ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
PHẦN
I : TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
I . GIỚI THIỆU CHUNG.
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do
nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa
phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản
xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn
kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng,
mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên
hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường
làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế
liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, acid lactic…
Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm
đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất
phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu
hoạch trễ và không chế biến kịp thời.
Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả
sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất
nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng
với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc
cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc
hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi
mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và
cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một
yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không
thể xem thường.
1

2+
ít hoà tan ở nồng độ
cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
Phân hủy chất cô đặc.
Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa
các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
Phân hủy một số vitamin.
c. Biến 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 đường cao.
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 hoá học chủ yếu không thay đổi.
III. Cô đặc và quá trình cô đặc
1. Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ của một cấu tử
nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng rắn
hay dung dịch lỏng lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến
hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay
không bay hơi trong quá trình đó mà ta có thể tách một phần dung môi bằng phương
pháp nhiệt độ hay phương pháp làm lạnh kết tinh.
3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
2. Các phương pháp cô đặc
a. Phương pháp nhiệt (đun nóng):
Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt
khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung
dịch. Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi hỏi phải cô đặc ở

Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ
động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
IV. Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc
1. Phân loại và ứng dụng
a. Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch
khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc
ngoài.
- Có buồng đốt ngoài ( 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 hoàn ngoài.
- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
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 ngoài: dùng cho dung dịch
sôi tạo bọt khó vỡ.
5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho 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

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo…
4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
- Đơn giản, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt.
- Phân bố hơi đều.
- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
- Tổn thất năng lượng( do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất).
- Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng.
7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
PHẦN II : THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 3 NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC
I. Nguyên lý hoạt động thiết bị chính và thiết bị phụ
1. Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc
Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các
ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc.
Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung
tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên. Quá trình trao đổi nhiệt
được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt.
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.
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.

3. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Dung dịch từ thùng chứa (11) được bơm ly tâm (8) bơm lên bồn cao vị (9), thùng
cao vị (9) có cửa chảy tràn để hồi lưu lại lượng dung dịch đầu được bơm lên quá
nhiều. Dung dịch từ thùng cao vị (9) được dẫn xuống thiết bị gia nhiệt đầu (4), lưu
lượng được khống chế bằng van (17). Tại thiết bị trao đổi nhiệt hơi đốt ngưng tụ cấp
nhiệt cho dung dịch. Dung dịch sau khi ra khỏi thiết bị (4)thì đã được ở nhiệt độ sôi và
được đưa vào nồi cô đặc (1), tại đây dung dịch bắt đầu bốc hơi và đi vào ống tuần
hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt. Vì đường kính ống truyền nhiệt nhỏ hơn đường
kính ống tuần hoàn nhiều nên dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi mạnh và có khối
lượng riêng nhỏ hơn so với khối lượng riêng của dung dịch trong ống tuần hoàn. Sự
chênh lệch về khối lượng riêng đó là động lực làm cho dung dịch trong ống truyền
nhiệt chuyển động lên phía trên còn dung dịch trong ống tuần hoàn chuyển động
xuống phía dưới tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị. Dung dịch đi lên phía
trên ống truyền nhiệt và bay hơi dung môi, do đó nồng độ dung dịch tăng lên. Hơi bốc
lên được tách bọt nhờ hệ thống tách bọt trong nồi và được dẫn sang làm hơi đốt cho
nồi thứ hai. Do nhiệt độ ở nồi (1) cao hơn nồi (2) nên áp suất hơi thứ nồi (1) cao hơn
nồi (2) do vậy dung dịch từ nồi (1) tự chảy sang nồi (2) và đi vào buồng đốt nồi (2),
lưu lượng này được điều chinnh3 bằng van (18). Khí không ngưng và hơi nước ngưng
của nồi (1) được tháo ra qua ống tháo nước ngưng và khí không ngưng tương ứng.
9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
Quá trình diễn ra tương ứng như nồi (2). Sang nồi (3) hơi bốc lên từ nồi (3) được
đưa sang thiết bị ngưng tụ baromet (5) và được ngưng tụ tại đó còn dung dịch sản
phẩm được hút ra nhờ bơm (7) và đi vào thùng chứa (10). Nhờ bơm hút chân không
mà áp suất trong thiết bị ngưng tụ và trong nồi (3) giảm xuống tạo động lực cho quá
trình tuần hoàn tự nhiên của hệ thống và cũng chính vì thế mà lượng hơi bốc ra tăng từ
nồi (1) đến nồi (3). Hơi được đưa sang thiết bị ngưng tụ baromet (5) và được ngưng tụ
tại đây. Nước ngưng được dẫn về bể chứa (12) còn bọt được tách ra nhờ thiết bị tách
bọt (6), nước tách ra cũng được đưa về bể chứa (12). Trong thiết bị ngưng tụ baromet
hơi đi từ dưới lên và được tưới từ trên xuống, hơi truyền nhiệt cho nước và ngưng tụ

x
x
GW −=
∑
(kg/h)
Trong đó:
W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)
G
d
: Lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
x
d
,x
c
: Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng
2. Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi tỉ lệ 1,0 : 1,1 : 1,2
Lượng hơi thứ của toàn hệ thống :
W=G
d
(1 )
d
c
x
x
−
W=3000* = (kg/h)
Khi đó ta có hệ phương trình:
1
2
1

=67% khối lượng.
Áp suất hơi đốt P
1
=12at.
Áp suất của hơi ngưng tụ P
ng
=0,2 at.
 xác định các thông số của thiết bị chính.
1. xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống.
Áp dụng công thức:
1
d
c
x
W G
x
 
= −
 ÷
 
=3000(1- )= 2462,686 kg/h
2. tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi.
- Gọi W
1
, W
2
, W
3
lần lượt là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h)
- Giả sự lượng hơi thứ bốc ra giữ các nồi là W

i
là nồng độ đi ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3, (% khối lượng) ta có:
13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
áp dụng công thức
1
w
d
i
i
i
j
x
x G
G
=
=
−
∑
ta có:
1
12
3000 15,973%
3000 746,268
x = =
−
2
12
3000 25,124%
3000 746,268 820,895

2 3
1,75. 1,75.2,0522 3,5914p p at⇒ ∆ = ∆ = =
1 3
3. 3.2,0522 6,1566p p at
⇒ ∆ = ∆ = =
Gọi P
hdi
: là áp suất hơi đốt nồi i, at
r
hdi
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt nồi i, j/kg
14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
i
hdi
: nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi i, j/kg
t
hdi
: nhiệt độ hơi đốt nồi i,
o
C
- Áp suất hơi đốt nồi 1 : P
hd1
=12at
- Áp suất hơi đốt nồi 2 là:
P
hd2
=p
hd1
-Δp=12- 6,1566= 5,8434 at

6 5
hd
r j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
2
2768 2754
2754 5,8434 5 .10 2765,8076.10 /
6 5
hd
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
2
158,1 151,1
151,1 5,8434 5 157,0038
6 5
o
hd

−
 
= + − =
 
−
 
15
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
( )
3 3
3
2730 2710
2170 2,252 2 .10 2715,04.10 /
3 2
hd
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
6. các thông số của hơi thứ.
Gọi t
hti
: nhiệt độ hơi thứ nồi i,
o
C
P
hti

C
t
ht2
=t
hd3
+1= 122,9516 + 1= 123,9516
o
C
t
ht1
=t
hd2
+1= 157,0038 + 1= 158,0038
o
C
Bằng phương pháp nội suy ta có:
( )
1
6 5
5 158,0038 151,1 5,9863
158,1 151,1
ht
p at
−
 
= + − =
 
−
 
( )

3 2
2 123,9516 119,6 2,3272
132,9 119,6
ht
p at
−
 
= + − =
 
−
 
16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
( )
3 3
2
2171 2208
2208 123,9516 119,6 .10 2195,894.10 /
132,9 119,6
ht
r j kg
−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
2

−
 
= + − =
 
−
 
( )
3 3
3
2620 2607
2607 60,7 59,7 .10 2608,444.10 /
68,7 59,7
ht
i j kg
−
 
= + − =
 
−
 
7. tính tổn thất nhiệt cho từng nồi.
7.1. tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi trong từng nồi Δ
1
’
Ta có công thức Δ
i
’
= Δ
0i

02
’
=2,483
o
C
x
3
=66,999 Δ
03
’
=4,95
o
C
hệ số hiệu chỉnh f
1
được tính theo công thức:
2
1
16,2.
i
i
T
f
r
=
Trong đó:
T: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất giữa ống đốt,
o
C
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất giữa buồng đốt, j/kg

dds
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
g: gia tốc trọng trường
khối lượng riêng của dung dịch khi sôi lấy bằng một nửa khối lượng riêng của dung
dịch ở 20
o
C, do vậy ta có:
18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
3
dd 1
3
dd 2
3
dd 3
1065,2239
/
2
1106,0804
/
2
1330,8939
/
2
s
s
s
kg m
kg m

thay số ta có:
1
4
2
4
3
4
4 1065,2239 1
5,9863 0,5 .9,81. . 6,1195
2 2 9,81.10
4 1106,0804 1
2,3272 0.5 .9,81. . 2,4654
2 2 9,81.10
4 1330,8939 1
0,2111 0,5 .9,81. . 0,3775
2 2 9,81.10
p at
p at
p at
 
= + + =
 ÷
 
 
= + + =
 ÷
 
 
= + + =
 ÷

j/kg
19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
P
2
=2,4654 atr
2
=2190,7802.10
3
j/kg
P
3
=0,3775 atr
3
=2323,6.10
3
j/kg
Thay số ta có:
( )
( )
( )
2
'
1
3
2
'
2
3
2

7.2. tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.
Δ
’
1
: tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh nồi i,
o
C
t
1
: nhiệt độ sôi của dung môi ở buồng đốt nồi i,
o
C
t
ht1
: nhiệt độ hơi thứ nồi i,
o
C
ta có:
Δ
”
i
= t
i
- t
hti
,
o
C
Theo kết quả phần trên ta có:
Δ

o
C
 Δ
’’’
=Δ
’’’
1
+ Δ
’’’
2
+ Δ
’’’
3
= 3
o
C
7.4. tổng tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống:
Δ

=Δ
’
+ Δ
’’
+Δ
’’’
Δ= 8,4398+ 15,8558+ 3= 27,2956
o
C
8. tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi.
Gọi: Δ

= 157,0038- 123,9516- 2,9199- 1,8382= 28,2941 ,
o
C
Δ
thi3
= 122,9516- 60,7- 5,0017- 13,1925= 44,0574 ,
o
C
Δ
th i3
= 27,7529 ,
o
C
 Δ
thi2
= 28,2941 ,
o
C
Δ
thi 1
= 44,0574 ,
o
C
Tổng nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
Δ
thi
= Δ
thi1
+ Δ
thi2

- Δ
thi3
=122,9516- 44,0574= 78,8942
o
C
9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng, tính trọng lượng hơi thứ từng nồi
và lượng hơi đốt cần dùng.
9.1 Thiết lập sơ đồ.
Trong đó:
D : lượng hơi thứ nồi 1, (Kg/h)
W
’
1
: lượng hơi bôc ra từ nồi I (Kg/h)
W : tổng lượng hơi bốc ra khỏi hệ thống (Kg/h)
G : lượng dung dịch đầu (Kg/h)
X
0
: nồng độ dung dịch đầu ( % khối lượng)
X
i
: nồng độ dung dịch ra khỏi nồi I (% khối lượng)
C
0
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ( J/kg.độ)
C
i
: nhiệt dung riêng của dung dịch đi ra từ nồi I ( J/kh.độ)
Cn
i

2
.)
Qm
3
= 0,05.W
2
(I
3
– Cn
3
.)
Khi nồng độ X < 0,2 phần khối lượng thì nhiệt dung riêng của dung dịch được tính
như sau:
C = 4186 (1- X). (j/kg) [ I – 152]
Do vậy:
C
0
= (1- X
0
).4186 = (1 – 0.12).4186 = 3683,68 (J/kg.độ)
C
1
= (1- X
1
).4186 = ( 1 - 0,15973).4186= 3517,37022 ( J/kg.độ)
C
2
= (1- X
2
).4186 = (1 – 0,25124).4186 = 3134,30936 (J/kg.độ)

O
11
.
C
1
, C
2
, C
3
: lần lượt là nhiệt dung nguyên tử Carbon, Hydro và Oxy.
23
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: Th.S NGUYỄN NGỌC HIỂU
M : là khối lượng mol của C
12
H
22
O
11
.
n
1
= 12 C
1
= 7500 (J/kg)
n
2
= 22 C
2
= 9630 (J/kg)
n

C => = 122,9516
0
C
Theo nhiệt độ trên bằng phương pháp nội suy ta có :
Cn
1
= 4446,82 (J/kg.độ)
Cn
2
= 4331,6106 (J/kg.độ)
Cn
3
= 4254,7226 (J/kg.độ)
Theo kết quả tính toán ta có:
I
1
= 2790.10
3
i
1
= 2767,8076.10
3
(J/kg)
I
2
= 2765,8076.10
3
=> i
2
= 2716,5438.10

). C
1
.T
s1
+ 0,05.D (I
1
– Cn
1
.) (1)
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi II:
W
1
.I
2
+ (G – W
1
).C
1
.T
s1
= W
’
2
.i
2
+ (G – W
’
1
– W
’

.T
s2
= W
’
3
.i
3
+ (G – W).C
3
.T
s3
+ W
’
2
.Cn
3.
+ 0,05. (I
3
– Cn
3.
)
(3)
Và:
W
’
1
+ W
’
2
+ W

1
= D.(I
1
– Cn
1
.) = 2,137405468.10
10
(J/h)
Q
2
= W
’
1
(I
2
– Cn
2
) = 1,605062788.10
10
(J/h)
Q
3
= W
’
2
(I
3
– Cn
3
) = 1,802812602.10