Đồ án cô đặc 1 nồi nước xoài (nồi 2 vỏ)

6
\\
\0 G7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
--------

ĐỒ ÁN I – QUÁ TRÌNH VÀ
THIẾT BỊ CNTP
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐẶC MỘT NỒI ĐỂ CƠ ĐẶC
DUNG DỊCH NƯỚC XỒI ÉP NĂNG SUẤT 300KG/MẺ
Sinh viên thực hiện

:

MSSV

:

Lớp

:

Giảng viên hướng dẫn

:

Hà Nội 06/2021

Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
MỤC LỤC


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

LỜI MỞ ĐẦU
Bộ mơn “Q trình và thiết bị cơng nghệ thực phẩm” cung cấp những kiến thức cần
thiết cho sinh viên và kĩ sư công nghệ thực phẩm, kĩ sư chế biến nông sản, thủy hải
sản và kĩ sư máy thực phẩm. Ngồi ra bộ mơn này góp phần nào tới kĩ sư các ngành
kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sản xuất công nghiệp
liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc thiết bị hiện đại trên thế
giới, nhất là trong thời đại hiện nay mà máy móc khoa học đang phát triển không
ngừng.
Trong đề tài đồ án được giao: “Tính tốn thiết kế hệ thống cơ đặc 1 nồi để cơ đặc
dung dịch nước xồi ép năng suất 300kg/mẻ” ,chủ yếu đề cập đến các quá trình xảy
ra trong thiết bị cô đặc 1 nồi , hiểu được cấu trúc, cách vận hành hệ thống cũng như
biết tính tốn được các thông số công nghệ cần thiết phục vụ cho việc thiết kế thiết
bị
Như chúng ta biết cô đặc ứng dụng rất nhiều trong q trình sản xuất hóa chất và
thực phẩm, nhất là trong các ngành sản xuất nước quả cơ đặc, hóa chất,…Xồi là
một loại cây ăn quả được trồng nhiều ở Việt Nam, cho sản lượng thu hoạch hàng
năm lớn, vì vậy gây ra một số khó khăn trong q trình bảo quản ngun quả. Để
tăng thời gian bảo quản cũng như tạo ra những sản phẩm mới phục vụ nhu cầu trong
nước cũng như xuất khẩu thì ép quả lấy nước sau đó đem cơ đặc cũng là một giải
pháp hay, tiết kiệm chi phí, kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn giữ được giá trị dinh
dưỡng cho sản phẩm.
Vì đây là đồ án đầu tiên được thực hiện dưới thời sinh viên nên khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót,em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cơ để

hồn thiện kiến thức của mình hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

4


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Tính tốn thiết kế hệ thống cơ đặc 1 nồi để cơ đặc dung dịch nước xồi ép:
1.1

Năng suất theo sản phẩm: 300kg/mẻ
Nồng độ đầu: 10Bx
Nồng độ cuối: 55Bx

TỔNG QUAN VỀ NGUN LIỆU

Xồi thuộc họ đào lộn hột (Anacadiaceae), có tên khoa học là Mangifera
indica L. Đây là loại cây ăn quả nhiệt đới, có nguồn gốc từ Ấn Độ và các vùng
giáp ranh như Việt Nam, Myanmar, Malaysia,…
Tại Việt Nam, xồi được trồng nhiều nhất ở Đồng bằng sơng Cửu Long và một số
khu vực miền Trung, Tây Bắc..., . Theo số liệu thống kê vào năm 2017, Việt Nam có
diện tích trồng lên tới 92.746 ha và sản lượng đạt 788.233 tấn, trong đó ĐBSCL là
vùng sản xuất xồi lớn nhất, chiếm đến 46,1% diện tích và 64.4% sản lượng xồi
của cả nước; tiếp theo là vùng Đơng Nam Bộ (chiếm 19,2% diện tích và 64,4% sản
lượng xồi cả nước)
Xồi có giá trị dinh dưỡng cao, phù hợp cho mọi lứa tuổi. Trong 100g xồi chín

chứa: nước 86,5g; glucid 15,9g; protein 0,6g; lipid 0,3g; tro 0,6g; các chất khoáng:
Ca, P, Fe ; các vitamin: A , B1, C ; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi
ngày,46% nhu cầu vitamin C,…
Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng có trong 100 g xồi
Thành phần

Hàm lượng

Đơn vị

Nước

84

%

Glucid

15

g

Protein

0

g

Lipid

0

g

Chất xơ

1

µg

Vitamin A

40

mg

Vitamin B1

0,5

mg
5


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
Vitamin B2

0,06

mg

Vitamin C

53

mg

Vitamin E

1

mg

Canxi

10

mg

Photpho

15

mg

Sắt

0,3

mg

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:
-

1.2

Dung mơi: nước
Các chất hịa tan chiếm chủ yếu là đường Saccaroze và nhiều cấu tử với hàm
lượng rất thấp (coi như khơng có). Các cấu tử này xem như khơng bay hơi
trong q trình cơ đặc.

KHÁI QT VỀ Q TRÌNH CƠ ĐẶC

1.2.1 Khái niệm

Cơ đặc là q trình làm mất nước (dung môi) trong dung dịch (dung dịch là hỗn hợp
giữa dung mơi và chất rắn hịa tan trong dung mơi) để thu được dung dịch có nồng
độ chất rắn cao.
Q trình cơ đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, mọi áp suất (áp suất chân không, áp
suất thường, áp suất dư) trong hệ thống một hoặc nhiều thiết bị cơ đặc. Trong đó:
-

-

Cơ đặc chân khơng dung cho các dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ phân hủy
bởi nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dung cho dung dịch khơng bị
phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, sử dụng hơi thứ cho
cô đặc và cho các q trình đun nóng khác
Cơ đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ khơng được sử dung mà thải ra ngồi

khơng khí. Đây là phương pháp đơn giản nhưng khơng kinh tế

Trong cơng nghiệp thực phẩm và hóa chất thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun
sôi gọi là q trình cơ đặc. Đặc điểm của cơ đặc là dung môi được tách ra khỏi dung
dịch ở dạng hơi, cịn chất hịa tan trong dung dịch sẽ khơng bay hơi do vậy nồng độ
dung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất trong chưng cất thì các cấu tử trong hỗn
hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ.
6


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
Hơi của dung môi được tách ra khỏi dung dịch được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt
độ cao có thể dung để đun nóng thiết bị khác. Nếu dung hơi thứ để đun nóng một
thiết bị khác ngồi thiết bị cơ đặc thì được gọi là hơi phụ.
Q trình cơ đặc có thể diễn ra trong một nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạn hoặc liên
tục. Q trình cơ đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy từng vào yêu cầu
kĩ thuật. Khi dùng ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dung thiết bị hở,
còn khi làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cơ đặc trong chân khơng (áp
suất thấp) vì nó có ưu điểm : khi áp suất giảm thì nhiệt độ sơi của dung dịch cũng
giảm theo khi đó độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi buồng đốt và dung dịch tăng do
diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm.
Cô đặc nhiều nồi là sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt nên nó có ý nghĩa kinh tế cao
về sử dụng nhiệt và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Hơi đốt của nồi thứ nhất
sử dụng hơi từ nồi hơi, hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứ
của nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuối cùng đi vào thiết bị ngưng
tụ. Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi sau bao giờ cũng thấp hơn nồi
trước, bởi vậy mà người ta thường cô đặc dung dịch ở nồi thứ nhất với áp suất dư
còn các nồi sau đều ở áp suất chân không. Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi dung
dịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi tiếp theo, qua mỗi nồi dung môi bay hơi đi một
phần, nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuối cùng nồng độ dung dịch đạt được như

yêu cầu thì người ta tháo dịch vào thùng chứa.
1.2.2 Các phương pháp cô đặc

1.2.2.1 Cô đặc bằng phương pháp lạnh đông
Khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước sẽ kết tinh và lớn dần lên tạo thành khối
băng, tách khỏi dung dịch ban đầu. Q trình cơ đặc này phụ thuộc nhiều vào nhiệt
độ lạnh đông, số lượng tinh thể đá tạo thành. Sử dụng phương pháp này sẽ tránh gây
mất vitamin, các chất thơm và các chất dễ bị phân hủy bơi nhiệt. Tuy nhiên, chi phí
năng lượng và chi phí thiết bị cho phương pháp này cao.
1.2.2.2 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược
Khi ngăn hai dung dịch khác nhau bằng tấm màn bán thấm, nước sẽ đi từ dung dịch
có nồng độ chất khơ thấp đến nơi có nồng độ chất khô cao để hai bên đạt nồng độ
cân bằng. Trong phương pháp này, dưới tác dụng cơ học của dung dịch có nồng độ
7


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
cao hơn áp suất thẩm thấu, làm nước đi theo chiều ngược lại từ nơi có nồng độ chất
khơ cao đến nơi có nồng độ chất khơ thấp. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế
tối đa mất mát các thành phần cơ bản của dung dich. Tuy nhiên, phương pháp này
làm mất một số muối khống và khơng được thanh trùng bổ sung.
1.2.2.3 Cô đặc bằng bốc hơi nhờ nhiệt độ
Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Nhờ nhiệt độ, dung dịch được đun sôi
và lúc này, nước trong dung dịch diễn ra quá trình chuyển khối từ pha từ lỏng sang
hơi và tách ra khỏi dung dịch. Phương pháp này được dùng phổ biến, trang thiết bị
tương đối đơn giản. Tuy nhiên, do sử dụng nhiệt độ nên không tránh khỏi tổn thất
một số chất dinh dưỡng dễ bị phân hủy bởi nhiệt. Ngoài ra, trong quá trình bốc hơi,
hơi nước cuốn theo các chất thơm và các chất dễ bay hơi khác của dung dịch.
1.2.3 Những biến đổi của q trình cơ đặc

 Biến đổi vật lý
- Khi dung dịch bay hơi: nồng độ chất hịa tan sẽ tăng, do đó tính chất của
dung dịch sẽ thay đổi. Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô
đặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi.
- Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt phía
dung dịch giảm. Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất do nồng độ sẽ
tăng.
 Biến đổi hóa học
- Thay đổi pH của mơi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấu tử
tạo thành axit.
- Độ kiềm tăng.
- Đóng cặn, do số muối canxi hịa tan rất chậm trong nồng độ cao, do phân
hủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa.
- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất.
- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ và
áp suất.
- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữa đường
khử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito.
 Biến đổi sinh học
- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)
- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao

8


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
1.2.4 Bản chất của q trình cơ đặc do nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụng lên bề mặt
thống phải lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục

trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do vậy ta cần cấp nhiệt để các phân tử đủ năng
lượng để thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong q trình cấp nhiệt
và chuyển động liên tục, do sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa các phân tử trên
bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hồn tự nhiên trong nồi cơ đặc
1.2.5 Ứng dụng q trình cơ đặc

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.
Mục đích: để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoăc đưa dung dịch qua
trạng thái bão hịa để kết tinh.
Ví dụ về ứng dụng của q trình cơ đặc trong sản xuất các loại thực phẩm: đường,
các loại nước ép rau, củ, quả: cà chua, dứa, xồi,…
1.3 THIẾT BỊ CƠ ĐẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1.3.1 Phân loại
Theo cấu tạo, tính chất của nhóm đối tượng cần cơ đặc
* Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo
dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

* Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dung dịch từ
1,5- 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm: tăng hệ số truyền nhiệt, độ nhớt
cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
* Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếp xúc quá
lâu làm biến chất sản phẩm.
Theo phương pháp thực hiện q trình
* Cơ đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi áp suất không đổi. Thường dung cô đặc
dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định và thời gian cô đặc ngắn.
9


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

* Cơ đặc áp suất chân khơng dung dịch có nhiệt độ sơi thấp hơn do có áp suất
chân khơng.
* Cơ đặc nhiều nồi mục đích là tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi khơng nên lớn
q vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra. Do sử dụng
hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao.
1.3.2 Yêu cầu về công nghệ và thiết bị






*

Yêu cầu công nghệ
Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định
Giảm tổn thất chất khơ
Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi
Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt
Yêu cầu thiết bị
Về cấu tạo, thiết bị cơ đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phận chính
như sau:
Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt
là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các
ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống
Không gian để phân ly: Hơi dung mơi tạo ra cịn chưa cả dung dịch nên phải
có khơng gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt
Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi

* Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cơ đặc:

 Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cô đặc: độ
nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mịn kim loại,…
 Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm
mạnh.
 Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ lấy
nhiệt cho cấp cơ đặc tiếp theo.
 Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong khơng gian bên ngồi giữa các ống của
giàn ống.
 Đảm bảo tách các khí khơng ngưng cịn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
 Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơi bên
trong các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn).

10


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
1.3.3 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống

 Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực.
 Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điều kiện
chân không.
 Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bị cuối
làm việc ở áp suất chân không
1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc

 Các thiết bị chính
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, nồi hai vỏ, …
 Ống nhập liệu, ống tháo liệu
 Buồng đốt , buồng bốc hơi
 Đáy, nắp

 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng
 Các thiết bị phụ
 Các bể chứa: nguyên liệu, sản phẩm,…
 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không;
 Thiết bị gia nhiệt;
 Thiết bị ngưng tụ: Baromet; ống chùm,…
 Thiết bị đo và điều chỉnh.
 Lưu lượng kế
 Thùng cao vị
 Các van,…

11


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
2.1 CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Q trình cơ đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều
nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Cô đặc là quá trình sử dụng một nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho dung dịch để làm bốc
hơi dung dịch cần cô đặc thu được dung dịch có nồng độ cao hơn.
Cơ đặc chân khơng là q trình cơ đặc mà thiết bị cô đặc hoạt động ở áp suất chân
không, thấp hơn áp suất khí quyển, mục đích làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch cô
đặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất do nhiệt độ cao.
Ngồi ra q trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về năng lượng do
chênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp.
Hệ thống cô đặc cũng rất đa dạng, có thể là hệ thống đơn chiếc một nồi cô, hặc hệ
thống nhiều nồi và tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồi khác giúp
giảm rất nhiều chi phí năng lượng.

Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cô đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánh khuấy vì một
số lí do như:
-

Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)
Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành
Dễ dàng vệ sinh thiết bị
Phù hợp với các loại dung dịch nước quả hoặc dung dịch có độ nhớt cao,
…
Cánh khuấy được thiết kế sẽ có tác dụng khuấy trộn dung dịch, tránh hiện
tượng dung dịch bị đóng cặn trong q trình cô đặc

12


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

2.2 SƠ ĐỒ NGUN LÝ HỆ THỐNG CƠ ĐẶC 1 NỒI

Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc chân khơng một nồi sử dụng nồi
hai vỏ có cánh khuấy
1.Thùng chứa nguyên liệu ; 2. Bơm nhập liệu ; 3. Ống dẫn hơi đốt; 4. Cửa nhập
liệu ; 5. Buồng bốc; 6. Quả cầu CIP; 7. Ống dẫn hơi thứ ; 8.Cửa thốt khí khơng
ngưng; 9. Buồng đốt; 10. Cửa thoát nước ngưng; 11. Cửa tháo sản phẩm; 12. Cốc
tách nước ngưng; 13. Thùng chứa sản phẩm; 14. Thiết bị đo áp suất; 15. Thiết bị
ngưng tụ; 16. Bộ phận tách lỏng; 17. Bơm chân không; 18. Bể chứa nước ngưng

13

Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,2 at.
Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% (10Bx) từ bể chứa nguyên liệu (1)
vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồng bốc hơi (4)
trong thiết bị cô đặc, sau khi nhập đủ 1650 kg thì dừng.
Khi nhập đủ 1650 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (hơi nước bão hòa ở áp suất 3at).
Dung dịch nước xồi được đun nóng tới nhiệt độ sôi, dung dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng
– hơi (phần hơi sẽ đi lên trên buồng bốc (5). Dung dịch trong buồng bốc hơi được
gia nhiệt bởi hơi đốt trong buồng bốc. Dung dịch trong buồng bốc sẽ sôi và bốc hơi,
hơi thứ và khí khơng ngưng bốc ra được dẫn vào ống dẫn hơi thứ (7) vào thiết bị
ngưng tụ dạng ống chùm (15) ( thiết bị ngưng tụ này gồm nhiều ống truyền nhiệt
nhỏ và được ngưng tụ bằng nước lạnh đi bên ngoài ống ), sau khi ngưng tụ thành
lỏng sẽ chảy qua bộ phận tách lỏng(16), cịn phần khí khơng ngưng sẽ được bơm hút
chân khơng(17) hút ra ngoài ống. Nước ngưng được đưa xuống bể chứa nuớc
ngưng(18). Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa thoát nước ngưng(10), qua
cốc tách nước ngưng(12) rồi được xả ra ngồi thùng chứa nước ngưng.
Q trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 55% (55Bx) thì ngưng cấp hơi đốt, sau đó
tháo sản phẩm ra bằng cửa tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa (13).

14


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
 Số liệu ban đầu:
• Dung dịch nước xồi ép có:

- Nồng độ ban đầu: 10Bx
- Nồng độ cuối: 55Bx
• Chọn nhiệt độ ban đầu là 20ºC
• Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at
• Chọn áp suất ngưng tụ Pck=0,2 at
• Cơ đặc gián đoạn với năng suất 300kg/mẻ

3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
 Phương trình cân bằng vật chất cho các giai đoạn:
Gđ = G c + W
Gđ.xđ = Gc.xc
Trong đó: Gđ,Gc: lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối của mỗi giai đoạn, kg
xđ, xc: nồng độ dung dịch đầu, dung dịch cuối của mỗi giai đoạn, %
W: lượng hơi thứ bốc ra của mỗi giai đoạn, kg
 Chia lượng dung dịch nhập vào theo các khoảng nồng độ : 10%, 25%, 40%,
55%
 Giai đoạn từ 40% đến 55%
Có: xđ = 40%=0,4; xc = 55%=0,55; Gc = 300kg
== 412,5 (kg)
Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
 Giai đoạn từ 25 đến 40%
Có xđ = 25%=0,25; xc = 40%=0,4; Gc = 412,5 kg
== 660 (kg)
Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
15


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
 Giai đoạn từ 10% đến 25%
xđ = 10%=0,1; xc = 25%=0,25; Gc = 660kg

== 1650 (kg)
Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
 Tổng lượng hơi thứ bốc ra trong tồn bộ q trình cơ đặc:
Wtổng= 990+247,5+112,5= 1350 (kg)
 Tổng lượng nhập liệu ban đầu: Gđ = 1650kg
Bảng 3.1. Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, %

10

25

40

55

Khối lượng dung dịch, kg

1650

660

412,5

300

Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg

0

990

247,5

112,5

1105,51

1178,53

1259,76

Khối lượng riêng dung dịch, 1039,98
kg/m3
3.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Chọn áp suất thiết bị ngưng tụ P0=0,2 at
Suy ra nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t0= 59,7ºC

(Bảng I. 251 trang 314 Tài liệu [1])
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ 0,5 oC
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1 = 59,7 + 0,5 = 60,2oC.
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung mơi (là nước) trên mặt thống dung dịch
Với = 60,2oC.
Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc hơi là P10.2031 at
(Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])
3.2.1 Tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp
suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
16

Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
 Tồn thất nhiệt do nồng độ – Nhiệt độ sôi dung dịch
Theo công thức Tisenco (VI.9 trang 59 Tài liệu [2]):

Trong đó: : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sơi của dung dịch tính lớn hơn nhiệt
độ sơi của dung mơi ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
f: hệ số hiệu chỉnh tính theo cơng thức với T là nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất ở áp suất đã cho (K) và r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi
nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)
Tại giá trị P1= 0,2031 at, ta tính ra r= 2358.10 3 J/kg (Bảng I.251 trang 314
Tài liệu [1]) ,từ đó tính được = 0,76
* Tính tại nồng độ 10% :
Ta có ( Hình VI.2 trang 60 Tài liệu [2])
Suy ra = 0,12 oC
Nhiệt độ sơi dung dịch là oC

Tính tương tự tại các nồng độ khác, ta thu được kết quả:
Bảng 3.2. Kết quả tính tốn tổn thất nhiệt do nồng độ

Nồng độ dung dịch, %

10

25

40

55
17

Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
Tổn thất

0,16

0.51

1,12

2,33

Tổn thất

0,12

0,39

0,85

1,77

Nhiệt độ sôi dung dịch

60,32

60,59

61,05

61,97

 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
Đây là tổn thất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng trên đáy
buồng bốc hơi so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sơi trung bình (thường lấy
nhiệt độ sơi của lớp chất lỏng ở giữa buồng bốc).
Ta có :ttb – t1
Mà áp suất thuỷ tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc :
Ptb = P1 + (Δh+ h/2). dds . g (N/m2)
Hay

Ptb = P1 + (Δh + h/2). dds . g . (at)

Trong đó:
ttb

: nhiệt độ sơi của dung dịch ứng với áp suất Ptb

t1

: nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P1 trên mặt thoáng

P1

: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch (N/m2)

h : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ đáy buồng bốc hơi đến mặt
thoáng của dung dịch (m) .Thường chọn h = 0,5m
h : chiều cao buồng đốt (m) ; h=1,5m

dds

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), dds =0,5
18


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
g : gia tốc trọng trường (m/s2).Thường chọn g = 9,81 m/s
* Tính tại thời điểm dung dịch có nồng độ 10%
Ta có: Ptb = 0,2031 + (0,5 + 0,75) 519,999,81×= 0,268 at
Theo Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1], ta có tại áp suất 0,268 at, ta nội suy
được 65,82 oC.
Vậy tại áp suất 0,268 at, nhiệt độ sôi của H2O là 65,83 0C
Độ tăng nhiệt độ do cột thủy tĩnh là: ttb – t1 = 65,83 – 60,2 = 5,63 oC
=> nhiệt độ sôi dung dịch Đường 10% ở áp suất Ptb là
o

C

Tính tương tự cho các khoảng nồng độ khác ta có
Bảng 3.3. Kết quả tính tốn

Nồng độ dung dịch, %

10

25

40

55

5,62

5,98

6,43

6,88

, at
65,95
66,59
3.2.2 Tính cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn

67,46

68,85

, oC.

* Cân bằng nhiệt lượng: nhiệt vào = nhiệt ra
19


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
* Nhiệt lượng vào gồm có:
- Do dung dịch đầu: Gđ, cđ, tđ
- Do hơi đốt: D.(1-).i”D
- Độ ẩm của hơi: .D.c.

* Nhiệt lượng ra gồm có:
- Hơi thứ mag ra: W.i”w
- Nước ngưng tụ: D.c.
- Sản phẩm mang ra: Gc, cc, tc
- Nhiệt cô đặc: Qcđ
- Nhiệt tổn thất: Qtt
- Độ ẩm của hơi: = 0,05
* Phương trình cân bằng nhiệt:
Với
D

: lượng hơi đốt sử dụng, kg
: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo
: nhiệt độ nước ngưng, oC

c

: nhiệt dung riêng nước ngưng ở , J/kg độ

cđ, cc : nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ
tđ, tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, oC
: entanpi của hơi đốt, J/kg
: entanpi của hơi thứ, J/kg
Qt: nhiệt lượng tổn thất, J
Qcđ: nhiệt lượng cô đặc, J
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
QD = D.(1-).() = D.(1-).r
r = : nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất PĐ
20

Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
* Nhiệt dung riêng của dung dịch
 Nếu x < 20% ta tính C theo cơng thức:
Cdd = 4186 (1- x) ( Công thức I.42 trang 152 Tài liệu [1])
 Nếu x >20% thì C được tính theo cơng thức
Cdd = cht . x + 4186 (1-x)( Công thức I.43 trang 152 Tài liệu
[1])
Trong đó:
x: nồng độ dung dịch
Cht: nhiệt dung riêng của chất hịa tan khan( khơng chứa nước)
Cht được tính theo cơng thức
Với nC, nH, nO : số ngun tử C,H,O trong hợp chất
CC, CH,CO : nhiệt dung riêng của các nguyên tố C,H,O. Tra bảng I.141
trang 152 Tài liệu [1] ta có:
CC = 7500 (J/kg.độ)
CH = 9630 (J/kg.độ)
CO = 16800 (J/kg.độ)
Vậy Cht= (J/kg.độ)
Vậy nhiệt dung riêng của dung dịch theo nồng độ:

Nồng độ dung dịch, %

10

25

45

55

Nhiệt dung riêng, J/kg

3764,4

3495,3

3080,8

2666,4
21


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
* Chọn hơi đốt có áp suấ t Pđ = 3at => thđ = 132,9oC
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at là
r = 2171.103 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
Entanpi của hơi thứ ở 60,2 oC, =2608,3103 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài
liệu [1])
* Tổn thất nhiệt Qt = 0.05QD
* Xem nhiệt cô đặc Qcđ là không đáng kể
 Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% lên 65,95oC
Gđ = Gc = 1650 kg
cđ = cc = 3767,4 J/kg độ
tđ = 20oC; tc =65,95oC; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q1 =16503767,4 (65,95 - 20) =2,86108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất):
QD1 = = 3,01108 J
Lượng hơi đốt sử dụng:

D1 = = 138 kg
 Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 25%
Gđ = 1650 kg ; cđ =3767,4 J/kg độ ; tđ =65,95oC
Gc = 660 kg ; cc = 3495,3 J/kg độ ; tc = 66,59oC
W = 990 kg
22


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q2=66066,59 – 16503767,465,95 + 9902608,2103
⇒ Q2 = 23,3108 J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
QD2 = = 24,5108 J
Lượng hơi đốt sử dụng:

D2 = = 1128 kg

 Giai đoạn từ 25% đến 40%
Gđ = 660 kg ; cđ =3495,3 J/kg độ ; tđ =66,59oC
Gc = 412,5 kg ; cc = 3080,8 J/kg độ ; tc = 67,46oC
W = 247,5 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q3=412,53080,867,46 – 66066,59+ 247,52608,2103
⇒ Q3 = 5,78108 J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
QD3 = = 6,08108 J
Lượng hơi đốt sử dụng:

D3 = = 280 kg

 Giai đoạn từ 40% đến 55%
23


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
Gđ = 412,5 kg ; cđ =3080,8 J/kg độ ; tđ =67,46oC
Gc = 300 kg ; cc = 2666,4 J/kg độ ; tc = 68,85oC
W = 112,5 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q4=30068.84 –412,53080,867,46 + 112,52608,2103
⇒ Q4 = 2,63108 J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
QD4 = = 2,77108 J
Lượng hơi đốt sử dụng:

D4 = = 127 kg

 Tổng nhiệt lượng cung cấp là : Qtổng=Q1+Q2+Q3+Q4= 34,5 J
 Tổng lượng hơi đốt sử dụng là: Dtổng=D1+D2+D3+D4= 1674 kg
 Lượng hơi đốt riêng
Driêng= = = 1,24 kg hơi đốt/ kg hơi thứ
Bảng 3.4. Tóm tắt q trình cân bằng năng lượng
Nồng độ dung dịch, %

3.3

10

25

40

55

Nhiệt lượng hữu ích, J×108

2,86

23,3

5,78

2,63

Tổng nhiệt lượng cung cấp

3,01

24,5

6,08

2,77

Lượng hơi đốt sử dụng, kg

138

1128

280

127

TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong q trình sơi

3.3.1.1 Các kí hiệu và cơng thức
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m2K
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sơi, W/m2K
q1

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2

q2

: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2
24


Đồ án I – Quá trình và thiết bị CNTP
: nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, W/m2

qv

tv1: nhiệt độ trung bình vách ngồi buồng đốt, oC
tv2

: nhiệt độ trung bình vách trong buồng đốt, oC

tD

: nhiệt độ hơi đốt, tD = 132.9oC

tdd

: nhiệt độ dung dịch sôi, oC

: nhiệt độ màng nước ngưng, oC
3.3.1.2 Phía hơi đốt thành thiết bị
Ta có: q1 = α1.Δt1 (1)
Theo cơng thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]:

(2)

Với A= phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
tm, oC

40

60

80

100

120

140

160

180

200

A

139

155

169

179

188

194

197

199

199

Trong đó:
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m3

:

hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK

:

độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD, r = 2171103 J/kg
3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch
Ta có: q2 = (3)
Theo cơng thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]:
(4)
25