ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHUỐI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------------

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
[

THIẾT BỊ CƠ ĐẶC HAI NỒI
XI CHIỀU LIÊN TỤC
Nhóm sinh viên thực hiện:
TRẦN THỊ THÁI TÂM
NGUYỄN TÂN TÂN
PHẠM ĐẮC TÀI

Cần Thơ - năm 2018



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------------

ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
[4 d

THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

HAI NỒI XI CHIỀU LIÊN TỤC

Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm sinh viên thực hiện:

TS. LÊ VŨ LAN PHƯƠNG

TRẦN THỊ THÁI TÂM (1500493)
NGUYỄN TÂN TÂN (1500114)
PHẠM ĐẮC TÀI (1500226)

Cần Thơ - năm 2018


MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................................................i
DANH SÁCH BẢNG.....................................................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH.......................................................................................................................iv
ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................................................v
NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN..............................................................................................................vi
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG...............................................................................................1
1.1. Giới thiệu nguyên liệu...........................................................................................................1
1.2 Tổng quan về cô đặc...............................................................................................................1
1.2.1 Định nghĩa.......................................................................................................................1
1.2.2 Đặc điểm q trình cơ đặc...............................................................................................1
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cơ đặc....................................................................2
1.2.4 Phân loại thiết bị cơ đặc..................................................................................................3
1.2.5 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc................................................................................4
1.2.6 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng............................................................................4
CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG......................................................5
2.1 Tính cân bằng vật liệu............................................................................................................5

2.1.1 Lượng hơi thứ bốc lên toàn hệ thống..............................................................................5
2.1.2 Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi.......................................................................5
2.1.3 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi.............................................................................5
2.2 Cân bằng nhiệt lượng.............................................................................................................5
2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi.......................................................................5
2.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất...............................................................................................6
2.3 Cân bằng nhiệt lượng...........................................................................................................10
2.3.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi............................................................10
2.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng.......................................................................10
2.3.3 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi...........................................................12
2.4 Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt..............................................................................12
2.4.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp...........................................................................12
2.4.3 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch..................................................................................14
CHƯƠNG 3: Thiết bị chính...........................................................................................................19
3.1 Buồng đốt.............................................................................................................................19
3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt...............................................................................................19
3.1.2 Đường kính ống tuần hồn trung tâm...........................................................................19
3.1.3 Đường kính buồng đốt..................................................................................................20
3.2 Buồng bốc.............................................................................................................................21
3.2.1 Đường kính buồng bốc..................................................................................................21
3.2.2 Chiều cao buồng bốc.....................................................................................................21
3.3 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào, ra thiết bị.......................................22
3.3.1 Ống dẫn hơi đốt vào......................................................................................................22
3.3.2 Ống dẫn dung dịch vào.................................................................................................22
3.3.3 Ống dẫn hơi thứ ra.........................................................................................................23
3.3.4 Ống dẫn dung dịch ra....................................................................................................23
3.3.5 Ống tháo nước ngưng....................................................................................................23
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ.................................................................................25
4.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet....................................................................................25
4.2 Cân bằng vật liệu..................................................................................................................25

4.2.1 Lượng nước lạnh tưới vào tụ.......................................................................................25
4.2.2 Thể tích khơng khí và khí khơng ngưng cần rút ra khỏi thiết bị..................................26
4.3 Kích thước thiết bị ngưng tụ................................................................................................26
1


4.3.1 Đường kính trong (CT_VI.57/ST2-T86)......................................................................26
4.3.2 Kích thước tấm ngăn.....................................................................................................26
4.3.3 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ....................................................................................27
4.4 Tính tốn bơm.......................................................................................................................29
CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN CƠ KHÍ............................................................................................31
5.1 Chiều dày buồng đốt............................................................................................................31
5.2 Chiều dày buồng bốc............................................................................................................32
5.3 Chiều dày đáy buồng đốt......................................................................................................33
5.4 Chiều dày nắp buồng bốc.....................................................................................................35
5.5 Chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị..........................................................................37
5.6 Đoạn thu hẹp không gian nối buồng bốc và buồng đốt.......................................................38
5.7 Tính vỉ ống............................................................................................................................38
5.8 Tai treo..................................................................................................................................39
5.8.1 Tính khối lượng của thiết bị..........................................................................................40
5.8.2 Khối lượng dung dịch...................................................................................................41
5.9 Một số chi tiết khác..............................................................................................................41
5.9.1 Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3............................................................................41
5.9.2 Chọn kính quan sát........................................................................................................42
5.9.3 Chọn cửa người.............................................................................................................42
TỔNG KẾT THIẾT BỊ...................................................................................................................44
KẾT LUẬN.....................................................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................................46

2

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng của chuối sứ, chuối tây...........................1
Bảng 2.1 Kết quả áp suất và nhiệt độ mỗi nồi...............................................6
Bảng 2.2 Nhiệt độ tổn thất của mỗi nồi do nồng độ tăng cao......................7
Bảng 2.3 Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh.........................................9
Bảng 2.4 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của hai nồi.........................14
Bảng 2.5: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch................................................16
Bảng 3.1 Cách bố trí số ống theo hình lục giác đều...................................19
Bảng 3.2 Bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị
vào các ống dẫn...........................................................................................24
Bảng
4.1
Kích
thước
chủ
yếu
của
thiết
bị
Baromet.....................................27
Bảng 5.1 Bích liền bằng thép để nối thiết bị kích thước buồng đốt..........35
Bảng 5.2 Bích liền bằng thép để nối thiết bị kích thước buồng bốc.........37
Bảng 5.3 Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị
và ống dẫn...................................................................................................42

3

DANH SÁCH HÌNH

Trang
Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet

30

Hình 5.1 Bích liền bằng thép để nối hai thiết bị

44

Hình 5.2 Sơ đồ để tính vỉ ống
4

46


ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong kỹ thuật sản xuất cơng nghiệp hóa chất và các ngành khác,
thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng
trong lỏng. Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất
kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch.
Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan khơng
bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc dạng ống tuần hồn trung tâm,
tuần hồn cưỡng bức, phịng đốt ngồi,...trong đó thiết bị cơ đặc có tuần
hồn có ống tuần hồn trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có
nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chửa, dùng cơ đặc có độ nhớt
tương đối và cao,... dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi,...nối
tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường

sử dụng thiết bị hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt
cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư công nghệ là thiết
kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chúng
em được phân công đồ án học phần. Việc thực hiện đồ án là việc rất có ích
cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi
đã hoàn thành khối lượng kiến thức của các mơn” Q trình và thiết bị
Cơng nghệ Hóa học ” trên cở sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một
số mơn khoa học khác có liên quan mỗi sinh viên có thể tự tính tốn thiết
kế một thiết bị cơng nghệ theo u cầu. Qua việc làm đồ án môn học này,
mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng
đúng những kiến thức, quy định trong tính tốn và thiết kế, tự nâng cao kỹ
năng trình bày bản vẽ thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề
một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này, chúng em cần thực hiện là thiết kế hệ thống
cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục, loại thiết bị tuần hoàn trung tâm, loại
dung dịch là nước chuối trong.

5


NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
1. Tên đồ án
Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều liên tục dùng để cô đặc
nước chuối trong
2. Nhiệm vụ đồ án:
3. Số liệu ban đầu: Gc=1000 kg/h, Xđ= 22%, Xc= 64% (theo khối
lượng )
Nội dung
- Giới thiệu tổng quan (tổng quan về ngun liệu và q trình cơ đặc)

- Qui trình cơng nghệ ( đưa ra sơ đồ và thuyết minh qui trình cơng
nghệ )
- Tính tốn cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng.
- Tính tốn thiết kế thiết bị chính ( tính tốn về các thơng số về đường
kính, chiều cao, bề dày và các chi tiết khác)
- Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A0 gồm: bản vẽ qui trình cơng nghệ, bản vẽ chi
tiết thiết bị chính.

6


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu nguyên liệu
- Chuối là tên gọi các loài cây thuộc chi Musa, trái của nó là trái cây được
ăn rộng rãi nhất. Những cây này có gốc từ vùng nhiệt đới ở Đơng Nam
Á và Úc nhưng ngày nay nó được trồng khắp vùng nhiệt đới. Chuối được
trồng ở ít nhất 107 quốc gia.
Một quả chuối trung bình (khoảng 126 gram) được coi là một phần ăn.
Một khẩu phần của chuối chứa 110 calo, 30g carbohydrate và 1 gam
protein.Các thành phần dinh dưỡng của chuối được tổng hợp ở bảng 1.1.
Bảng 1.1 : Thành phần dinh dưỡng của chuối sứ, chuối tây
Thành phần dinh dưỡng
Hàm lượng dinh dưỡng
 Vitamin B6
0,5 mg
0,3 mg
 Mangan
9 mg

 Vitamin C
450 mg
 Kali
3g
 Dietary Fiber
1g
 Protein
34 mg
 Magnesium
25,0 mcg
 Folate
0,1 mg
 Riboflavin
0,8 mg
 Niacin
81 IU
 Vitamin A
0,3 mg
 Sắt
1.2 Tổng quan về cô đặc
1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch
chứa chất tan không bay hơi với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)
1.2.2 Đặc điểm quá trình cơ đặc
Cơ đặc bằng nhiệt (hay cơ đặc bốc hơi) là quá trình làm bay hơi nước
trong thực phẩm dưới tác dụng của nhiệt nhằm mục đích làm tăng nồng độ

1


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

chất khô của thực phẩm của thực phẩm. Cần phân biệt sự khác nhau giữa
hai q trình cơ đặc và sấy. Trong q trình cơ đặc bằng nhiệt, ngun liệu
đầu vào ln có dạng lỏng, như syrup, nước trái cây, sữa… Nồng độ chất
khô của nguyên liệu thường dao động trong khoảng 10 – 35%. Sau q
trình cơ đặc, sản phẩm thu được cũng có dạng lỏng và nồng độ chất khơ có
thể lên đến 80%.
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tách nước ra khỏi thực
phẩm lỏng như thẩm thấu ngược – sử dụng membrane (reverse osmosis),
cô đặc lạnh đông (freeze concentration), cô đặc bằng nhiệt… Trong đó,
phương pháp cơ đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí năng lượng. Tuy nhiên,
ưu điểm của phương pháp cơ đặc có thể tăng lên rất cao so với các phương
pháp tách nước khác.
Trong q trình cơ đặc nhiệt, người ta thường sử dụng hơi nước bão
hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sôi. Khi đó, nước từ
trạng thái lỏng sẽ chuyển qua trạng thái hơi và thốt vào mơi trường xung
quanh.
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cơ đặc
Q trình cơ đặc thực phẩm có 3 thơng số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời
gian sản phẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc
hơi.
 Nhiệt độ sôi
- Khi tiến hành một q trình cơ đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản
phẩm tới nhiệt độ sơi. Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ
chất khơ đã đến nồng độ u cầu thì ngừng q trình cơ đặc và cho sản
phẩm ra khỏi thiết bị.

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ
chất khô và tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm.
- Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sơi của
sản phẩm càng thấp. Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ
giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm. Hay nói cách khác là điều chỉnh
nhiệt độ sơi bằng cách thay đổi độ chân không.
- Khi nồng độ chất khô trong sản phẩm càng lớn thì nhiệt độ sơi càng cao.
Trong q trình cơ đặc, nồng độ chất khơ tăng dần nên nhiệt độ sôi của sản
phẩm cũng tăng dần.
- Nhiệt độ sơi thấp thì tính chất của thực phẩm ít bị biến đổi như sinh tố ít
bị tổn thất, màu sắc ít bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi. Nhiệt độ sôi
2


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

thấp còn làm giảm tốc độ ăn mòn và kéo dài thời gian bền của vật liệu làm
thiết bị cô đặc.
 Thời gian cô đặc
Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi
nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu. Thời gian cô đặc phụ
thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của sản
phẩm. Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm
có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị
càng ngắn.
 Cường độ bốc hơi
Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt
giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi. Cường độ trao đổi nhiệt được đặc
trưng bằng hệ số truyền nhiệt của q trình cơ đặc. Hệ số truyền nhiệt
càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.

1.2.4 Phân loại thiết bị cơ đặc
1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cơ đặc
dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung
dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt gồm:
+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hồn
trong hoặc ngồi.
+ Có buồng đốt ngồi (khơng 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 hồn ngồi.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần trách 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 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.
1.2.4.2 Phân loại theo phương pháp thực hiện q trình
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng
đổi. Thường dùng cơ đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố dịch
3


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

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 sơi dưới 100 oC, áp

suất chân khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên
tục.
Cơ đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt vì có thể sử
dụng hơi thứ cho nồi cơ đặc có áp suất thấp hơn từ đó nâng cao hiệu quả
kinh tế.
Cơ 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.
1.2.5 Các thiết bị và chi tiết trong cơ đặc
1.2.5.1 Thiết bị chính
- Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…
1.2.5.2 Thiết bị phụ
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet. Các loại van.
- Thiết bị đo.
- Thùng cao vị.
1.2.6 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
- Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt.
- Phân bố hơi đều.
- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí khơng ngưng.
- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
- Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
- Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.

4

Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Thông số :
+ Loại dung dich: nước chuối trong
+ Nồng độ đầu: 22%
+ Nồng độ cuối: 64%
+ Năng suất sản phẩm: 1000kg/h
+ Loại thiết bị tuần hoàn trung tâm
+ Áp suất ngưng tụ :chọn Png = 0,33at
+ Ấp suất hơi đốt vào nồi 1 : chọn P1 = 1,465 at
2.1 Tính cân bằng vật liệu
2.1.1 Lượng hơi thứ bốc lên toàn hệ thống
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: Gđ.xđ=Gc.xc
Suy ra: Gđ = == 2909,09 (kg/h)
Ta có : Gđ = Gc+W
 = 2909,09.( = 1909,09 (kg/h)
Trong đó: W: lượng hơi thứ bốc lên trong hệ thống cô đặc (kg/h)
Gc: năng suất sản phẩm ( kg/h)
Gd: lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
Xd, xc: nồng độ đầu và cuối của dung dịch (% khối lượng)
2.1.2 Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi
Chọn tỉ số giữa hơi bốc lên từ nồi 1 và 2 là: = (1)
W1 + W2 = W (2)
Từ (1) và (2) có hệ phương trinh, giải hệ ta có:
W1 = 954,545 kg/h , W2 = 954,545 kg/h
2.1.3 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi
Nồng độ cuối của dung dịch khi ra khỏi nồi 1
(%)
Nồng độ cuối của dung dịch khi ra khỏi nồi 2

(%)
2.2 Cân bằng nhiệt lượng
2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi
Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
(at)
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:
5


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Kết hợp phương trình:
Suy ra:
(at);
(at)
Dựa vào các dữ kiện trên và tra sổ tay I_bảng I.251 trang 315ta có:
Bảng 2.1 Kết quả áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
Nồi 1
Nồi 2
Tháp ngưng tụ
Áp
Nhiệt
Áp
Loại
Áp suất Nhiệt độ
Nhiệt độ
suất
độ
suất
(at)

()
()
(at)
()
(at)
Hơi đốt
1,465
110
0,70
89,3
0,32
70
Hơi thứ
0,715
90
0,334
71
2.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất
a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao
Áp dụng công thức của TiSenCô

Với:
Trong đó

f  16, 2

Tm2
r

 '0

: tổn thất nhiệt ở áp suất thường (oC)
f: hệ số hiệu chỉnh (vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất
khác áp suất thường).
Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá
trị bằng nhiệt độ hơi thứ.
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ở áp suất làm việc (J/kg)
 Tra đồ thị (VI.2/ST2-T60)

 Xác định nhiệt độ Ti
T1=273+90=363 0K
T2 = 273+71 = 344 0K
 Xác định ri
r1 = 2284486
(J/kg)
r2 = 2330507
(J/kg)
Vậy
+ Tổn thất nhiêt độ do nồng độ tang cao ở nồi 1:
(oC)
6


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

+ Còn nồi 2:
(oC)
: Nhiết độ hơi thứ của nồi 1 và nồi 2, (oC)
Tổng tổn thất nhiệt độ của hai nồi do nồng độ tăng cao:
0,51393+2,01534 =2,52927

(oC)
Bảng 2.2 Nhiệt độ tổn thất của mỗi nồi do nồng độ tăng cao
 '0
Đại lượng xd
t’
r
o
o
(% k.l) ( C) ( C) (j/kg)
(oC)
(oC)
Nồi
32,74
228448 0,5139
Nồi I
0,6 90
_
4
6
3
233050
2,0153
Nồi II
64
3,2 71
_
4
7
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
Ở đây:

T: nhiệt độ hơi đốt.
t*: nhiệt độ sơi của dung dịch có giá trị lớn nhất.
t**: nhiệt độ sôi của dung dịch ở bề mặt chất thống.
ttb: nhiệt độ sơi của dung dịch, kí hiệu ts.
tht: nhiệt độ hơi thứ.
tng: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ.

(oC)
2,5292
7

 ' : tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao.

∆’’: tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh.
∆’’’: tổn thất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ hơi ngưng tụ và hơi trên bề
mặt
Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch: ở trên
mặt dung dịch thì bằng áp suất hơi trong phịng bốc hơi, cịn ở đáy ống thì
bằng áp suất ở trên mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ
đáy ống. Trong tính tốn, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung
dịch:
Ptb  P '  P

Với

� h2 �
P  �
h1  �
. s . g
� 2�

1
 s  .
2
Và

Trong đó
P’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dich, =0,715 at, = 0,334 at
7


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Ptb: áp suất trug bình (N/m2)
P’: áp suất trên bề mặt dung dịch (N/m2)
Chọn: h1 là chiều cao của lượng dung dịch sôi : h1 = 0,45m
h2: chiều cao của ống đốt (m)
Chọn: h2 = 2 m
 s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

(: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) )
g: gia tốc trọng trường (m/s2)
g = 9,81m/s
Khối lượng riêng dung dịch ứng với nồng độ
= 1116,5384 (kg/m3)
=1312,54 (kg/m3)
Vậy khối lượng riêng của dung dịch:
(kg/m3)
(kg/m3)
Chọn h1=0,45 m; h2= 2 m

Áp suất thủy tĩnh của từng nồi:
+ Nồi 1: (h1 + ). = (0,45+ ). = 0,08094 (at)
+ Nồi 2: (h1 + ). = (0,45+ ). = 0,09516 (at)
Áp suất trung bình của từng nồi:
+ Nồi 1:
= + = 0,715+0,08094= 0,80404
(at)
+ Nồi 2:
= + = 0,334+0,09516 =0,42916
(at)
Tra bảng II-7 Tính chất hóa lý hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất _Sổ
tay thiết bị _Phan Văn Thơm_trang 39 ta có :
ttb1 = 92,82oC
ttb2 =77,008oC
= 0,715 at có = 90oC
= 0,334at có = 71oC
Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh:
+ Nồi 1: = ttb1 - = 92,82 – 90 = 2,82oC
+ Nồi 2: = ttb2 - = 77,008-71=6,008oC
Tổn thất của cả hai nồi:
=2,28+6,008=8,288
c. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống

8


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các giai đoạn ống dẫn hơi thứ
từ nồi I sang nồi II và từ nồi II đến thiết bị ngưng tụ là 1 0C. Do đó:

0
C
∑
d. Tổn thất chung trong tồn hệ thống cô đặC
= 2,52927+8,288+2= 12,817270C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: =T1 – (T2 + ) = 110 – (89,3+0,51393+2,82) =17,36607 0C
Nồi 2: = T2 – (Tng + ) =90-(71+ 2,01534+6,008)
= 10,976660C
Hiệu số hữu ích của cả hệ thống: 0C
Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống :
= + = 17,36607+10,97666=28,342730C
Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch mỗi nồi :
Nồi 1 : = T1 – ts1 ts1 = T1 – = 110-17,36607=92,633930C
Nồi 2 : = T2 – ts2 ts2 = T2 – = 90-10,97666=79,023340C
Bảng 2.3 Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh
Đại lượng
h
Nồi
Xc
h1
2
32,74
1116,538 558,269 0,0809
1
0,45 2
4
4
2

4
0,0951
2
64
0,45 2 1312,54 656,27
6

Đại lượng
Nồi

1

ttbi

92,82

2,82

77,00
6,008
8
2.3 Cân bằng nhiệt lượng

2

0,7979
2
0,4291
6

1
1

9

17,3660
7
10,9766
6

92,63393
79,02334


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

2.3.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
 Nồi I : nồng độ của dung dịch xđ =22% > 20% nên ta áp dụng công
thức :
Cd= Cht.x + 4186(1-x)
(J/kg.độ)
Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan (j/kg.độ).
*
Tra bảng I.141, trang 152, ST1 ta có
Tra bảng I.141/ST1-T152:n1 = 6; n2 = 12; n3 = 6
J/kg.nguyên.tử.độ
J/kg.nguyên.tử.độ
J/k.nguyên.tử.độ
Thay vào (*) ta có: Cht =
(J/kg.độ)

Suy ra : Cd = 1452.0.22+4186.(1-0,22)=3584,52 (J/kg.độ)
Dung dịch ra khỏi nồi 1 có nồng độ xtb1=32,744%
C1= Cht.x + 4186(1-x)
=1452.0,32744+4186.(1-0,32744)=3290,779(J/kg.độ)
Nồi 2: Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 2 x tb2 = 64% > 20% nên áp
dụng cơng thức I.41/ST1-T152:
C2= Cht.x + 4186(1-x)
=1452.0,64+4186.(1-0,64)=2436,14 (J/kg.độ)
2.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nồi 1:
Nồi 2: ).
Trong đó:
D: lượng hơi đốt (hơi sống) dùng cho hệ thống (kg/h)
r: hàm nhiệt của hơi đốt (J/kg)
i1, i2, i3: nhiệt lượng riên của hơi thứ (J/kg)
td, td, tc: nhiệt độ sôi ban đầu và ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch
(oC)
Cd, C1, C2: nhiệt dung riêng ban đầu và ra khỏi nồi 1 và nồi 2của
dung dịch (J/kg.độ)
Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ nồi 1 và nồi 2
(J/kg.độ)

10


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Gd, Gc: lượng dung dịch ban đầu và ra khỏi nồi (kg/h)
Qxq1, Qxq2: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J)
 1,  2: nhiệt độ của nước ngưng tụ của nồi I và nồi II(oC)

Gd: lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hịa, nước ngưng tụ là lỏng sơi ở cùng
nhiệt độ, khi đó ta có:
Tra bảng I.251, trang 314, ST1 ta có
Đầu vào
Đầu ra nồi I
Đầu ra nồi II
Dung dịch
Dung dịch
Dung dịch
0
0
+ td = 40 C
+ t1 = 92,60879 C
+ t2 = 78,849720C
+
Cd
=
3584,52 +
C1
= + C2 = 2436,14(j/kg.độ)
(j/kg.độ)
3290,779(j/kg.độ)
+ G2 = 1909,09 kg/h
+ Gd = 2909,091 kg/h
Hơi thứ
Hơi thứ
Hơi đốt
+ = 710C
+  2 = 900C

+ i2 = 2628240 j/kg
+  1 = 1100C
+ i1 = 2658050 j/kg
+ W2 = 954,545 kg/h
+ i = 2696000 j/kg
+ Cng2= 4268 j/kg.độ
+ Cng1 = 4233 (j/kg.độ) + W1 = 954,545 kg/h
Ta biết: W = W1 + W2
Và cho:
Qxq1 = 0,05.D.(i – Cng1.  1)
Qxq2 = 0,05.D.(i – Cng2.  2)
Vậy hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:

973,21273(kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên nồi 2:
W2 = W – W1 =1909,09-973,21273=935,87727 (kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu tốn chung

2.3.3 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi

Vậy:
Lượng hơi thứ nồi 1: W1=973,21273(kg/h)
Lượng hơi thứ nồi 2: W2=935,87727 (kg/h)
11


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Lượng hơi đốt nồi 1: D=
2.4 Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

2.4.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Tra bảng II-7/sổ tay Qúa trình và thiết bị Phan Văn Thơm_Trang 39
Nồi I:
Q1=D.r(1) = =2558668,435 (kJ/h) = 710,74123
(kW)
Nồi II:
Q2 = W1.r(2) = 973,21273.2285=2223791,088 (kJ/h)=617,71975
(kW)
2.4.2 Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
 Tính hệ số truyền cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
 Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt
nồi 1 và nồi 2 là:
 Với điều kiện làm việc của phòng đốt thẳng đứng H=2, hơi ngưng tụ
bên ngồi ống, máng nước ngưng chảy dịng như vậy hệ số cấp nhiệt được
tính theo cơng thức (V.101/ST2-T28)
(W/m2.độ)
+ : Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống
+ : Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
Ta có
+ q1: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị.
+ q2: Nhiệt tải phía dung dịch sơi
+ : Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành thiết bị tiếp
xúc với hơi đốt
+ : Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ của thành thiết bị phía tiếp xúc với dung
dịch và nhiệt độ sôi của dung dịch
+ r = r(: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt
+ Với điều kiện làm việc của phòng đốt thẳng đứng H=2m
+h1=0,45m chiều cao lượng dung dịch sôi ; h2 = 2m: Chiều cao truyền
nhiệt
+ A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng nước ngưng

Giả thiết: = 0,7
Tra bảng I.250/Sổ Tay 1-Trang 132, theo nhiệt độ hơi đốt:
2234.103
(J/kg)
(J/kg)
12


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Với tm được tính: tmi = 0,5.(tTi + ti ) oC (*)
ti : nhiệt độ hơi đốt
tTi : nhiệt độ bề mặt tường
Mà ta lại có:
(**)
Từ (*) và (**) ta có :
Với t1= 110 oC
tm1= 110 – 0,5. 1,1= 109,45oC
t2 = 90
tm2 = 90 – 0,5. 0,7 = 89,65oC
Tra bảng giá trị phụ thuộc vào tm (ST2-T29)
Tt1 = 109,45oC
A1 = 183,2525
Tt2 = 89,65oC
A2 = 173,825
Vậy
Nhiệt tải riêng vè phía hơi ngưng tụ (CT 4.14/QTTB1-1)
(W/m2)
(W/m2)

Bảng 2.4 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của hai nồi
Nồi
A
,W/m2.độ
, (W/m2)
1
1,1
109,45
183,2525 11867,11627 13053,8279
2
0,7
89,65
173,825 12674,53245 8872,172716
2.4.3 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
a. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sơi
Theo CT VI.27, Sổ tay q trình và thiết bị Cơng nghệ hóa chất tập 2, trang
71
P: áp suất hơi thứ tra bảng 1 ta có:

P’1 = 0,715
P’2 = 0,334
: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi
Hiệu số nhiệt độ giữa hai thành ống truyền nhiệt
∑r, oC
b. Tính tổng nhiệt trở
13


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

�r  r1 


 r2

(CT_ VIII-10_QTTB _Phan Văn Thơm-T234)

Trong đó:
+ r1: nhiệt trở hơi nước (có lẫn dầu nhớt)
+ r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn
(tra bảng II-36_trang 78_sổ tay thiết kế _Phan Văn Thơm)
r1 = 0,232.10-3
(m2.oC/W)
r2 = 0,387.10-3
(m2.oC/W)
 : bề dày ống truyền nhiệt (m)
Bề dày
Hệ số dẫn nhiệt W/m2.oC (bảng PL.14/Bt T1-348)
(m2.oC/W)
-3= 9,08oC
8872,172716.0,698375.10-3 = 6,1695oC
Vậy:

Ta có
A: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng: ta chọn A=3,58.10-3
M: Khối lượng mol của hỗn hợp chất lỏng
: hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ (nước: I.129/ST1-133)
: khối lượng riêng, kg/m3 (dung dịch: I.86/Sổ Tay 1-Trang 58; nước: II-6/
Sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm-37)
C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ (Sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm-37)

: độ nhớt, Cp (Sổ tay thiết kế_Phan Văn Thơm-37)
c. Hệ số hiệu chỉnh
Xác định theo công thức (VI.27/ST2-T71)
(*)
(dd: dung dịch, n: nước; các đại lượng được tra theo nhiệt độ sôi của dung
dịch)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo cơng thức (I.32/ST1-T123)
Khối lượng mol của hỗn hợp chất lỏng
M= 180.a + (1-a).18
Nồi 1: x = 32,744% khối lượng
a1 = = 0,32744 M=180.0,32744 + (1-0,32744).18 =71,04528
14


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Nồi 2: x = 64% khối lượng
a2 = = 0,64 M = 180.0,64+ (1-0,64).18 = 121,68
Vậy:
=3,58.10-8. 3290,779.1116,5384. = 0,32948 (W/m.độ)
= 3,58.10-8. 2436,5134.1312,54. = 0,25297 (W/m.độ)
Ta có:

Bảng 2.5: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
Nồi
a
1
963,47391
1116,5384
0,32744

2
72,490168
1312,54
0,64

Cdd
Cn
4240,8695
1
3290,779 0,32948 0,681
2
4194,0797
2
2436,14
0,37596 0,674
76
Thay vào cơng thức (*) ta tính được:

M
71,04528
121,68

Nồi

1,078.1
0-3
5,584.1
0-3

0,31098.1

0-3
0,36338.1
0-3

Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sơi hồn tồn xác định như
sau:
.= 1860,01008(W/m2.độ)
(W/m2.độ)
Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
(W/m2)
(W/m2)
Kiểm tra giả thiết hệ số nhiệt độ
.100% = 2,37% < 5%
= .100% = 3,48% < 5%
Vậy giả thiết được chấp nhận
d. Hiệu số truyền nhiệt mỗi nồi
Áp dụng công thức: K= N/m2.độ

15


Đồ án Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục

Trong đó
: nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi (W/m2)
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi
Ta có:
(W/m2)
(W/m2)
Nồi 1:

Nồi 2:
e. Hiệusố nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi
Cơng thức chung:

Trong đó:

Tính cho nồi 1:
Tính cho nồi 2:
f. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
;Nồi 1:

Nồi 2:

Vậy chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt cả hai nồi là: 65m2( QTTB tập 5
trang 193)

16