TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:
Th.s Trần Thanh Trúc Trương Thanh Tùng
MSSV: LT08210
Lớp: CNTP 34LT
Lớp: Công nghệ thực phẩm 34LT
Cần Thơ, tháng 6 năm 2009
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
Trang ii
LỜI NÓI ĐẦU
Theo chương trình đào tạo ngành công nghệ thực phẩm, sinh viên sẽ thực
hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm. Việc thực hiện niên luận nhằm giúp sinh viên
làm quen với việc thiết kế một thiết bị chế biến và lựa chọn vật liệu thích hợp.
Đồng thời, niên luận này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các
môn cơ sở.
Được sự hướng dẫn của cô Trần Thanh Trúc, em đã thực hiện niên luận kỹ
thuật thực phẩm với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường
sucrose”
Tuy đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện niên luận, nhưng với kiến
thức còn hạn chế, quyển niên luận này vẫn có những thiếu sót không mong muốn,
rất mong nhận được sự đóng góp của quý Thầy, Cô cũng như các bạn trong ngành
Công nghệ thực phẩm để bản thân rút ra kinh nghiệm và thành công hơn trong
những đề tài tiếp theo.
Cuối cùng, xin chân thành cám ơn các Thầy cô trong bộ môn Công nghệ
thực phẩm đã tạo điều kiện cho em thực hiện niên luận này. Em xin cám ơn sự
giúp đỡ tận tình của Cô Trần Thanh Trúc và Thầy Nguyễn Văn Mười trong suốt
thời gian thực hiện niên luận cùng các anh chị trong ngành cũng như các bạn cùng
lớp.

2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch 12
2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi 13
2.2.6. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi 15
2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT 15
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp 15
2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 16
2.4. KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT 21
2.4.1. Số ống truyền nhiệt 21
2.4.2. Ống tuần hoàn trung tâm 22
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
Trang iv
2.4.3. Đường kính trong buồng đốt 23
2.5. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC 24
2.6. ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 25
2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng 25
2.6.2. Đối với hơi bão hòa 25
2.7. TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH 26
PHẦN 3 THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 27
3.1. LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ 27
3.2. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN HÚT RA
KHỎI BAROMET 27
3.3. KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 28
3.3.1. Đường kính trong 29
3.3.2. Kích thước tấm ngăn 29
3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ 30
3.3.4. Kích thước ống Baromet 32
PHẦN 4 TÍNH CƠ KHÍ 34
4.1. CHIẾU DÀY THIẾT BỊ 34
4.1.1. Nồi 1 34
4.1.2. Nồi 2 42

Bảng 8. Nhiệt tải riêng q
1
phía hơi ngưng 18
Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi 19
Bảng 10. Nhiệt tải riêng q
2
phía dung dịch sôi 20
Bảng 11. Hiệu số nhiệt độ hữu ích 21
Bảng 12. Bề mặt truyền nhiệt 21
Bảng 13. Kích thước buồng bốc 25
Bảng 14. Kích thước các ống dẫn 26
Bảng 15. Bảng tóm tắt thiết bị chính 26
Bảng 16. Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet 31
Bảng 17. Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc 48
Bảng 18. Thể tích thép 50
Bảng 19. Thể tích đáy và nắp thiết bị 51
Bảng 20. Thể tích nước 52
Bảng 21. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng 53
Bảng 22 . Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn 54
Bảng 23. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp 54
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
Trang vii
QUY ƯỚC KÝ HIỆU
Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:
- [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật
- [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật
- [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng,
T.S Phan Văn Thơm.

Như vậy, sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều để cô đặc dung dịch
đường sucrose.
1.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ
ĐẶC
1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay
nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn
dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ
tăng dần lên.
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 2
Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi
riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất
thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,…
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ,
hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi
thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ.
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp,
khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn
truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp
suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không
hoặc áp suất dư) thì dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một
nồi hoặc nhiều nồi.
Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén
hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt).
Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi
trước làm hơi đốt cho nồi sau.

Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm
giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi
nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra.
1.2.3.3.Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch.
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 4
+ Hệ số truyền nhiệt K khá lớn.
+ Khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc
dung
dịch dễ bị bẩn tắt.
+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng.
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn
trung tâm cũng bị đun nóng.
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 5
PHẦN 2 THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1. Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ )
Chọn căn bản tính là 1 giờ.
Cân bằng vật chất tổng quát:
G
đ
= G
c
+ W, kg/h
Với: G
đ

 0,12.G
đ
= 0,6.G
c
 G
c
=
6,0
12,0
.G
đ
=
6,0
12,0
.3000 = 600 kg/h
 W = 3000 – 600 = 2400 kg/h
G
đ
x
đ
W
G
c
x
c
Cô đặc
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 6
2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
Gọi W

2
=
2
2400
= 1200 kg/h
2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi
G
1
: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h)
x
1
: nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng)
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1:
Cân bằng vật chất tổng quát:
G
1
= G
đ
– W
1
= 3000 – 1200 = 1800 kg/h
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
G
đ
.x
đ
= G
1
.x
1

1
Nồi 1
G
c
x
c
W
Nồi 2
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 7
Nồng độ trung bình nồi 1:
%16100.
2
2012
100.
2
xx
x
1đ
tb1





Nồng độ trung bình nồi 2:
%40100.
2
6020
100.

ng
= P
1
+ P
2
= 2,134 – 0,134 = 2 atm (1)
P
1
: Hiệu số áp suất giữa hơi đốt đi vào nồi I và II: P
1
= P
hđ1
- P
hđ2
P
2
: Hiệu số áp suất giữa hơi đốt đi vào nồi II và tháp ngưng tụ:
P
2
= P
hđ2
– P
ng
- Giả thiết tỉ số giữa hiệu số áp suất của nồi 1 và nồi 2 là:
2
1
ΔP
ΔP
= 2,2 (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình

C)
P (at)
T (
0
C)
P (at)
T (
0
C)
Hơi đốt
2.134
122
0,759
91,5
Hơi thứ
0,759
92,5
0,114
53,34
0,134
54,34
Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1
0
C (do tổn
thất nhiệt trên đường ống), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng bằng nhiệt độ ở
thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1
0
C
2.2.2. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ
2.2.2.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ nâng cao (Δ’)

Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao
Đại
lượng
x
(%)
T
ht
(
0
C)
’
o
(
0
C )
P
hđ
(atm)
T
hđ
(
0
C)
r
(J/kg)
T
m
(K)

’

= T
ht
+ 273

’
o
tra từ ( http://www.sugartech.co.za)
2.2.2.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, Δ’’
Hình 2. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 10
1 –2: Nhiệt độ hơi đốt.
3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt.
4: Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.
5 – 6: Nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi thứ ngay trên mặt thoáng.
7: Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ
Áp suất hơi thứ dung dịch thay đổi theo chiều sâu của dung dịch: Ở trên bề
mặt dung dịch thì bằng áp suất hơi trong buồng bốc, còn ở đáy thì bằng áp suất
trên bề mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính
toán ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch.
Ta có công thức tính áp suất trung bình của dung dịch như sau:
P
tb
= P’ + ΔP , N/m
2
ΔP = (h
1
+
2
2

g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s
2
Nếu biết được áp suất thủy tĩnh ta sẽ tính được áp suất trung bình (P
tb
) ở
từng nồi
- Nồi 1: P
tb1
= P
ht1
+ ΔP
1
, N/m
2
- Nồi 2: P
tb2
= P
htt2
+ ΔP
2
, N/m
2
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 11
Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi bằng hiệu số giữa nhiệt độ
trung bình (T
tb
) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (T
mt
).

Đại
lượng
x
tb
(%)
T
mt
(
0
C)

(kg/m
3
)

s
(kg/m
3
)
P
(N/m
2
)
P
tb
(atm)
T
tb
(
0

Nhiệt độ trung bình T
tb
tra [B – 39] – (II - 7) dựa vào áp suất trung bình P
tb
.
2.2.2.3.Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn, Δ’’’
Thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này
sang nồi kia, từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là: Δ’’’ = 1 ÷ 1,5
0
C [AII – 67]
Chọn Δ
1
’’’ = Δ
2
’’’ = 1
0
C
2.2.2.4.Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc, ΣΔ
Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc
Nồi
' (
0
C)
'' (
0
C)
''' (
0
C)
 (

’’’ + Δ
2
’’’) = 11,04
0
C
2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δt
hi
và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi
trung bình của dung dịch.
2.2.3.1.Nhiệt độ sôi
- Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1:
T
s1
= T
ht1
+ Δ
’
1
+ Δ
’’
1
= 94,25
0
C
- Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2:
T
s2
= T
ht2

– T
s1
= 122 – 94,25 = 27,75
0
C
- Đối với nồi 1:
Δt
hi2
= T
hđ2
– T
s2
= 92,5 – 61,63 = 30,87
0
C
Vậy tổng số nhiệt độ hữu ích: ∑∆t
hi
= 27,75 + 30,87 = 58,62
0
C
2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch
Giá trị nhiệt dung riêng của dung dịch đường sucrose được tra dựa vào nồng
độ dung dịch ứng với nhiệt độ của dung dịch ở từng thời điểm từ
(http://www.rpaulsingh.com/teaching/Properties.htm)
Ta có :
T
đ
, T
s1
,T

3901
Ra khỏi nồi 2
60
61,63
3166
2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi
Giả thiết:
+ Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2)
+ Không có tổn thất nhiệt ra môi trường
+ Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước)
Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0
0
C
Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống cô đặc 2 nồi
D, i
đ
G
đ
, T
đ
,
C
đ
D, C
n1
, 
1
G
1
, C

– C
n1
θ
1
) = G
1
C
1
T
s1
– G
đ
C
đ
T
đ
+ W
1
i
1
(a)
- Nồi 2: W
1
( i
1
– C
n2
θ
2
) = G

1 giờ, kg/h
C
đ
, C
1
, C
2
: nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2,
J/kg.độ
T
đ
, T
s1
, T
s2
: nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2,
0
C
i
đ
, i
1
, i
2
: enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, J/kg
C
n1
, C
n2
: nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nước ngưng nồi 2, J/kg.độ

C
n
, J/kg.độ
Nhập liệu (đ)
3000
12
3922
105
2248000
Ra khỏi nồi 1
1800
20
3901
94,25
2281000
122
4122
Ra khỏi nồi 2
600
60
3166
61,63
2370000
92,5
4192
Ghi chú:
- C
n
được tra từ (http://www.rpaulsingh.com/teaching/Properties.htm) dựa
vào nhiệt độ hơi đốt.

Trong đó:
W
L
: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn
W
n
: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ
Nồi 1:
%100.
1208
12001208 
= 0,66 % < 5%
Nồi 2:
%100.
1200
11921200 
= 0,67 % < 5%
Vậy giả thiết ban đầu được chấp nhận.
2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
Q = D.r, W [B – 115]
D : lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg
Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc
SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 16
Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp
Nồi
D (kg/h)
T
hđ

Δt
hi
: hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết,
0
C
2.3.2.1.Nhiệt tải riêng trung bình
q
tb
=
2
qq
21

, W/m
2
[B – 116]
Hình 4. Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch
q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m
2
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m
2
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m
2
t
bh
: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt,

s
: nhiệt độ sôi dung dịch,
0
C
t
w1
, t
w2
: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi,
0
C
Δt
1
= t
bh
– t
w1
,
0
C
Δt
2
= t
w2
– T
s
,
0
C
Σr: tổng nhiệt trở của thành ống đốt, m

Theo lý thuyết q = q
1
= q
2
Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt
1
để tính nhiệt tải
riêng, sau đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q
1
và q
2
. Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn
5% thì chấp nhận giả thiết.
2.3.2.2.Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr
Σr = r
1
+


+ r
2
, m
2
.độ/W [AII – 3]
r
1
: nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn)
r
1
= 0,232.10

tr
= d
ng
– 2.δ = 97,384.10
-3
m
(http://www.engineeringtoolbox.com/nominal-wall-thickness-pipe-d_1337.html)
Vậy: Σr = r
1
+


+ r
2
Σr = 0,232.10
-3
+
50
10.108,2
3
+ 0,387.10
-3
= 0,000661 m
2
.độ/W
2.3.2.3.Hệ số cấp nhiệt α
1
, α
2
a. α1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2.độ

C
Δt
1
= t
bh
– t
w1
H : chiều cao ống, m
Bảng 8. Nhiệt tải riêng q
1
phía hơi ngưng
Nồi
t
bh
,
0
C
T
s
,
0
C
Δt
1
,
0
C
t
w1
,

25637,29
2
92,5
61,63
2,4
90,1
90,8
174,4
2279000
10611,2
25466,89
Δt
1
tự chọn, sau đó kiểm tra lại với thực tế, nếu tỉ lệ sai số < 5% thì chấp
nhận. r= i, tra theo nhiệt đô hơi đốt từ [AII – 39] – (II - 7)