Đồ Án Thiết Bị
MỞ ĐẦU
Đường mía là một loại gia vị không thể thiếu trong cuộc sống hằng
ngày của con người. Nhưng để sản xuất loại đường này thì cần phải trải qua
nhiều công đoạn.Và cô đặc là một quá trình không thể thiếu trong quy trình
sản xuất loại đường này. Bản chất cô đặc là quá trình bốc hơi nước với mục
đích làm tăng nồng độ chất khô nhằm tạo điều khiện cho các quá trình tiếp
theo được thuận lợi.
Chính vì sự quan trọng của cô đặc nên thông qua đồ án “ Thiết kế hệ
thống thiết bị cô đặc đường mía 3 nồi xuôi chiều có buồng đốt treo” em có
thể tìm hiểu thêm về cô đặc nhiều nồi.
Và qua đây em cũng xin cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng đẫn
để em có thể hoàn thành được đồ án này.
Đồ Án Thiết Bị
PHẦN 1
TỔNG QUAN
1.1. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ 3 nồi xuôi
chiều, loại buồng đốt treo.
• Năng suất nhập liệu: 16000 Kg/h
• Nồng độ đầu: 14% khối lượng
• Nồng độ: 61% khối lượng
• Áp suất hơi đốt: 2.9 at
• Áp suất ngưng tụ: 0,3 at
1.2. Nguyên liệu và sản phẩm
1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc đường saccharoza là nước mía đã
được làm sạch, loại bỏ các tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi. Sau công đoạn làm
sạch nước mía có pH khoảng 6,5- 6,8.
Thành phần chính của nước mía là đường saccharoza, một phần nhỏ là
các đường đơn (glucoza, fructoza ) và một số các chất vô cơ, hữu cơ khác

hủy amit ( vd: asparagin ) của các cấu tử tạo thành acid.
Đóng cặn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca
2+
ít hòa tan ở nồng
độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
Phân hủy một số vitamin.
 Biển 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.
1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:
- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được
giữ nguyên.
- Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.
- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
1.3. SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:
1.3.1. Khái niệm:
Cô đặc là phương pháp thường được dùng để tăng nồng độ một cấu tử
nào đó trong dung dịch 2 hay nhiều cấu tử. tùy theo tính chất của cấu tử khó
Đồ Án Thiết Bị
bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi
hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đung nóng) hay bằng phương pháp kết tinh.
Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt. trong phương pháp nhiệt, dưới
tác dụng của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoìa tác dụng lên bề
mặt thoáng của dung dịch ( tức khi dụng dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch
không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở
nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp.
1.3.2. Phân loại thiết bị cô đặc:
Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:

(không làm bẩn bể 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 dễ dàng. Việc thoát nứoc 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 bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hóa dễ dàng.
1.4. Quy trình công nghệ
1.4.1. Quy tình công nghệ:
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc
Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi
thông qua các ống ruyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn vầ được tuần hoàn
trở lên phía buồng bốc. Tại đây,xảy ra quá trình đối lưu giữa hơi đốt và dung
dịch, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch di chuyển xuống đáy
thiết bị rồi lại được đẩy lên trên.
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.
Đồ Án Thiết Bị
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.
1.4.3. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Dung dịch từ bể chứa nhuyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao
vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt

= +
(1)
Viết cho cấu tử phân bố:
d d c c w
G x G x W x× = × + ×
Xem như lượng hơi thứ không mất mát, ta có:
d d c c
G x G x× = ×
(2)
Vậy, từ (1) và (2) lượng hơi bốc ra của toàn hệ thống được xác định:
14
1 16000 1
61
d
d
c
x
W G
x
 
 
= − = −
 ÷
 ÷
 
 
=12327,87 (kg/h)
2.1.2. Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:
Ta có:
1 2 3

16000 4109,29
d
d
d
G
x x
G W
= = =
− −
%
Nồi 2:
2
1 2
14
16000 28,79
16000 4109,29 4109,29
d
d
d
G
x x
G W W
= = =
− − − −
%
Nồi 3:
3
1 2 3
14
16000 61

Σ
= − = −
2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.2.1. Xác định áp suất của mỗi nồi:
Gọi P
1
, P
2
, P
3
, P
nt
: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ.
∆
P
1
: hiệu áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
∆
P
2
: hiệu áp suất của nồi 2 so với nồi 3.
∆
P
3
: hiệu áp suất của nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ.
∆
P

:Hiệu số áp suất của cả hệ thống:
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước

= 0,346 (at).
2.2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi:
Gọi: t
hd1
, t
hd2
, t
hd3
, t
nt
:nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, 3 thiết bị ngưng tụ.
t
ht1
, t
ht2
, t
ht3
:nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3.
Giả sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây rakhi chuyển từ
nồi 1 sang nồi 2 là 1
0
C.
t
ht1
= t
hd2
+ 1
t
ht2
= t

Áp
suất
(at)
Nhiệt
độ
(
0
C)
Áp
suất
(at)
Nhiệt
độ
(
0
C)
Hơi
đốt
2,9 131,6 1,373 108,09 0,646
87,25
0,3 68,7
Hơi
thứ
1,42 109,09 0,67 88,25 0,31
69,7
Đồ Án Thiết Bị
2.2.3. Xác định tổn thất nhiệt độ:
2.2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra (
∆
’):

i
: nhiệt hóa hơi của nồi thứ i)

'∆
: tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất thường gây ra.
r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
Bảng 2.2: Hình V1.2 tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra của dung dịch
Đường phụ thuộc vào nồng độ ở áp suất thường/Trang 60.
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nồng độ dung
dịch (% khối
lượng)
18,84 28,79 61
0
'∆
(
0
C) 0,253 0,455 3,2
Bảng 2.3: Tra bảng I.251, STQTTB,T1/Trang 314
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Áp suất hơi thứ (at) 1,42 0,67 0,31
Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2236.10
3
2289,9.10
3
2334,4.10
3
Nồi 1:
Đồ Án Thiết Bị
( ) ( )

×
(
0
C)
Nồi 3:
( ) ( )
2 2
3
0
3
3
' 273 69,7 273
' ' 16,2 3,2 16,2 2,608
2334,4 10
t
r
+ +
∆ = ∆ × × = × × =
×
(
0
C)
Vậy, tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
1 2 3
' ' ' ' 0,268 0,420 2,608 3,296∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
(
0
C)
2.2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (
''∆

ρ
 
= + + ×
 ÷
 

, N/m
2
0tb
P P P= + ∆
với
1
2
dds op
P g H
ρ
∆ = × × ×
(N/m
2
)
Trong đó: P
0
: là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
P∆
: chênh lệch áp suất bề mặt dung dịch đến giữa ống (N/m
2
)
dd
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m

= + − × 
 

Tra bảng I.86, STQTTB, T1/T59, 60, 61 ta được
dd
ρ
I.5, STQTTB, T1/T11, 12 ta được
dm
ρ
Số liệu được biễu diễn theo bảng như sau:
Bảng 2.4
x
c
(%) t’ (
0
C) P
’

(at)
dd
ρ
(kg/m
3
)
dm
ρ
(kg/m
3
)
d ds

Tra bảng I.251, STQTTB, T1/ T 314 ứng với
1tb
P
ta được
1 1tb s
t t=

=
109,56
0
C
Ứng với :
01
1,61P
=
(at)
1 1
' ' 109,09 0,268 109,358
p
t t
= + ∆ = + =
0
C

1 1
''
s p
t t∆ = −
= 109,56 – 109,358 =0,202
0

ta được
2 2s tb
t t=
=
89,148
0
C
Ứng với :
02
0,8P
=
(at)
2 2
' ' 88,25 0, 420 88,670
p
t t
= + ∆ = + =
0
C

2 2
''
s p
t t
∆ = −
= 89,148 – 88,670 = 0,478
0
C
Nồi 3:
( )

t t=
=
72,385
0
C
Ứng với :
01
0,355P
=
(at)
3 3
' ' 69,7 2,608 72,308
p
t t
= + ∆ = + =
0
C

3 3
''
s p
t t
∆ = −
= 72,385 – 72,308 = 0,077
0
C
Vậy ta có: tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh là:
1 2 3
'' '' '' '' 0,202 0,478 0,077 0,757
∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =

0
C
Đồ Án Thiết Bị
2.2.3.4. Tổn thất nhiệt độ do toàn hệ thống:
' '' ''' 3,296 0,757 3 7,053
∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
0
C
2.2.3.5. Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi:
Cho từng nồi:
Nồi 1:
( )
1 1 2 1
131,6 108,09 0,268 0,202 1 22,04
i
t T T
∆ = − − ∆ = − − + + =
∑

0
C
Nôi 2:
( )
2 2 3 2
108,09 87,25 0,420 0,478 1 18, 492
i
t T T
∆ = − − ∆ = − − + + =
∑


-
1i
t∆
= 131,6 – 22,04= 109,56
0
C
Noài II:
2 2 2i s
t T t∆ = −
suy ra t
S2
= T
2
-
2i
t∆
= 108,09 – 18,942= 89,148
0
C
Noài III:
3 3 3i s
t T t∆ = −
suy ra t
S3
= T
3
-
3i
t∆


(t
s2
= 89,148
0
C, x = 28,79%)
Đồ Án Thiết Bị
C
2
= 4190 – ( 2514 – 7,542*89,148)*0,2879= 3659,790 (J/Kg.độ)
Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 3: (t
s3
= 72,385
0
C, x = 61%)
C
3
= 4190 – ( 2514- 7,542*72,385)*0,61= 2989,470(J/Kg.độ)
2.2.4.2. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Hình 2.1. sơ đồ cấp nhiệt và tổn thất nhiệt của 3 nồi.
Nồi 1:
D.i + G
d
.C
d
.t
d
= W
1
.i
1

2
+ (G
d
– W
1
–W
2
)C
2
.t
2
+ W
1
.C
n2
.θ
2
+ Q
xq2
Nồi 3:
W
2
.i
2
+ (G
d
–W
1
–


, i
3
: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, hơi thứ
nồi 3 (J/kg)
t
d
, t
1
, t
2
, t
3
: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của dung
dịch (
0
C)
C
d
,

C
1
, C
2
, C
3
:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3
của dung dịch (J/kg.độ)
Đồ Án Thiết Bị
θ

. θ
1
= r(θ
1
) ; i - C
n2
. θ
2
= r(θ
2
) ; i - C
n3
. θ
3
= r(θ
3
)
Bảng 2.5:
Tra bảng I.250,STQTTB,T1/Trang 312
I.249,STQTTB,T2/Trang 310
Ta có:
Nồi
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
T (
0
C) I.10
3
(J/kg)
C
n

– C
ng2
. θ
2
)
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
1
4174,137W =
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là:
2
4120,671W =
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 3 là:
W
3
= W – W
1
–W
2
= 12327,87-
4174,137
-
4120,671
=
4033,062
2.2.4.3. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
1
4174,137 4109,29
100% 1,55%
4174,137
η

I C
kg h
θ
− + −
=
−
− + −
=
−
=
Lúc này: Nồng độ dung dịch trong các nồi:
1
1
14
1600 18,94%
w 16000 4174,137
d
d
d
x
x G
G
= = =
− −
2
1 2
14
1600 29,07%
w w 16000 4174,137 4120,671
d

):
Ta dùng công thức Pavolov:
1 2
1 2
onst
t t
K c
θ θ
−
= =
−
Với: t
1
,t
2
: là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt
21
,
µµ
.

21
,
θθ
:là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tưng ứng.
Nên:
1 2 1 2
1 2
1 2
t t t t

3 2
1
3 2
2
1,084.10 . /
1,351.10 . /
N s m
N s m
µ
µ

=


=


Ứng với nhiệt độ của nước là:
0
1
0
2
16,964
8,875
C
C
θ
θ

=

−
⇒ = + =
Tra bảng I.102, STQTTB T1/T94 :
3 2
1
0,389.10 ( . / )N s m
µ
−
=
Nồi 2: Nồng độ dung dịch:
2
29,07%x =
Tại nhiệt độ:
0
1
0
2
60
50
t C
t C

=


=



Đồ Án Thiết Bị

=


=


(Tra bảng I.102; ST
QTTB T
1
/T
94
)
60 50
1, 438
9,158 2,204
K
−
⇒ = =
−
Nồi 2 có t
s
=89,148
0
C
0
89,148 50
2,204 29,428( )
1,438
s
C


Tra bảng I.112, STQTTB T1/T114ta được độ nhớt dung dịch:
3 2
1
3 2
2
1,690.10 . /
1,767.10 . /
N s m
N s m
µ
µ

=


=


Ứng với nhiệt độ của nước là:
0
1
0
2
1,707
0,41
C
C
θ
θ

C
θ
−
⇒ = + =
Tra bảng I.102, STQTTB T1/T94 :
3 2
3
1,729.10 ( . / )N s m
µ
−
=

3.1.2 Hệ số truyền nhiệt của dung dịch:
t
m1
T q
2
t
T1
t
T2
q
1
t
2
q t
m2
Đồ Án Thiết Bị
3
dd

Mà
1
dd
dd
1
i
i i
nuoc
x
M
m
x x
M M
=
−
+
Nồi 1 :
1
0,1894
342
0,012
0,1894 1 0,1894
342 18
m = =
−
+
⇒
M
1
=0,012.342+(1-0,012).18=21,888

λ
−
⇒ = =
(w/m.độ)
Nồi 3 :
3
0,61
342
0,076
0,61 1 0,61
342 18
m = =
−
+
⇒
M
1
=0,076.342+(1-0,076).18=42,624
8
3
3
1294,64
3,58.10 .2989,476.1294,64. 0,43
42,624
λ
−
⇒ = =
(w/m.độ)
Đồ Án Thiết Bị
3.1.3 Hệ số cấp nhiệt (

m
= 0,5.(t
t
-t
bh
)
11 Thd
ttt −=∆
với t
T1
là nhiệt độ thành ống về phía ngưng tụ
Nồi 1: Chọn
1
1,72t∆ =

1
1 1T
t T t= − ∆ =
131,6 – 1,72 = 129,88
1
1 1
0,5( )
T
tm t T= +
= 0,5 ( 129,88 – 131,6 ) = 130,74
→
A
1
= 191,222
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 /T313

2 1
108,09 1,27 106,82
T
t T t= − ∆ = − =
( )
( )
1 1
2
0,5 0,5 106,82 108,09 107,455
m T
t t T= + = + =
(
0
C)
2
182,355A⇒ =
Tra bảng I.250, STQTB, T1/ T313
( )
1
3
1,
2239,348.10 /
n
r J Kg=
⇒

2
3
4
1,

( )
1
0,5 86,52 87,25 86,885
o
m
t C= + =
⇒
A
3
= 172,443
Tra bảng I 250 STQTTB, T
1
/T
313
3
3
4
1,
2291,6.10
2,04.172,443. 12451,516
2.0,73
n
r = =
( W/m
2
độ )
⇒

3 3
1, 1, 1

222
.





























(1)
2,33 0,5
2
0,145 .
n
t p
α
= ∆
(2)
Trong đó: P là áp suất hơi thứ
Ta có:
r =
∑
r
1
+ r
2
+ r
3
Chọn theo bảng V.1 STOTTB, T2/T4
1 2
r r r
δ
λ
= + +
∑
Trong đó :
r
1
là nhiệt độ của lớp hơi nước

Nồi 1: tại
1 2
0
109,56
s s
t t C= =
Ta có :
1
3 0
1, 1
. 18918,980.0,742.10 14,038( )
n
t q r C
−
∆ = = =
∑
2 1
0
129,88 14,038 115,842( )
T T
t t t C⇒ = − ∆ = − =
Hệ số cấp nhiệt của nước :
1
0
2 2
115,842 109,56 6,282( )
T
t t t C∆ = − = − =
Áp suất hơi thứ tại nồi 1:
5 2

(J/kg.độ)

1
0,684
n
λ
=
(w/m
2
.độ)

1
2
951,326( / )
n
kg m
ρ
=
1
3
0,565 2 0,435
3
0,548 1078,176 3872,038 0,26.10
( ) [( ) .( ).( )] =0,794
0,684 951,326 4232,428 0,389.10
n
ϕ
−
−
⇒ =

2
2
18918,980 19514,706
19216,843(w/m )
2 2
n n
q q
Q
+
+
= = =
Nồi 2: tại
2 2
0
89,148
s s
t t C= =
Ta có :
2
3 0
1, 3
. 14476,832.0,742.10 10,742( )
n
t q r C
−
∆ = = =
∑
2 1
0
106,82 10,742 96,078( )

3 2
0,318.10 ( / )
n s
N m
µ
−
=

2
4256,924
n
C =
(J/kg.độ)

2
0,68
n
λ
=
(w/m
2
.độ)

2
2
965,862( / )
n
kg m
ρ
=

Nên ta có :
2
14476,832 14363,257
0,79%
14363,257
η
−
= =
<5%
Nhiệt tải trung bình :
2 2
1, 2,
2
2
14476,832 14363,257
14420,045(w/m )
2 2
n n
q q
Q
+
+
= = =
Nồi 3: tại
3
0
2
72,385
s
t t C= =

2,33 4 0,5
,
0,145(7,391) (3,04.10 ) 2672,288
n n
α
= =
(w/m
2
.độ)
Tra bảng I.294.STQTTB,T1/T311

3
3 2
0,389.10 ( / )
n s
N m
µ
−
=

3
4188,908
n
C =
(J/kg.độ)

3
0,669
n
λ

α ϕ α
= = =
(w/m
2
.độ)
3 3 3
2
2, 2, 2,
. 7,391.1205,202 8907,648(w/m )
n n n
q t
α
⇒ = ∆ = =
Nên ta có :
2
8907,648 9089,607
2,04%
8907,648
η
−
= =
<5%
Nhiệt tải trung bình :
3 3
1, 2,
2
3
9089,607 8907,648
8998,628(w/m )
2 2

∑
∑
Trong đó:
hi
t∆
: Nhiệt độ hữu ích trong các nồi.
i
Q
: Là nhiệt lượng cung cấp (J/S).
i
K
: Hệ số truyền nhiệt.
Ta có:
.
3600
i i
i
D r
Q =
Trong đó:
i
D
: Lượng hơi đốt mỗi nồi.
i
r
: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi.
1 2
1
1 1
i

677,169
Q
K
= =