1.2.2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q
trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.

5

1.2.3 Phân loại các hệ thống cô đặc
1.2.3.1 Theo cấu tạo
 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên). Thiết bị cơ đặc nhóm
này có thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, 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 hồn trong hoặc ngồi.
- Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc).
 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức). Thiết bị cơ 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 hồn ngồi.
- Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
 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 ngồi: dung dịch sơi tạo
bọt khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.3.2 Theo phương thức thực hiện
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 khơng: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp ở áp suất chân khơng.
Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.

Cơ đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên q lớn
vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cơ chân khơng, cơ 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.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự
động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.

6


Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi,
có hoặc khơng có ống tuần hồn. Tuỳ 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.
1.2.4 Những biến đổi cơ bản trong q trình cơ đặc
1.2.4.1 Biến đổi về vật lý và hoá lý
Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất khơ tăng làm tính chất của dung dịch cũng
thay đổi như: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và hệ số cấp nhiệt của dung dịch giảm;
trong khi đó thì các chỉ số về độ nhớt, khối lượng riêng của dung dịch tăng.
1.2.4.2 Biến đổi về hoá học
Sự tăng nồng độ chất khô cũng dẫn đến một số thay đổi hóa học như: giảm pH,
một số phản ứng kết tủa; xuất hiện các phản ứng phụ như: caramen hóa, sự phân hủy
vitamin,…
1.2.4.3 Biến đổi về sinh học
Việc sử dụng nhiệt độ trong q trình cơ đặc làm hạn chế khả năng hoạt động của
vi sinh vật, giúp sản phẩm được bảo quản trong thời gian dài.
1.2.5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hố 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 điều tất

yếu. Nó địi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Dẫn
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.
1.2.6 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
1.2.6.1 Thiết bị chính





Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng

1.2.6.2 Thiết bị phụ
 Bể chứa nguyên liệu
 Bể chứa sản phẩm
 Bồn cao vị
7













Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ baromet
Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
Bơm tháo liệu
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Bơm chân không
Các van
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

1.2.7 Lựa chọn thiết bị cô đặc nước mía
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đề
bài, lựa chọn thiết bị cơ đặc chân khơng 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần
hoàn trung tâm. Thiết bị cơ đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa.
Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí
năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lơi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư
thiết bị).
Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hồn dung dịch nhỏ
(vì ống tuần hồn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.

8


CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

2.1 Sơ đồ hệ thống

nuoc lanh

7
3

6

8

4

hoi dot

5

9
hoi dot

nuoc ngung

nuoc ngung

1

10
Bom
Chân
Không

2

1 – Thùng chứa dịch

6 – Thiết bị cô đặc

2 – Bơm

7 – Thiết bị ngưng tụ Baromet

3 – Thùng cao vị

8 – Bộ phận tách nước và khí khơng ngưng

4 – Lưu lượng kế

9 – Ống Baromet

5 – Thiết bị đun nóng dịch

10 – Bơm chân khơng

2.2 Ngun lí làm việc của hệ thống
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 sơi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt
thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ
ống được hàn dính vào thân. Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hịa
ngưng tụ trên bề mặt ngồi của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung
dịch lên nhiệt độ sôi.

Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện q trình bốc
hơi. Trong nồi cơ đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không. Hơi thứ
9


bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài
bồn chứa, phần khơng ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ cịn khí theo bơm chân khơng
ra ngồi. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm.

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 (hơi nước bão hồ) đi ở khoảng khơng
gian ngồi ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang
chuyển động trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt
do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sơi, làm hố hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo
ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài.

Nguyên tắc 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
hồn, 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 dịng chuyển động tuần hoàn tự nhiên
trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hồn.
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 cịn lại được hồn
lưu.
Dung dịch sau cơ đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản

phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí khơng ngưng thốt 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 khơng ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận
tách giọt rồi được bơm chân khơng hút ra ngồi. 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 khơng, duy trì áp suất chân khơng trong hệ thống. Thiết

10


bị làm việc ở áp suất chân khơng nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước
ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà khơng cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lơi cuốn theo
dịng khí khơng ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
Bơm chân khơng có nhiệm vụ hút khí khơng ngưng ra ngồi để tránh trường hợp
khí khơng 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.

11


CHƯƠNG 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Dữ kiện ban đầu
-

Dung dịch đường mía.

-

Nồng độ nhập liệu xđ=15% (khối lượng).

-

Nồng độ sản phẩm xc=24% (khối lượng).

-

Năng suất sản phẩm Gc=1200 kg/h.

-

Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck=0,75at.

-

Áp suất tuyệt đối Pc=Pa - Pck=1- 0,75=0,25at.

-

Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa là 3at.

-

Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ=300C.

3.2 Cân bằng vật chất
 Suất lượng nhập liệu (Gđ)
Theo định luật bảo tồn chất khơ, ta có:

 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

3.3 Cân bằng năng lượng
3.3.1 Chế độ nhiệt độ
-

Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3at. Tra bảng I.251, trang 315, [1], ta có
nhiệt độ hơi đốt là 132,9 0C.

-

Tính áp suất hơi thứ trong buồng bốc:

Gọi là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ. Theo [3], trang 296, chọn =1oC.
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc

Trong đó:
12


: nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet
: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thống).
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất tuyệt đối (at)

Nhiệt độ sôi (0C)

0,2

59,7

0,3

68,7

Theo công thức nội suy, ta có:
Tại áp suất 0,25at, nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là:
Mà (theo chứng minh trên)
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ (0C)

Áp suất (at)

65

0,2550

70

0,3177

Dùng cơng thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,2oC là:

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ

 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (’)
Theo cơng thức VI.10, trang 59, [2], ta có:
Trong đó:
: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.
: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.
f: hệ số hiệu chỉnh

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [oK].
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra bảng VI.1, trang 59, [2], ta có:

13


Nhiệt độ (0C)

f

65

0,7899

70

0,8177

Tại . Dùng công thức nội suy, ta được:
Với nồng độ cuối của dung dịch là 24% thì (vì khi cơ đặc có tuần hồn 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])

Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ () là 0,49oC.
 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (’’)
Áp suất thủy tĩnh: Theo công thức VI.12, trang 60, [2], ta có:

Trong đó:
P0: áp suất hơi thứ=0,2575at
h1: chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
dung dịch (m).
h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m).
: khối lượng riêng của dung dịch khi sơi (kg/m3).
g: gia tốc trọng trường=9,81m/s2.
Ta có:

Vì đây là q trình cơ đặc liên tục nên tra theo nồng độ trung bình của dung dịch
(tra bảng I.86, trang 59, [1])
Chọn h1=0,5 (m); h2=2 (m)
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Áp suất (at)

Nhiệt độ (0C)

0,3

68,7
14


0,4

75,4

Dùng công thức nội suy, ta suy ra được nhiệt độ sơi trung bình ứng với Ptb là:
Theo cơng thức trang 296, [3], ta có:

o

Theo trên, ∆’=0,49 C mà (trang 296,[3])

o

Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 5,59 C.
 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆thi)
Tổn thất nhiệt độ:

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi vào thiết
bị ngưng tụ là:

Chênh lệch nhiêt độ hữu ích:

(Các công thức lấy từ trang 67, 68, [2]).
3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng
 Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD)
Theo cơng thức VI-3, trang 57, [2], ta có:

Trong đó:
Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W.
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W.
15

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.
 Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sơi (Qđ)
Theo Sổ tay Q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Trong đó:
Gđ=1920 kg/h.
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ.
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, trang 153:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
, J/kg.độ
 Ở thì:

J/kg.độ.
 Ở thì:
J/kg.độ.
Giải thích:
Trong q trình đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sơi, khi đó dung dịch chưa bốc
hơi nên nồng độ dung dịch khơng thay đổi và chính là nồng độ đầu của nguyên liệu và
bằng 15%).
Ở nồng độ 15%, tra theo đồ thị hình VI-2, Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng
nghệ hóa chất tập 2, trang 60: =0,2
Mà
(J/Kg.độ)
Với
Thay tất cả vào ta được:

 Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)
16

Theo cơng thức VI.3, trang 57, [2], ta có:
Trong đó:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W=720 kg/h
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,2575 at, J/kg
Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, trang 314:
P (at)

r.10-3 (J/kg)

0,2

2358

0,3

2336

Dùng công thức nội suy, ta suy ra được

 Nhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn)
Theo công thức VI-4 trang 57, [2], ta có:
Trong đó:
: nhiệt hịa tan tích phân của chất rắn hịa tan trong dung dịch ở nồng độ lỗng ban
đầu của q trình cơ đặc.
: nhiệt hịa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của q trình cơ đặc.
Thường thì rất bé so với các phần nhiệt cịn lại nên có thể bỏ qua. (4)
 Nhiệt lượng tổn thất (Qtt)
Chọn Qtt=4% QD (5)
Thế (2), (3), (4), (5) vào (1) ta được:

Vậy nhiệt lượng tiêu thụ cho q trình cơ đặc là 19,59.108 (J/h) = 544,167 KW.
3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc
Theo cơng thức VI.6a, trang 57, [2], ta có:
Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc:

17


Trong đó:
: nhiệt lượng tiêu thụ cho q trình cơ đặc. =19,59 .108 (J/h)
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at, r=2171.10 3 J/Kg (tra bảng I.251,
trang 315, [1]).
3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:
Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,253 kg hơi đốt.

18


CHƯƠNG 4

TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)
Theo cơng thức V-101, trang 28, [2]:
Với:
Trong đó:
3
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at, r=2171.10 J/kg (tra bảng

I.251, trang 315,[2]).
H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H=1 m
A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm
Với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.
A: tra bảng trang 29,[2].
α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.độ
4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)
Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sơi: q
trình cơ đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sơi và tuần hồn tự nhiên trong thiết bị, hình
thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch, hệ số cấp nhiệt là:
Theo cơng thức VI.27, trang 71, [2]:
(*)
Trong đó:

: hệ số cấp nhiệt của nước.
(2)
(công thức V.90, trang 26, [2])
p=0,2575at=25260,75 N/m2

: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, oC
Cdd, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước, J/Kg.độ

, : độ nhớt của dung dịch và của nước, N.s/m2
19