Đồ án môn học
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan....................................................................................2
I. Nhiệm vụ đồ án ............................................................................2
II. Lựa chọn thiết bị ..........................................................................2
III. Quy trình công nghệ ....................................................................3
Chương 2: Thiết bị cô đặc ............................................................................7
I. Sơ lược về thiết bị cô đặc ............................................................7
II. Cân bằng vật chất năng lượng .....................................................7
III. Kích thước thiết bị .......................................................................10
Chương 3: Thiết bị phụ ................................................................................29
I. Thiết bị ngưng tụ baromet ...........................................................29
II. Thiết bị gia nhiệt ..........................................................................34
III. Tính và chọn bơm ........................................................................35
Chương 4: Kiểm sốt và điều khiển quá trình .............................................41
Tổng kết....................................................................................................................45
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................47
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
1
Đồ án môn học
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ hai nồi xuôi chiều liên tục, loại ống
dài
• Năng suất nhập liệu: 3500 Kg/h
• Nồng độ đầu: 8% khối lượng
• Nồng độ cuối: 25% khối lượng
• Aùp suất ngưng tụ: 0,3at
• Aùp suất hơi đốt: 3at
II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ:
1. Khái niệm:

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hồn cưỡng bức. Thiết bị trong nhóm
này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn hay kết tinh từng
phần trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi
xuống. Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt
một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.
Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngồi. Tuỳ theo
điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường
hay áp suất dư.
4. Lựa chọn thiết bị cô đặc:
Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên ta
chọn loại thiết bị ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngồi, sử dụng hai
nồi xuôi chiều liên tục.
Ưu điểm của hệ thống:
2
Đồ án môn học
Dùng thiết bị cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dịch vào và ra khỏi dàn ống một lần, không
có tuần hồn trở lại, nên thời gian dung dịch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt truyền nhiệt ngắn,
thích hợp với sản phẩm dễ bị biến tính vì nhiệt độ.
Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi
thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi
trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp.
Sử dụng buồng đốt ngồi nhằm giảm bớt chiều cao thiết bị, tách bọt triệt để do buồng đốt
cách xa không gian hơi.
Nhược điểm:
Hệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có độ nhớt
cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy ra.
Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết tinh vì dung
dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống.
Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chịu sự dãn nở vì nhiệt nhiều.

Các đại lượng, thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của buồng đốt là:
Nhiệt độ và áp suất trong nồi vì nó liên quan mật thiết đến nhiệt độ sôi trong nồi đó. Nếu
áp suất trong nồi càng thấp thì điểm sôi càng thấp, áp suất hơi càng lớn, dung dịch đường sôi
càng mạnh. Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì độ nhớt của dung dịch lớn, ảnh hưởng đến đối
lưu và truyền nhiệt. Và nếu áp suất thấp thì nhiệt độ của hơi thứ bốc lên cũng thấp, làm giảm
khả năng truyền nhiệt cho các nồi sau nếu như lượng hơi thứ này được sử dụng làm hơi đốt cho
nồi sau.
Nhiệt độ nhập liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Nếu nhập liệu ở trạng thái
chưa sôi thì khi vào buồng đốt phải tốn thêm một lượng nhiệt để đưa nó đến trạng thái sôi.
Nhưng do dung dịch được nhập liệu vào nồi với tốc độ không đổi, và nó chảy từ đầu ống đến
cuối ống không có tuần hồn trở lại nên nếu nhập liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi đi hết ống nó
chưa nhận đủ lượng nhiệt cần thiết để đạt đến nồng độ yêu cầu.
• Hỗn hợp hơi-lỏng đi qua khỏi dàn ống, đến không gian phân ly và bộ phận phân ly, gọi
chung là buồng bốc.
-Không gian phân ly: là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai dòng,
dòng hơi thứ cấp đi lên phía trên của buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch còn lại được
bơm qua nồi 2. Quá trình phân ly ở đây sử dụng chủ yếu là lực trọng trường, nhờ lực trọng
trường các hạt chất lỏng to, nặng sẽ rơi xuống và tách khỏi dỏng hơi thứ và chảy xuống dưới,
còn dòng hơi sẽ tiếp tục đi lên trên.
4
Đồ án môn học
-Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo thành khi tách
khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo một lượng nhất định các hạt chất lỏng dung dịch. Nếu
dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dịch sẽ lắng đọng làm
bẩn bề mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Mặt khác nếu kéo theo nhiều dung dịch sẽ gây
tổn thất dung dịch. Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là phải tách các hạt chất lỏng
dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ cấp. Ta sử dụng 3 phương pháp vật lý sau để phân ly hơi thứ
cấp:
 Sử dụng lực trọng trường:
 Dùng lực dính ướt của chất lỏng: khi các hạt chất lỏng chạm vào bề mặt vách

CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
I. SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dịch nước mía.
 Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:
- Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng không chết.
- Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn .
- Hơi đốt phải đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngồi giữa các ống của dàn ống
(đảm bảo nhiệt phân bố đều cho các ống của dàn ống).
- Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để cho ngưng tụ (không làm bẩn bề
mặt ngưng) lấy nhiệt cấp cho nồi tiếp theo.
- Đảm bảo thốt khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thốt ra bình
thường. Sự tồn tại của khí không ngưng trong phòng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơi và
do đó giảm năng suất bốc hơi.
- Đảm bảo thốt nước ngưng tụ dễ dàng. Việc thốt nước ngưng tụ có liên quan chặt chẽ đến
tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thốt nước ngưng không tốt, nước ngưng đọng lại nhiều
trong phòng đốt, làm giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi.
- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hố dễ dàng.
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:
Kí hiệu các đại lượng:
Kí hiệu đơn vị ý nghĩa
G kg/h, kg/s suất lượng dung dịch
W kg/h, kg/s suất lượng hơi thứ
D kg/h, kg/s suất lượng hơi đốt
x %KL nồng độ dung dịch đường
x
%KL nồng độ trung bình của dung dịch đường
Q kJ/kg,W nhiệt lượng có ích

φ % độ ẩm của hơi bão hồ
“
1
” kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 1
“
2
” kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 2
“
đ
” kí hiệu ứng với nhập liệu
“
W
” kí hiệu ứng với hơi thứ
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
1) Cân bằng vật chất:
Đối với cả hệ thống:
Năng suất nhập liệu: G
đ
= 3500kg/h
Nồng độ dung dịch nhập liệu: x
đ
= 0,08
Nồng độ dung dịch sản phẩm: x
c
= 0,25
Lượng hơi thứ tạo thành của cả hệ: W
Σ
= G

của sản phẩm tại các nồi:
Nồi 1:
1
1
WG
G
xx
d
d
d
−
=
(3)
Nồi 2:
21
2
WWG
G
xx
d
d
d
−−
=
(4)
Suất lượng dung dịch ở các nồi :
Nồi 1:
3500
1
==

P
P
(7)
-Tính áp suất hơi thứ trong các nồi:

11
221
2
21
PPP
PPP
PP
PPP
D
ng
t
∆+=
∆+=
=
∆=∆+∆
(8)
-Từ giả thiết áp suất trong các nồi, xác định nhiệt độ hơi thứ trong từng nồi.
-Hơi thứ của nồi 1 là hơi đốt của nồi 2, nên: t
D2
= t
w1
-Δ”’ (9)
Xác định tồn thất nhiệt độ:
7
Đồ án môn học

Σ
(12)
-Nhiệt độ sôi của dung dịch từng nồi:

'
∆+=
ws
tt
(13)
-Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
11 sDh
ttt
−=∆
(14)
Nồi 2:
212
1
swh
ttt
−−=∆
(15)
Cân bằng năng lượng:
Cân bằng năng lượng đối với hệ thống cô đặc liên tục: (CT 5.18, trang 158-[1])
ttcdcccwDddd
QQtcGDcWiDitcG
+±++=+
θ
"


cccwdddD
DcccwdddD
tcGWitcGDr
QtcGWitcGDr
+=+⇒
++=+
9,0
05,095,0
-Phương trình cân bằng năng lượng đối với hệ thống 2 nồøi xuôi chiều liên tục trở thành:
Nồi 1:
11111
)(9,0 tcWGiWtcGDr
dwdddD
−+=+
(17)
Lượng hơi thứ của nồi 1 là lượng hơi đốt của nồi 2
Nồi 2:
222111111
)()()(9,0 tcWGiWWtcWGrW
dwdw
−+−=−+
(18)
8
Đồ án môn học
-Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1 là:

1121
11222
1
9,0

III. KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:
Kí hiệu các đại lượng
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
q W/m
2
cường độ dòng nhiệt
M
Sac
khối lượng phân tử đường saccharose
M
dm
khối lượng phân tử nước
M
khối lượng phân tử trung bình của dung dịch đường mía
K W/m
2
.độ hệ số truyền nhiệt tổng quát
r
D
kJ/kg ẩn nhiệt ngưng tụ
r m
2
.độ/W nhiệt trở
g m/s
2
gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s
2
)
H m chiều cao thiết bị
D m đường kính thân thiết bị

kg/m
3
khối lượng riêng
θ
m kích thước hình học đặc trưng
“
L
” ký hiệu ứng với dung dịch đường mía
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
“w” kí hiệu ứng với hơi thứ
“n” kí hiệu bên ngồi ống truyền nhiệt
“t” kí hiệu bên trong ống truyền nhiệt
“v” kí hiệu ứng với vách ống truyền nhiệt
“đ” kí hiệu ứng với buồng đốt
9
Đồ án môn học
“b” kí hiệu ứng với buồng bốc
“ô” kí hiệu ứng với ống truyền nhiệt
Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt:
-Nhiệt lượng hữu ích do hơi đốt cung cấp:
Nồi 1:
111111
"9,0 tcGtcGiWDrQ
dddWD
+−==

(23)
Nồi 2:

11
1
++++
=
(W/m
2
.độ) (25)
Hệ số cấp nhiệt phía hơi bão hồ ngưng tụ:

25,0
1
32
)(
15,1








−
=
vDDo
DDD
D
ttH
gr
µ

θ
λ
α
L
s
Nu.
=
(28)
Với :
3/1
Pr).(Re01,0
=
Nu
(29)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch mía đường (CT I.32 trang 123- [5] )

3
_
8
10.58,3
M
c
L
LpL
ρ
ρλ
−
=
(30)
Trong đó:

L
tt
t
+
=
(33)
Kích thước hình học đặc trưng:
3/1
2
2








=
g
L
L
ρ
µ
θ
(34)
Chuẩn số Pr:
L
Lp
c

αα
).(.
2
−=∆=
(38)
Dòng nhiệt truyền qua vách:
v
vv
r
tt
qv
Σ
−
=
21
(39)

λ
δ
++=Σ
ntv
rrr
(40)
Bỏ qua mất mát nhiệt, ta có: q
D
= q
L
= q
v
(41)

Nếu không phải giả thiết lại tỉ số hơi thứ ở các nồi và tính lại cân bằng vật chất, năng
lượng.(lặp lại các bước 1 đến bước 3).
Bước 4: Sau đó ta cố định tỉ số
2
1
W
W
vừa tìm được ở trên (thoả điều kiện), và thay đổi tỉ lệ
chênh lệch áp suất giữa các nồi.
Bước 5: Tính chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức (14), (15).
Bước 6: Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt và các thông số về kích thước thiết bị: H
ô
, d
t
, d
n
,
n, δ.
Bước 7: Chọn 2 giá trị nhiệt độ phía hơi đốt Δt
D
rồi suy ra nhiệt độ phía vách ngồi tương
ứng.
Bước 8: Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía hơi đốt (α
D
và q
D
).
Bước 9: Tính nhiệt độ vách trong tương ứng t
v2
:

LD
qq
qq
q
(44)
Nếu không thoả ta lặp lại các bước 7-11. Nếu thoả ta tiếp tục bước tiếp theo.
Bước 13: Tính hệ số truyền nhiệt K.
Bước 14: Phân phối chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho các nồi theo phương pháp diện tích bề
mặt truyền nhiệt các nồi F = const:

∑
=
∆=∆
2
1
/
/
.*
i
ii
ii
chhi
KQ
KQ
tt
(45)
11
Đồ án môn học
Bước 15: Kiểm tra điều kiện:
%5%100.

Bước 17: Tính lại số ống truyền nhiệt n:
^o
dH
F
n
π
=
(48)
Với
2
nt
dd
d
+
=
(49)
Kiểm tra điều kiện:

%5
),max(
≤
−
=∆
tínhchon
tínhchon
nn
nn
n
(50)
Nếu chưa thoả điều kiện thì chỉnh lại các thông số về kích thước thiết bị đã chọn ở trên.

Hơi đốt
Nhiệt độ t
D
o
C 132.9 101.16
Aùp suất P
D
at 3 1,12
Suất lượng D Kg/h 1371,6 1213,2 (21)
ẩn nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2171 2257.22 Tra bảng I.250-[3]
Bảng 2: Thông số pha lỏng
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vị
Giá trị
Nồi 1 Nồi 2
Suất lượng
Dung dịch vào G
đ
kg/h 3500 2310 (5)
Dung dịch ra G
c
kg/h 2310 1120 (6)
12
Đồ án môn học
Nồng độ

Dung dịch vào t
sđ
o
C 103.24 69.831
Dung dịch ra t
sc
o
C 103.345 70.1
Trung bình
s
t
o
C 103.293 69.9655
Nhiệt dung riêng
Dung dịch vào c
đ
J/kg.độ 4051.17 3949.11
(22)Dung dịch ra c
c
J/kg.độ 3979.75 3693.67
Trung bình
c
J/kg.độ 4015.45 3821.33
Suất lượng hơi thứ W kg/h 1201.22 1178.78 (19), (20)
sai số ΔW % 0.94275 0.94275
Chênh lệch nhiệt độ hữu
ích Δt

Tra bảng
V.1-[4]Nhiệt trở lớp cặn bẩn r
t
m
2
.độ/W 3,87.10-4
13
Đồ án môn học
Phía hơi đốt
Nhiệt độ hơi t
D

o
C 132,9 101,16
Nhiệt độ vách t
v1

o
C 129,2 97,75
Nhiệt độ trung bình
D
t

o
C 131,05 99,455 (27)
Aàn nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2171 2257,2
Tra bảng
I.250-[3] theo t

đ
Kg/h 3500 2310
Nồng độ trung bình

x
% 0,1006 0,1856
Nhiệt độ sôi trung
bình

s
t

o
C 103,29 69,97
Phân tử lượng trung
bình
M
19,79 21,61 (31)
Nhiệt độ vách t
v2

o
C 110,24 80,74 (43)
Nhiệt độ trung bình

L
t

o
C 106,77 75,35 (33)

2
.độ 3789,34 2165,79 (26)
Cường độ dòng nhiệt qL W/m
2
26324,6 23338,3 (38)
SS cường độ dòng
nhiệt Δq/q % 0, 355 1,5 (44)
Kiểm tra ĐK
%5
≤
∆
q
q
Đạt Đạt
Hệ số truyền nhiệt K W/m 748,92 650,18 (26)
Nhiệt lượng có ích Q W 743641 684027 (23), (24)
Chênh lệch nhiệt độ
hữu ích tính Δt
hitính

o
C 30,02 31,78 (45)
Chênh lệch nhiệt độ Δt
hichọn

o
C 29,61 31,19 Bảng 3
14
Đồ án môn học
hữu ích chọn


)1(
3
4
1
−+=
nm
(52)
Kích thước buồng bốc:
Nhiệm vụ chủ yếu của buồng bốc là tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi xuống
dưới, còn hơi đi lên phía trên.
Đường kính buồng bốc tính từ điều kiện phân ly được những giọt lỏng có đường kính từ 0,3
mm trở lên.
Ta chọn đường kính buồng bốc theo dãy chuẩn sao cho D
b
> D
đ
.
Kiểm tra điều kiện: vận tốc của hơi thứ trong buồng bốc không quá 70 – 80% vận tốc lắng
của giọt lỏng:
%8070
÷≤
L
w
v
v
(53)
Vận tốc của hơi thứ trong buồng bốc:

2

Nếu 0,2 < Re < 500 thì
6,0
Re
5,18
=
ξ
(56)
Nếu 500 < Re < 150000 thì
44,0
=
ξ
(57)
Chuẩn số Re:
w
Lww
μ
dρv
=
Re
(58)
Chiều cao không gian hơi của buồng bốc:
15
Đồ án môn học

2
4
b
b
b
D

U
tt(1 at)
= 1700 m
3
/m
3
.h (62)
Bảng 5: kích thước thiết bị chính
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn vị Giá trị
nồi 1 nồi 2
Tổng số ống TN n ống 91
Số ống trên đường
chéo m ống 11 (52)
Đường kính ống TN d
n
mm 38
Bước ống t mm 53.2 t=1,4.d
n
Chiều cao buồng đốt H
đ
m 5
Đường kính buồng
đốt D
đ
m 800
(51),đã quy
tròn theo chuẩn

Chuẩn số Re Re 7,01 8,04 (58)
Hệ số trở lực ξ 5,752 5,297 (56), (57)
Dung dịch
Nồng độ cuối x
c
0,1212 0,25
Nhiệt độ sôi t
sc

o
C 103,345 70,1
Khối lượng riêng ρ
L
Kg/m
3
1040,1 1076,9 Bảng I.87-[3]
Vận tốc lắng v
L
m/s 1,05 2,058 (55)
So sánh vận tốc %v % 43,2 75,4 (53)
Kiểm tra ĐK %v
<70% Đạt Đạt
Hệ số hiệu chỉnh f 0,99 1,6
Cường độ bốc hơi thể
tích cho phép U
tt
m
3
/m
3