Thiết kế thiết bị cô đặc nồi gián đoạn để đặc dung dịch nước mía ­Năng suất nhập liệu 1000kg/h, ­Nồng độ đầu: 20%, khối lượng ­Nồng độ cuối: 60% khối lượng

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM
ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠ ĐẶC NƯỚC MÍA
MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN (20% - 60%)
NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h
GVHD: MẠC XUÂN HÒA
SVTH: NGUYỄN THỊ VÂN ANH
MSSV: 2005160007
ĐẶNG THỊ CẨM GIANG
MSSV: 2005160039
LỚP: 07DHTP2

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN...............................................................ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... iv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 5
1.1.

Nhiệm vụ đồ án ....................................................................................................... 5

1.2.

Giới thiệu chung ...................................................................................................... 5

1.3.

Nguyên liệu và sản phẩm của q trình cơ đặc mía đường .................................... 6

1.3.1.

Nguyên liệu ...................................................................................................... 6

1.3.2.

Sản phẩm .......................................................................................................... 6

1.3.3.

Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong q trình cơ đặc ........................ 6

1.3.4.

Yêu cầu chất lượng sản phẩm .......................................................................... 7

1.4.

Cô đặc và q trình cơ đặc ...................................................................................... 7

1.4.1.

Định nghĩa ........................................................................................................ 7

1.4.2.

Mục đích của q trình cơ đặc ......................................................................... 8

1.4.3.

Các phương pháp cơ đặc. ................................................................................. 9

1.4.4.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: ...................................................................... 9

1.4.5.

Các thiết bị cô đặc nhiệt ................................................................................... 9

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ .................................................................... 12
2.1.

Ngun lý hoạt động thiết bị cô đặc ..................................................................... 12

2.2.

Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet ............. 14

2.3.

Hoạt động của hệ thống ........................................................................................ 14

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG .............. 16
3.1.

Dữ liệu ban đầu ..................................................................................................... 16

3.2.

Cân bằng vật chất cho các giai đoạn ..................................................................... 17

3.3.

Cân bằng năng lượng. ........................................................................................... 18

3.4.

Cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn ............................................................... 22

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC. .............. 27
4.1.

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1): ...................................................................... 27


4.2.

Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2):....................................................................... 27

4.3.

Nhiệt tải riêng phía tường (qv): ............................................................................. 28

4.4.

Tiến trình tính các nhiệt tải riêng: ......................................................................... 29

4.5.

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cơ đặc:........................................................... 31

4.6.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt: ............................................................................... 32

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH ................................................................ 33
5.1.

Tính tốn kích thước buồng đốt: ........................................................................... 33

5.1.1.

Số ống truyền nhiệt: ....................................................................................... 33

5.1.2.

Đường kính buồng đốt: .................................................................................. 34

5.1.3.

Tính kích thước đáy của buồng đốt:............................................................... 36

5.1.4.

Tổng kết: ........................................................................................................ 36

5.2.

Kích thước buồng bốc ........................................................................................... 36

5.2.1.

Đường kính buồng bốc (Db): .......................................................................... 36

5.2.2.

Chiều cao buồng bốc: ..................................................................................... 38

5.2.3.

Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc .............................................. 39

5.3.

Tính kích thước các ống dẫn ................................................................................. 39

5.3.1.

Ống nhập liệu: ................................................................................................ 39

5.3.2.

Ống tháo liệu: ................................................................................................. 40

5.3.3.

Ống dẫn hơi đốt: ............................................................................................. 40

5.3.4.

Ống dẫn hơi thứ:............................................................................................. 41

5.3.5.

Ống dẫn nước ngưng: ..................................................................................... 41

5.3.6.

Ống xả khí ngưng: .......................................................................................... 41

5.3.7.

Tổng kết về đường kính các ống dẫn: ............................................................ 41

CHƯƠNG 6. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CƠ ĐẶC ................................... 42
6.1.

Tính cho buồng đốt trong ...................................................................................... 42

6.1.1.

Sơ lược về cấu tạo: ......................................................................................... 42

6.1.2.

Tính tốn: ....................................................................................................... 42

6.2.

Tính cho buồng bốc .............................................................................................. 45

6.2.1.

Sơ lược cấu tạo ............................................................................................... 45

6.2.2.

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


6.3.

Tính cho đáy thiết bị ............................................................................................. 49

6.3.1.

Sơ lược cấu tạo ............................................................................................... 49

6.3.2.

Tính tốn ........................................................................................................ 49

6.4.

Tính cho nắp thiết bị ............................................................................................. 54

6.4.1.

Sơ lược cấu tạo ............................................................................................... 54

6.4.2.

Tính tốn ........................................................................................................ 54

6.5.

Tính mặt bích ........................................................................................................ 56

6.5.1.
6.6.

Chọn mặt bích ................................................................................................ 56

Tính vỉ ống ............................................................................................................ 58

6.6.1.

Sơ lược về cấu tạo .......................................................................................... 58

6.6.2.

Tính tốn ........................................................................................................ 58

6.7.

Khối lượng và tay treo .......................................................................................... 60

6.7.1.

Sơ lược cấu tạo tay treo chân đỡ .................................................................... 60

6.7.2.

Thể tích và khối lượng các bộ phận thiết bị ................................................... 60

CHƯƠNG 7. TÍNH TỐN CHO THIẾT BỊ PHỤ .................................................... 65
7.1.

Thiết bị ngưng tụ ................................................................................................... 65

7.1.1.

Chọn thiết bị ngưng tụ.................................................................................... 65

7.1.2.

Tính thiết bị ngưng tụ ..................................................................................... 66

7.2.

Tính tốn và chọn bơm ......................................................................................... 76

7.2.1.

Bơm chân khơng: ........................................................................................... 76

7.2.2.

Bơm nhập liệu: ............................................................................................... 77

7.2.3.

Bơm vào thiết bị ngưng tụ: ............................................................................ 79

7.2.4.

Bơm tháo sản phẩm: ....................................................................................... 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 86


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực
phẩm TP. Hồ Chí Minh, các thầy cơ khoa Cơng nghệ Thực phẩm của trường đã tạo điều
kiện cho em được thực hiện đồ án.
Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo
này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc biệt,
em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Mạc Xn Hịa, người đã tận tình hướng dẫn và
góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất. Đồng
thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức cịn hạn hẹp nên bài báo cáo
khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của q thầy cơ để
em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ án sau này ạ.

Cuối cùng, em xin kính chúc q thầy cơ dồi dào sức khỏe và thành cơng trong sự
nghiệp của mình. Kính chúc thầy Mạc Xn Hịa ln có sức khỏe tốt, đạt được nhiều thành
công trong công việc và cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SVTH: Nguyễn Thị Vân Anh

MSSV: 2005160007

Lớp: 07DHTP2

SVTH: Đặng Thị Cẩm Giang

MSSV: 2005160039

Lớp: 07DHTP2

Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2019

Giáo viên hướng dẫn
(ký và ghi họ tên)

ii


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
SVTH: Nguyễn Thị Vân Anh

MSSV: 2005160007

Lớp: 07DHTP2

SVTH: Đặng Thị Cẩm Giang

MSSV: 2005160039

Lớp: 07DHTP2

Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2019

Giáo viên phản biện
(ký và ghi họ tên)

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

1. Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất ....................................................................... 18
2. Tóm tắt kết quả cân bằng năng lượng ................................................................. 22
3. Các thông số của dung dịch ở các nồng độ ......................................................... 28
4. Kết quả tính tốn truyền nhiệt.............................................................................. 31
5. Kết quả hệ số truyền nhiệt K ............................................................................... 31
6. Tổng kết các đường kính ống dẫn ........................................................................ 42
7. Số liệu của bích nối buồng bốc với buồng đốt ..................................................... 57
8. Số liệu của bích nối buồng đốt với đáy ................................................................ 57
9. Số liệu của bích nối buồng bốc với nắp ............................................................... 58
10. . Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet ........................................... 69
11. Tóm tắt số liệu của thiết bị ngưng tụ Baromet................................................... 73

iv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nhiệm vụ đồ án
Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch nước mía.
­ Năng suất nhập liệu 1000kg/h
­ Nồng độ đầu: 20% khối lượng
­ Nồng độ cuối: 60% khối lượng
­ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75 at

­ Áp suất hơi bão hòa P = 2,1 at
Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm (chọn)
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 25oC (chọn)
1.2. Giới thiệu chung
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 lị đường với quy mơ nhỏ ở nhiều địa phương đã
được thiết lập nhằm đáp ứng 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
gây khó khăn cho việc phát triển cơng nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ơt một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía
đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp với
các ngành có quan hệ chặt chẽ. 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 cơng nghiệp khác như sản xuất rượu, …
Vì tính quan trọng của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản
xuất nhằm đảm bảo thu hồi hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường như
Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, …nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía khả

5
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


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 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 cơng nghệ, tăng hiệu quả các q trình là hết sức cần thiết và cấp
bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố
quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem

thường.
1.3. Nguyên liệu và sản phẩm của q trình cơ đặc mía đường
1.3.1. Ngun liệu
Ngun liệu cơ đặc ở dạng dung dịch gồm:
­ Dung môi: nước
­ Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp và chiếm chủ yếu là
đường saccharose. Các cấu tử này xem như khơng bay hơi trong q trình cô đặc
­ Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít. Tuy nhiên, trước khi cơ
đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6 – 10% khối lượng
1.3.2. Sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
­ Dung môi: nước.
­ Các chất hịa tan có nồng độ cao.
1.3.3. Biến đổi của ngun liệu và sản phẩm trong q trình cơ đặc
Trong q trình cơ đặc tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đồi không
ngừng
a) Biến đổi tính chất vật lý
­ Thời gian cơ đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung
dịch thay đổi

6
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


­ Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền
nhiệt
­ Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng
độ, nhiệt độ sơi.
b) Biến đổi tính chất hóa học
­ Thay đổi pH mơi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit 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 cô đặc.
­ Tăng màu do caramel hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa
các sản phẩm phân hủy và các amino acid
­ Phân hủy một số vitamin
c) 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.
1.3.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm
­ Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:
­ Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu
­ Thành phần hóa học chủ yếu khơng thay đổi.
1.4. Cơ đặc và q trình cơ đặc
1.4.1.

Định nghĩa

Cơ đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch
hau hay nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh

7
GVHD: MẠC XN HỊA


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 – hóa lý.
1.4.2.

Mục đích của q trình cơ đặc

­ Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch.
­ Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh).
­ Tách dung mơi ở dạng ngun chất (nước).
Q trình cơ đặc được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp sản xuất hóa
chất, thực phẩm: Cơ đặc đường trong nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút trong các nhà
máy sản xuất phèn nhơm, cơ đặc các dịch trích ly từ các nguyên vật liệu trong tự nhiên: cà
phê, hồi, …
Q trình cơ đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác nhau
(áp suất chân không, áp suất thường – hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư)
Cô đặc ở áp suất chân khơng thì nhiệt sơi dung dich giảm do đó chi phí hơi đốt giảm.
Cơ đặc chân khơng dung để cơ đặc các dung dịch có nhiệt độ sơi cao ở áp suất thường và
dung dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ khơng mong muốn (oxy
hóa, đường hóa, nhựa hóa).
Cơ đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dung cho các dung dịch không bị
phân hủy ở nhiệt cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho q trình cơ
đặc và các q trình đun nóng khác.
Cơ đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ khơng được sử dụng mà được thải ra ngồi
khơng khí
Trong hệ thống cơ đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường được làm việc ở áp suất lớn
hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân khơng.

8
GVHD: MẠC XN HỊA


1.4.3.

Các phương pháp cơ đặc.

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên bề mặt
thống chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách
ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung mơi để tăng nồng độ chất tan.
Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh đó
xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
1.4.4.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử:
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngồi. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các
phần tử đủ năng lượng thực hiện q trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong q trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và
dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và lắng keo khi
đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc.
1.4.5.

Các thiết bị cô đặc nhiệt

a) Phân loại và ứng dụng
 Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cơ đặc dung dịch khá
lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
­ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng đốt), có thể có ống tuần hồn trong mặt

ngồi.
­ Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc)

9
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


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.
­ Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu
làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch
nước trái cây, hoa quả ép, …
Gồm:
­ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay 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.
 Theo phương pháp thực hiện quá trình:
­ Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất
cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được
không cao.
­ Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100oC, 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 tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên lớn q vì
sẽ giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả

10
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


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 áp dụng điều khiển
tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
 Hệ thống cơ đặc gián đoạn
Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự
nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin, …) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc với
oxy
Ưu điểm:
­ Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong
thiết bị, nhập liệu theo từng mẻ một.
­ Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
­ Có thể cơ đặc dung dịch đến các nồng độ khác nhau theo phương pháp gián đoạn
từng mẻ hoặc liên tục.
Nhược điểm:
­ Làm việc ở trạng thái không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên
tục theo nồng độ, thời gian cô đặc.
­ Thiết bị phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân khơng.
­ Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.
 Các thiết bị và chi tiết trong cơ đặc:
 Thiết bị chính:
­ Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt.
­ Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, …

­ Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí khơng ngưng …
 Thiết bị phụ:
­ Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.

11
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


­ Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
­ Thiết bị ngưng tụ Baromet
­ Các loại van
­ Thiết bị đo
 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 đơn giản, tự động hóa dễ dàng.
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
2.1. Sơ đồ quy trình

12
GVHD: MẠC XN HỊA


1. Bể chứa nguyên liệu

6. Bể chứa nguyên liệu

2. Bơm nguyên liệu

7. Bể chứa nước ngưng

3. Nhiệt lượng kế

8. Thiết bị ngưng tụ baromet

4.Áp suất kế

9. Thiết bị phân ly

5. Nồi cô đặc

10. Bơm chân không

2.2. Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc
Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua buồng
bốc. Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung

13
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


tâm xuống đáy thiết bị và theo ống nhiệt trở lên trên. Quá trình trao đổi nhiệt được thực
hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt.
Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều, nồng độ dung dịch
càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng. Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm lại về

sau. Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu.
Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch càng
tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng đạt yêu
cầu và ngược lại. Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy. Do đó, ta dùng biện pháp khác
là tăng đường kính ống truyền nhiệt.
2.3. Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet
Hơi thứ ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị truyền nhiệt đun nóng cho
nguyên liệu đạt đến nhiệt độ sơi. Sau đó được dẫn vào ống vào phía dưới thiết bị ngưng tụ
Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia. Hơi trao
đổi nhiệt với nước sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài.
2.4. Hoạt động của hệ thống
 Nhập liệu
Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ
khoảng 25oC được đun nóng đến nhiệt độ cận sôi và đưa vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu.
Ban đầu nhập đủ 1m3 thì tiến hành cô đặc, nguyên liệu vẫn tiếp tục nhập vào để bù
lượng hơi thứ bốc lên cho đến khi đủ thể tích ngun liệu cho một mẻ thì chấm dứt nhập
liệu.
Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hồn cho q trình gia
nhiệt cho ngun liệu của mẻ sau.
 Q trình cơ đặc gián đoạn

14
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


Sau khi đã nhập liệu đủ 1m3, q trình cơ đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân
không do bơm chân không tạo ra.
Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch với áp suất 2,1 at.
Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt và một ống tuần hồn trung tâm có đường kính
lớn hơn. Dung dịch trong ống sẽ sơi và tuần hồn theo ống tuần hồn (do ống tuần hồn có

đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hồn sẽ sơi ít hơn
trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn
khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống
tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt). Dung mơi là nước bốc hơi và thốt ra ngồi qua ống
dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng
tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài
bồn chứa. Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ cịn khí khơng ngưng
được bơm chân khơng hút ra ngoài. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước
ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngồi.
Q trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 60% thì ngưng cấp hơi. Mở van thơng áp,
sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
 Thao tác vận hành
 Chuẩn bị
­ Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm
nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu.
­ Kiểm tra độ kín của hệ thống.
­ Đóng các van.
­ Tắt bơm.
­ Vận hành
­ Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không (khi
lần đầu hoạt động). Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên. Đợi cho tới khi quá
trình ổn định.

15
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


­ Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết bị cô
đặc. Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho
phù hợp.

­ Mở từ từ van hơi đốt.
­ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
­ Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất, sẵn sàng
ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra.
­ Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt.
­ Ngưng cấp hơi đốt.
­ Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng van.
­ Chấm dứt một mẻ cơ đặc.
­ Ta bắt đầu thao tác cho một mẻ mới.
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1. Dữ liệu ban đầu
­ Dung dịch đường mía
­ Nồng độ ban đầu xđ = 20%, nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu là tđ = 25oC.
­ Nồng độ cuối xc = 60%
­ Năng suất nhập liệu Gđ = 1000 kg/h
­ Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa áp suất 2,1 at
­ Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,75 at.
Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, %
Khối lượng
riêng, kg/m3

20

35

45

60

1082,87

1153,31

1204,67

1288,73

16
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


3.2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Gđ = G c + W
Trong đó:
+ Gđ, Gc: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg
+ W: lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg
+ xđ, xc: nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn.
 Giai đoạn 20% đến 35%
Gđ = 1000 kg
xđ = 0,2; xc = 0,35
Lượng sản phẩm (dung dịch đường 35%)
Gc = G đ ×

𝑥đ
𝑥𝑐

= 1000 ×

0,2

0,35

= 571,43 kg

Lượng hơi thứ:
W = Gđ – Gc = 1000 – 571,43 = 428,57 kg
 Giai đoạn 35% đến 45%
Gđ = 571,43 kg; xđ = 0,35; xc = 0,45
Lượng sản phẩm (dung dịch đường 45%)
Gc = G đ ×

𝑥đ
𝑥𝑐

= 571,43 ×

0,35
0,45

= 444,45 kg

Lượng hơi thứ:
W = Gđ – Gc = 571,43 – 444,45 = 126,98 kg
 Giai đoạn 45% đến 60%
Gđ = 444,45 kg; xđ = 0,45; xc = 0,6

17
GVHD: MẠC XUÂN HÒA

Lượng sản phẩm (dung dịch đường 60%)
Gc = G đ ×

𝑥đ
𝑥𝑐

= 444,45 ×

0,45
0,6

= 333,34 kg

Lượng hơi thứ:
W = Gđ – Gc = 444,45 – 333,33 = 111,11 kg

Tổng lượng hơi thứ bốc hơi: Wt = 428,57 + 126,98 + 111,11 = 666,66 kg
Bảng 1. Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ, %

20

35

45

60

1000

666,67

500,0

333,33

0

333,33

166,67

66,67

1082,87

1153,31

1204,67

1288,73

Khối lượng
dung dịch,
kg
Lượng hơi
thứ đã bốc
hơi, kg
Khối lượng
riêng, kg/m3

3.3. Cân bằng năng lượng.
Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 1 – 0,75 = 0,25
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ tw = 64,20 oC (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1]
và nội suy)
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc
∆’’’ = tsdm(Po) – tw

18
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ. Chọn tổn thất nhiệt từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ là ∆’’’ = 1oC
 tsdm (Po) = ∆’’’ + tw = 1 + 64,20 = 65,20oC
Đây cũng là nhiệt độ sơi của dung mơi trên mặt thống dung dịch tsdm = 65,20 oC
Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc ở nhiệt độ 65,20oC
Po = 0,258 at (Tra [1], trang 312)
 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’)
Theo công thức 5.3, tài liệu (quá trình và tbnt t5, trang 184)
∆ ’ = 𝑓. ∆𝑜 ’
Trong đó:
+ ∆’ : độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc, oC. Tra đồ thị.
+ f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
f = 16,14 ×

𝑇2
𝑟

Với:

+ T – nhiệt độ sơi của dung môi nguyên chất [oK] bằng nhiệt độ hơi thứ.
+ r – ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi [J/kg].
Nhiệt độ sôi của dung dịch: tsdd = tsdm + ∆’
Tra bảng I.251 trang 314, [1] và nội suy ta được r = 2345,24.103 J/kg
 f = 16,14 ×

(65.20+273)2
2345,24.1000

= 0,787

 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
∆’’ = tsdd (Po + ∆𝑝) – tsdd (Po) = tsdm(Po + ∆𝑝) – tsdm(Po)
Trong đó:
19
GVHD: MẠC XN HỊA


+ tsdd (Po): nhiệt độ sôi dung dịch ở mặt thống.
+ tsdd (Po + ∆𝑝) : nhiệt độ sơi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng
Chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆𝑃 (N/m2) tính theo cơng thức:
1

∆𝑝 = ∙ 𝐻𝑜𝑝 ∙ 𝜌𝑡𝑏 ∙ 𝑔
2

Trong đó:
+ Hop

: chiều cao chất lỏng theo ống báo mức, [m]. Với:

Hop = [0,26 + 0,0014. ( 𝜌𝑑𝑑 − 𝜌𝑑𝑚 )]. Ho

+ Ho

: chiều cao ống truyền nhiệt, [m].

+ 𝜌𝑑𝑑

: khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, [kg/m3].

+ 𝜌𝑑𝑚

: khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 65,20oC.

+ 𝜌𝑡𝑏

: khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi khi sơi,

𝜌𝑡𝑏 =

1
2

𝜌𝑑𝑑 (𝜌𝑑𝑑 − khối lượng riêng thực của dung dịch cô đặc đường khơng có

bọt, kg/m3), [kg/m3].
+ g

: gia tốc trọng trường, [m/s2].

 Tổn thất nhiệt độ trong cô đặc
∑ ∆ = ∆’ + ∆’’+ ∆’’’
Trong đó:
+ ∆’

: tổn thất nhiệt độ do nồng độ, [oC].

+ ∆’’

: tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh, [oC].

+ ∆’’’

: tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị

ngưng tụ, [oC].
 Kết quả:
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 1,5m
Tra bảng I.249, trang 311, sổ tay 1  𝜌𝑑𝑚 = 980,39 kg/m3

20
GVHD: MẠC XUÂN HÒA


21
GVHD: MẠC XUÂN HÒA