Đồ án môn học
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan.................................................................................2
I. Nhiệm vụ đồ án ........................................................................2
II. Lựa chọn thiết bò .......................................................................2
III. Quy trình công nghệ .................................................................3
Chương 2: Thiết bò cô đặc ........................................................................7
I. Sơ lược về thiết bò cô đặc .........................................................7
II. Cân bằng vật chất năng lượng .................................................7
III. Kích thước thiết bò ....................................................................10
Chương 3: Thiết bò phụ .............................................................................29
I. Thiết bò ngưng tụ baromet ........................................................29
II. Thiết bò gia nhiệt ......................................................................34
III. Tính và chọn bơm .....................................................................35
Chương 4: Kiểm soát và điều khiển quá trình ......................................41
Tổng kết...............................................................................................................45
Tài liệu tham khảo .............................................................................................47
1
Đồ án môn học
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dòch 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
• p suất ngưng tụ: 0,3at
• p suất hơi đốt: 3at
II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ:
1. Khái niệm:

dung dòch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
2
Đồ án môn học
- Nhóm 2: dung dòch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bò trong
nhóm này được dùng cho các dung dòch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn hay kết
tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dòch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi
xuống. Thiết bò nhóm này chỉ cho phép dung dòch 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 dòch.
Đối với mỗi nhóm thiết bò đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Tuỳ
theo điều kiện của dung dòch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất
thường hay áp suất dư.
4. Lựa chọn thiết bò cô đặc:
Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bò nói trên ta
chọn loại thiết bò ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngoài, sử dụng
hai nồi xuôi chiều liên tục.
Ưu điểm của hệ thống:
Dùng thiết bò cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dòch vào và ra khỏi dàn ống một lần,
không có tuần hoàn trở lại, nên thời gian dung dòch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt truyền
nhiệt ngắn, thích hợp với sản phẩm dễ bò 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 dòch và áp suất giảm dần từ
nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dòch ở nồi cuối cùng sẽ thấp.
Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao thiết bò, 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 dòch có độ nhớt
cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dòch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy
ra.
Không thích hợp khi cô đặc dung dòch đến nồng độ cuối cao và dung dòch dễ kết tinh vì

phần dung môi. Phần hơi sẽ được tạo ra ở vùng trung tâm ống, dung dòch sẽ được chảy
thành màng mỏng sát thành ống.
Điều kiện cần thiết để quá trình truyền nhiệt xảy ra là phải có sự chênh lệch nhiệt độ
giữa hơi đốt và dung dòch đường; tức là phải có sự chênh lệch áp suất của hơi đốt và hơi thứ
trong nồi.
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 dòch
đường sôi càng mạnh. Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì độ nhớt của dung dòch 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 dòch được nhập liệu vào nồi với tốc độ không đổi, và nó chảy từ đầu
ống đến cuối ống không có tuần hoàn 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 dòch 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.
-Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dòch, dòng hơi thứ được tạo thành khi tách
khỏi bề mặt dung dòch luôn kéo theo một lượng nhất đònh các hạt chất lỏng dung dòch. Nếu
dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dòch sẽ lắng đọng
làm bẩn bề mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Mặt khác nếu kéo theo nhiều dung
dòch sẽ gây tổn thất dung dòch. Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là phải tách các
hạt chất lỏng dung dòch còn lại ra khỏi hơi thứ cấp. Ta sử dụng 3 phương pháp vật lý sau để

quyển mà không cần dùng máy bơm. Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng
ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bò ngưng tụ quá nhiều (vì
hệ thống làm việc liên tục), làm cho áp suất của thiết bò ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho
nước chảy ngược lại sang nồi 2.
• Nước ngưng sau khi ra khỏi thiết bò ngưng tụ sẽ được thải vào hệ thống nước thải .
6
Đồ án môn học
CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
I. SƠ LƯC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dòch nước mía.
 Những yêu cầu đối với thiết bò 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 ngoài 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 thoát khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thoát 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 thoát nước ngưng tụ dễ dàng. Việc thoát nước ngưng tụ có liên quan chặt
chẽ đến tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thoát 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 bò đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hoá dễ dàng.
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG:
Kí hiệu các đại lượng:

C nhiệt độ sôi trung bình của dung dòch
t
s
o
C nhiệt độ sôi của dung dòch
θ
o
C nhiệt độ nước ngưng
φ % độ ẩm của hơi bão hoà
“
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 dòch nhập liệu: x

=
,
2,11
≤≤
m
(2)
-Nồng độ x
i
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

= 3 -0,3 =2,7 at
-Giả thiết phân phối hiệu áp suất giữa các nồi:
5,22,1
2
1
÷=
∆
∆
P
P
(7)
-Tính áp suất hơi thứ trong các nồi:
8
Đồ án môn học

11
221
2
21
PPP
PPP
PP
PPP
D
ng
t
∆+=
∆+=
=
∆=∆+∆

-Hiệu số nhiệt độ hữu ích:

ngD
ch
ttt
tt
−=∆
∆−∆=∆
Σ
(12)
-Nhiệt độ sôi của dung dòch từng nồi:

'
∆+=
ws
tt
(13)
-Xác đònh hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
11 sDh
ttt
−=∆
(14)
Nồi 2:
212
1
swh
ttt
−−=∆
(15)

Đồ án môn học
-Giả sử tổn thất nhiệt :
Dtt
QQ 05,0
=
-Nhiệt cô đặc rất nhỏ so với các phần nhiệt lượng khác nên có thể coi:
Q
cđ
= 0
Phương trình CBNL trở thành:
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

)("
11111
−−+
=

(21)
Nhiệt dung riêng của dung dòch đường có nồng độ x tại nhiệt độ t:
C = 4190-(2514-7,542.t).x (J/kg.độ) (22)
III. KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:
Kí hiệu các đại lượng
Ký hiệu Đơn vò Ý nghóa
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 dòch đường mía
K W/m
2
.độ hệ số truyền nhiệt tổng quát
r
D
kJ/kg ẩn nhiệt ngưng tụ
r m
2

α
W/m.độ hệ số cấp nhiệt
t m bước ống truyền nhiệt
δ
m chiều dày ống truyền nhiệt
λ
W/m.độ hệ số dẫn nhiệt
µ
Pas độ nhớt tuyệt đối
ρ
kg/m
3
khối lượng riêng
θ
m kích thước hình học đặc trưng
“
L
” ký hiệu ứng với dung dòch đường mía
“
D
” kí hiệu ứng với hơi đốt
“w” kí hiệu ứng với hơi thứ
“n” kí hiệu bên ngoài 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
“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:

i
D
i
rr
K
αλ
δ
α
11
1
++++
=
(W/m
2
.độ) (25)
Hệ số cấp nhiệt phía hơi bão hoà ngưng tụ:

25,0
1
32
)(
15,1









tt
t
+
=
−
,
o
C (27)
Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch sôi:

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

3
_
8
10.58,3

(31)

xtCp )..542,72514(4190
−−=
, (j/kg.độ) (32)
Nhiệt độ trung bình phía dung dòch:
2
2
_
vs
L
tt
t
+
=
(33)
Kích thước hình học đặc trưng:
3/1
2
2








=
g

αα
).(.
1
−=∆=
(37)
Phía dung dòch:
ssvsLL
tttq
αα
).(.
2
−=∆=
(38)
Dòng nhiệt truyền qua vách:
v
vv
r
tt
qv
Σ
−
=
21
(39)

λ
δ
++=Σ
ntv
rrr

−
=∆
ici
ici
WW
WW
W
là được. ( 42)
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).
12
Đồ án môn học
Bước 4: Sau đó ta cố đònh 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 bò: H
o
â, d
t
,
d
n
, n, δ.
Bước 7: Chọn 2 giá trò nhiệt độ phía hơi đốt Δt
D

cần xác đònh. Lặp lại các bước 8, 9, 10 với giá trò Δt
D
vừa xác đònh.
Bước 12: Kiểm tra điều kiện:
%5
),max(
≤
−
=∆
LD
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

hi
tK
Q
F
*.
∆
=
(47)
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(
≤
−

o
C 102.16 68.7
Tra bảng I.251-
[3] theo PwEntanpi i"
W
kJ/kg
2682.4
6
2624.0
1
ẩn nhiệt ngưng tụ r
W
kJ/kg
2254.8
2
2336.1
7
Hơi đốt
Nhiệt độ t
D
o
C 132.9 101.16
p suất P
D
at 3 1,12
Suất lượng D Kg/h 1371,6 1213,2 (21)
ẩn nhiệt ngưng tụ r

0.121
2 0.25 (4)
Trung bình
x

0.100
6
0.185
6
Bảng 3: Kết quả tính cân bằng vật chất và năng lượng
Đại lượng
Kí
hiệu Đơn vò
Giá trò
Ghi chú Nồi 1 Nồi 2
Độ tăng phí điểm
14
Đồ án môn học
Dung dòch vào Δ'
đ
o
C 0.08 0.131
Dung dòch ra Δ'
c
o
C 0.185 0.4
Trung bình
'
∆
o
Dung dòch ra c
c
J/kg.độ
3979.7
5
3693.6
7
Trung bình
c
J/kg.độ
4015.4
5
3821.3
3
Suất lượng hơi thứ W kg/h
1201.2
2
1178.7
8 (19), (20)
sai số ΔW %
0.9427
5
0.9427
5
Chênh lệch nhiệt độ
hữu ích Δt
hi
o

V.1-[4]
Nhiệt trở lớp cặn
bẩn r
t
m
2
.độ/W 3,87.10-4
Phía hơi đốt
15
Đồ án môn học
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)
n nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2171 2257,2
Tra bảng

nhiệt q
D
W/m
2
26418,
4
23698,
8 (37)
Phía dung dòch
Suất lượng dung
dòch G
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

J/kg.độ
4018,0
9
3828,8
6 (32)
Chuẩn số Re Re 1546,3 554,1 (36)
Chuẩn số Pr Pr 2,73 4,94 (35)
Chuẩn số Nu Nu 0,1616 0,1399 (29)
Kích thước hình học
đặc trưng θ m 2,4.10
5
3,5.10
5
(34)
Hệ số cấp nhiệt αL W/m
2
.độ
3789,3
4
2165,7
9 (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)

nhiệt % 4,43 4,43
Kiểm tra ĐK Đạt Đạt
Chọn thông số chung cho cả 2 nồi.
Ta chọn dư bề mặt truyền nhiệt 20%.
Số ống truyền nhiệt là: n = 91 ống (làm tròn theo bảng V.11-[4])
Chiều cao ống truyền nhiệt là : H
o
â= 5m
Chiều cao thân buồng đốt lấy bằng chiều cao ống truyền nhiệt: H
đ
= 5m
KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT VÀ BUỒNG BỐC:
Kích thước buồng đốt:
ng được bố trí trên vỉ ống theo đỉnh hình tam giác đều, ống được lắp vào mạng bằng
phương pháp nong ống, với bước ống t =1,4.d
n
Đường kính vỏ buồng đốt: (CT 2.85,trang 58 – [1])
D
đ
= t (m-1) + 4d
n
(51)
Số ống trên đường chéo: (CT2.86-[1])

)1(
3
4
1
−+=
nm

W
V
πρ
=
(54)
Vận tốc lắng của giọt lỏng:

ξρ
ρρ
w
LwL
L
dg
V
3
)(4
−
=
(55)
Với: d
L
= 0,3 mm =0,0003 m.
Hệ số trở lực
ξ
đưởc tính như sau:
Nếu 0,2 < Re < 500 thì
6,0
Re
5,18
=

ttw
b
U
W
V
.
ρ
=
,m
3
(60)
Với Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi ( thể tích hơi nước
bốc hơi trên một đơn vò thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vò thời gian).
U
tt
= f.U
tt(1 at)
, m
3
/m
3
.h (61)
Hệ số hiệu chỉnh f xác đònh theo đồ thò hình VI.3-[4]
U
tt(1 at)
= 1700 m
3
/m
3
.h (62)

Hơi thứ
Suất lượng W Kg/h 1190 1190
Bảng 1 Nhiệt độ t
w

o
C 102,16 68,7
p suất P
w
at 1,12 0,3
Khối lượng riêng ρ
w
Kg/m
3
0,6431 0,1883 Bảng I.250-
18
Đồ án môn học
[3]
Độ nhớt têt đối μ
w
10
-7
.
Pa.s 125 109 Bảng I.121-[3]
Vận tốc v
w
m/s 0,454 1,552 (54)

/m
3
.h 1683 2720 (61)
Thể tích không gian
hơi V
b
m
3
1,099 2,323 (60)
Chiều cao không
gian hơi H
b
m 0,97 2,054 (59)
Chiều cao buồng bốc H
b
m 2,5
Kích thước cửa nhập liệu, tháo liệu, hơi đốt, hơi thứ, tháo nước ngưng, nối buồng
đốt và buồng bốc:
Đường kính ống dẫn và cửa ra vào của thiết bò được xác đònh từ phương trình lưu lượng.
Chọn tốc độ của khí (hơi) hoặc dung dòch đi trong ống dẫn theo trang 74-[4], sau đó tính
đường kính ống theo công thức sau:

v
G
d
πρ
3600
4
=
(63)

19