Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
MỤC LỤC
Lời nói đầu 2
Chương I: Giới thiệu tổng quan
I.Nhiệm vụ của đồ án 3
II.Tính chất nguyên liệu và sản phẩm 3
III.Cô đặc 4
IV.Quy trình công nghệ 5
Chương II : Thiết kế thiết bị chính
A.Cân bằng vật chất và năng lượng 8
I. Cân bằng vật chất 8
II. Cân bằng năng lượng 9
B. Tính thiết kế thiết bị chính
I.Hệ số truyền nhiệt 14
II.Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc 21
III.Buồng đốt và đáy 23
IV. Buồng bốc và nắp 24
C. Tính cơ khí cho thiết bị chính 27
I.Buồng đốt 27
II.Buồng bốc 28
III.Đáy 30
IV.Nắp 32
V. Tính cách nhiệt cho thân 32
VI.Mối ghép bích 33
VII.Vỉ ống 34
VIII.Khối lượng và tai treo 35
IX.Các ống dẫn ,cửa 37
Chương III :Tính chi tiết thiết bị phụ
I.Thiết bị ngưng tụ Baromet 39
II.Bơm 44
Chương IV : Tính giá thành thiết bị 49

II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM:
trang 2
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
1 .Nguyên liệu :
- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion
- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày
- Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m
3
)
- Độ nhớt là 1,07 *10
-3
(Ns/m
2
) ở 20
0
C (dung dịch 10%).
- Độ hòa tan ở 60
o
C là 27,1% ,ở 20
o
C là 26,3%
- Nguyên liệu đem đi cô đặc là dd NaCl 10% với dung môi là nước .
2. Sản Phẩm:
• Khi kết thúc quá trình cô đặc ,dung dịch ở nhiệt độ từ 75-80
o
C ,khi đó độ hòa tan của
dung dịch khoảng 27,5% .Nhưng độ hòa tan cuả dung dịch ở nhiệt độ thường chừng
26,3%.Vì vậy ,quá trình cô đặc NaCl này là để tạo dung dịch bão hòa ,và khi làm nguội thì
sẽ có NaCl tinh thể kết tinh .Trong khi các muối tạp chất khác như MgCl
2

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 môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy
tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở
nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
3. Phân loại và ứng dụng
a. Theo cấu tạo
• Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá lỗng,
độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn 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 ( không 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.
- 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 sôi tạo bọt khó
vỡ.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sôi ít tạo bọt và
bọt dễ vỡ.
b. Theo phương pháp thực hiện quá trình
Cô 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 là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100
o

vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống
chùm) và một ống tuần hồn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong ống
được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngồi ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hồn qua ống tuần
hồn (do ống tuần hồn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống
tuần hồn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống
tuần hồn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy
dung dịch từ ống tuần hồn sang các ống truyền nhiệt). Dung môi 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 ngồi bồn chứa. Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí
không ngưng được bơm chân không hút ra ngồi. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngồi qua cửa
tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngồi.
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% (sau thời gian cô đặc đã tính: 121,3 phút)
thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
a Bơm
Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không.
+ Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng.
Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaCl từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc.
+ Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc.
b Thiết bị cô đặc
trang 5
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và
buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hồn trung
tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng
hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần hồn được
sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hồn trong thiết bị.

3
1073 1110 1150 1205
2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
G
đ
= G
c
+ W
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
Trong đó
G
đ
, G
c
: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg)
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg)
x
đ
, x
c
: nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn
G
đ

*3240
==
c
ñ
x
x
(kg)
• Lượng hơi thứ:
W = G
đ
- G
c
= 3240 – 2160 = 1080 (kg)
b Giai đoạn 15% đến 20%
G
đ
= 2160(kg) ; x
đ
= 0,15 ; x
c
= 0,2
⇒
G
c
=
1620
2,0
15,0
*2160.
==

x
x
GG
(kg)
W = 1620 – 1200 = 420 (kg)
• Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W
t
= 1080+540+420 = 2040 (kg)
• Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27
Thể tích dung dịch trong nồi, m
3
3,02 1,946 1,4 1
Khối lượng dung dịch, kg 3240 2160 1620 1200
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 1080 1620 2040
Khối lượng riêng dung dịch, kg/m
3
1073 1110 1150 1205
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Aùp suất làm việc trong buồng bốc thiết bị cô đặc P
1
= 0,3 at.
⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc t
1
= 68,7
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ).
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thống dung dịch

=
o
'
∆
*f
Với f tra ở tài liệu [3] trang 147 :
Với
)P(sdm
1
t
= 68,7
o
C ,f = 0,81
Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27
Tổn thất
o
'
∆
,
o
C 1,9 3,25 4,85 8
Tổn thất
'
∆
,
o
C 1,54 2,63 3,9 6,48
Nhiệt độ sôi dd ,
o
C 70,2 71,3 72,6 75,2

hh
ρ
.g.H
op

•
ddhh
2
1
ρρ
=

Trong đó
dd
ρ
: Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ
)PP(sdd
1
t
∆+
• H
op
: Chiều cao lớp chất lỏng sôi
Trong thiết bị tuần hồn tự nhiên
H
op
=
( )
[ ]
odmdd

mkg
dd
=
ρ
[ ]
5454,05.1*)9991073(*0014.026.0
=−+=⇒
op
H
(m)
⇒
atmNHgP
ophh
015,0/24,14355454,0*81,9*1073*
2
1
*5,0***5,0
2
====∆
ρ
atPPP
tb
315,0015,03,0
1
=+=∆+=⇒
Nhiệt độ sôi của H
2
O ở 0,315 at là 69,7
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )

,
o
C 1 1,14 1,34 1,7
)2(
1
PPsdd
t
∆+
72,2 73,6 75,3 78,6
2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn
Tính theo công thức 2.4 trang 104 Tài liệu [4]:
* Phương trình cân bằng nhiệt
cñtwcccñññD
QQcDiWtcGtcGiDcD
±+++=+−+
θϕθϕ
......).1.(...
''
.
''
Với
D : lượng hơi đốt sử dụng (kg)
trang 9
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ

%5
=
ϕ
: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo


: entanpi của hơi thứ (J/kg)
Q
t
: nhiệt lượng tổn thất (J)
Q
cđ
: nhiệt lượng cô đặc (J)
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo )
Q
D
= D.(1-
ϕ
).(
θ
.ci
''
D
−
) = D.(1-
ϕ
).r =G
đ
(c
c
t
c
- c
đ
t
đ

Theo công thức 2.12 trang 183 Tài liệu [4]
c
1
=
89,88
5,58
10*2610*26
33
=
+
(J/kg độ)
Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch. % 10 15 20 27
Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ 3771 3652 3370 3082,7
* Chọn hơi đốt có áp suất P
D
=3 at
⇒

t
D
=132,9
o
C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at
r = 2171*10
3
J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
* Entanpi của hơi thứ ở 73,05
o

o
C ; t
c
=72,2
o
C ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q
1
=3240*3771*(72,2-25) =5,77*10
8
(J)
trang 10
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất ):
Q
D1
=
8
1
10*07,6
95,0
=
Q
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng:
D
1
=
3,294

= 2160*3562*73,6 – 3240*3771*72,2 + 1080*2620*10
3

Q
2
=25,14*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D2
=
8
8
2
10*46,26
95,0
10*14,25
95,0
==
Q
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
=
1283
10*2171*)05,01(
10*46,26
3

Q
3
= 12,6*10
8
(J)
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt ):
Q
D3
=
8
8
10*26,13
95,0
10*6,12
=
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng
D
3
=
643
10*2171*)05,01(
10*26,13
3
8
=
−
(kg)
d Giai đoạn đưa dung dịch từ 20% đến 27%:
G

Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
Q
D4
=
8
8
10*32,10
95,0
10*8,9
=
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng:
D
4
=
500
10*2171*)05,01(
10*32,10
3
8
=
−
(kg)
* Tổng nhiệt lượng:
Q
D
= 6,07*10
8
+ 26,46*10
8

-8
6,07 32,53 45,79 56,11
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 294,3 1577,3 2220,0 2720,3
B. TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
1. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
1.1 Các kí hiệu và công thức
1
α
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (W/m
2
K)
2
α
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi( W/m
2
K)
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (W/m
2
)
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi(W/m
2
)
q
v
: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m

ddv2
ttt
2
−=∆
21
vvv
ttt
−=∆
( )
1
vDm
tt
2
1
t
+=
: nhiệt độ màng nước ngưng (
o
C)
1.1.1 Phía hơi ngưng:
trang 12
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
111
t.q
∆=
α
(1)
Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
4
1

ρ
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ t
m
(kg/m
3
)
λ
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t
m
(W/mK)
µ
:độ nhớt của nước ở nhiệt độ t
m
(Pas)
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t
D
r = 2171*10
3
(J/kg)
H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
1.1.2 Phía dung dịch
q
2
=
22
t.
∆
α
(3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]

n
n
dd
n
dd
n
dd
n
c
c
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
αα
(4)
Trong đó
nnnn
,c,,
µρλ
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m
3
), nhiệt dung riêng (J/kg
độ), độ nhớt (Pas) của nước
dddddddd
,c,,
µρλ
: các thông số của dung dịch theo nồng độ

ρ
978,5 (kg/m
3
)
c
n
= 4186 (J/kg độ)
n
µ
= 0,4*10
-3
(Ns/m
2
)
n
λ
= 66,7*10
-2
(W/mK)
* Các thông số của dung dịch:
•
dd
µ
tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] ( ở 40
o
C )
•
dd
λ
tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

xác định theo nồng đo
Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27
t
sdd
,
o
C 72,2 73,6 75,3 78,6
dd
ρ
, kg/m
3
1073 1110 1150 1205
c
dd
, J/kg độ 3771 3562 3370 3082,7
dd
µ
, Ns/m
2
0,71*10
-3
0,78*10
-3
0,89*10
-3
1,08*10
-3
M
dd
19,34 20,09 20,9 22,14

v
r
1
rr
1
r
δ
Lấy
3
1
10*464,0
1
−
=
r
, (W/mK)
-1
: nhiệt trở của nước thường
3
2
10*389,0
1
−
=
r
(W/mK )
-1
: nhiệt trở cuả cáu bẩn
2
v

v
1
1
r
1
1
K
α
α
, W/m
2
K
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như
sau
1 Chọn
1
v
t
(< t
D
)
1
t
∆⇒
trang 14
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
2 Tính
1
α
theo công thức (2)

( )
21
qq.
2
1
+
9 Xác định sai số ss =
1
tb1
q
qq
−
Nếu ss > 5% thì chọn lại
1
v
t
và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
10 Tính K theo công thức (7)
1.2 Tính K cho các giai đoạn
a. Tímh ở nồng độ 10% :
Chọn
•
Ktt
v
9,4128
1
1
=∆⇒=
• Tính
1

K)
•
)/(5,445099,4*57,9083*
2
111
mWtq
==∆=
α
•
)(97,4210*653,9*5,44509*
4
1
Crqt
o
vv
===∆
−
∑
)(859,42128
2
Ct
o
v
=−=⇒
)(8,122,7285
2
Ct
o
=−=∆⇒
•

















=
−
−
α
)/(56,3402
2
2
KmW
=
α
•
76,435528,12*56,3402*
222
==∆=

(thỏa)
Vậy
Ct
o
v
128
1
=

trang 15
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
K =
)/(730
56,3402
1
10*653,9
57,9083
1
1
2
4
KmW
=
++
−
b. Tính ở nồng độ 15%:
Tính tương tự
Ct
o
v

1
10*653,9
3,9331
1
1
2
4
KmW
=
++
−
d. Tính ở nồng độ 27%:
Tính tương tự
Ct
o
v
129
1
=
K =
)/(675
78,2425
1
10*653,9
99,9616
1
1
2
4
KmW

2
α
, W/m
2
K 3402,56 3141,75 2880,75 2425,78
K, W/m
2
K 730 718 704 675
ss, % 1 0,78 2,4 4
2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 25
o
C đến 72,2
o
C:
2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu
1
α
,
2
α
, q
1
,

q
2
,

q

Ht
r
A
∆
=
α
A xác định theo t
m
r = 2171*10
3
J/kg
H = 1,5 m
2.1.2 Phía vách:
trang 16
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
∑
−−
=
124
)/(10*653,9 KmWr
v

*
Pr
=
2
2
3
****
dd
dddd
gtl
Gr
µ
βρ
∆
=
* C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
 Gr*Pr
3
10
−
≤
thì Nu = 0.5
 Gr*Pr
50010
3
→=
−
thì
( )
125,0

nhiệt độ màng






+=
2
v
dd
_
m
tt
2
1
t
Với
)(6,48)252,72(
2
1
_
Ct
o
dd
=+=
)/(1073
3
mkg
dd

2.1.4 Hệ số truyền nhiệt :
∑
++
=
2
v
1
1
r
1
1
K
αα
, W/m
2
K
trang 17
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : Trần Văn Nghệ
* Trình tự tính lặp
(1). Chọn
1v
tt
1
∆⇒
(2). Tính
1
α
(3). Tính q
1
(4). Tính

5,124
1
=
4,85,1249,132
1
=−=∆⇒
t
(
o
C)
t
m
=
( )
C
o
7,1285,1249,132
2
1
=+
13.190A
=⇒
(2).
)/(83,7921
5,1*4,8
10*2171
13,190*04,2
2
4
3

=−=∆⇒
t
(
o
C)
(5). Tính
2
α
:
868,4
55,0
10*78,0*3771
.
Pr
3
===
−
dd
dddd
c
λ
µ
( )
3'
10*49,0435,546,4827,60
2
1
−
=⇒=+=
β

λ
α
(W/m
2
K)
(6).
)/(61851*
2
222
mWtq
=∆=
α
(7). q
tb
= 64197,25(W/m
2
)
(8). ss=0.035=3,5% (thoả)
Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này
trang 18