TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TÊN ĐỒ ÁN:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI GIÁN
ĐOẠN DUNG DỊCH ĐƯỜNG TỪ 10% LÊN 42%, NĂNG SUẤT
1,5m
3
/MẺ SỬ SỤNG ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Văn Toàn
Chủ nhiệm bộ môn : PGS. TS. Nguyễn Văn Thông
Nhóm sinh viên : Phạm Trung Nghĩa
: Nguyễn Hoàng Khôi Nguyên
Lớp : DH09H2
Khóa : 2009 – 2013
Vũng Tàu Tháng 4 Năm 2012
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
(Quá trình và thiết bị trong hóa học và công nghệ thực phẩm)
Họ và Tên Sinh Viên:
1) Phạm Trung Nghĩa Giới tính: Nam
2) Nguyễn Hoàng Khôi Nguyên Giới tính: Nữ
Chuyên ngành: Hóa dầu
Khóa: 2009 – 2013
1) TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế hệ thống cô đặc chân không một nồi gián đoạn dung dịch đường
từ nồng độ 10% lên 42%, sử dụng ống tuần hoàn trung tâm năng suất 1,5
tấn/mẻ, áp suất trân không là 0,2at.

2.3.1 Buồng đốt 27
2.3.2 Buồng đốt 28
2.3.3 Đáy 30
2.3.4 Nắp êlip 30
2.3.5 Tính cách nhiệt cho thân 31
2.3.6 Mối ghép bích 32
2.3.7 Vỉ ống 34
2.3.8 Khối lượng và tai treo 36
2.3.9 Các đường ống dẫn, cửa 38
CHƯƠNG 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ 40
SVTH :Nhóm 15 trang 3
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
3.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM 40
SVTH :Nhóm 15 trang 4
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
3.1.1 Lưu lượng nước lạnh cần thiết 40
3.1.2 Bề mặt truyền nhiệt 41
3.1.3 Đường kính trong thiết bị ngưng tụ 42
3.1.4 Đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị 42
3.1.5 Bề dày thiết bị 43
3.2 BƠM 43
3.2.1 Bơm chân không 44
3.2.2 Bơm nhập liệu 45
3.2.3 Bơm sản phẩm 47
3.2.4 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 48
BẢNG TỔNG KẾT 51
KẾT LUẬN 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Phẩm Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu.
Có thể nói thực hiện đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại
toàn bộ kiến thức đã học về các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học.
Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua
việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các thiết bị với các số liệu cụ thể.
Tuy nhiên vì kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực hiện
đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn
của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn.
SVTH :Nhóm 15 trang 6
SÔ ÑOÀ QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ
4
3
5
7
6
8
9
1
12
17
2
16
13
TRU? NG Ð? I H? C BÀ R?A - VUNG TÀU
KHOA HÓA H? C VÀ CÔNG NGH? TH? C PH? M
Ð?c tính k? thu?t
SO Ð? QUY TRÌNH
CÔNG NGH?
SVTH
GVHD

1
B?n ch?a nguyên li?u
Bom nh?p li?u
C?a nh?p li?u
C?a d?n hoi d?t
Bu?ng d?t
Bu?ng b?c
C? a d?n hoi th?
Thi?t b? cô d?c
Thi?t b? tách b?t
13
12
11
2
1
Thi?t b? ngung t? ki?u ?ng chùm
Thi?t b? làm l?nh b?ng không khí
Thi?t b? do áp su?t
NGUY?N VAN TOÀN
1
Bom hút chân không
PH? M TRUNG NGHIA
NGUY? N H KHÔI NGUYÊN
NGUY? N VAN THÔNG
14
15
16
17
B? ch? a s?n ph?m
B? ch?a nu? c ngung

- Khởi động bơm chân không đến áp suất P
ck
= 0,2 at.
- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu
(1) vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồng đốt
(5) trong thiết bị cô đặc (8), sau khi nhập đủ 1,5 tấn thì ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 1,5 tấn thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa
ở áp suất 3 at), tại đây dung dịch đường được đun nóng tới nhiệt độ sôi, dung
dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng – hơi (phần hơi sẽ đi lên buồng bốc (7)). Buồng đốt
gồm một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn và nhiều ống nhỏ truyền
nhiệt. Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống.
Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn
có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần
hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch
trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền
nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền
nhiệt). Một phần dung dịch bị hơi thứ cuốn theo sẽ gặp thiết bị tách bọt (9) và
rơi xuống sau đó trở lại buồng bốc. Hơi thứ và khí không ngưng sẽ được dẫn
qua thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm (10) ( thiết bị ngưng tụ này gồm nhiều
ống truyền nhiệt nhỏ và được ngưng tụ bằng nước lạnh đi bên ngoài ống ), sau
khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa (16), còn phần khí không
ngưng sẽ được bơm hút chân không hút ra ngoài ống. Hơi đốt khi ngưng tụ
chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng rồi được xả ra ngoài thùng chứa nước
ngưng (11)
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 42% thì ngưng cấp hơi đốt,
sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa
(14).
1.1 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
SVTH :Nhóm 15 trang 8
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

- Nồng độ cuối 42%.
• Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
• Áp suất ngưng tụ: P
ck
= 0,2 at.
Cô đặc gián đoạn với năng suất 1,5 tấn/mẻ
1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, % 10 18 26 34 42
Khối lượng riêng,
kg/m
3
1039,98 1074,04 1110,14 1148,37 1188,87
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
= G
đ
.

0,1
1559,97 866,65
0,18
d
c
x
x
= × =
kg
• Lượng hơi thứ
W = G
đ
- G
c
= 1559,97 – 886,65 = 673,32 kg
b) Giai đoạn 18% đến 26%
G
đ
= 866,65 kg ; x
đ
= 0.18 ; x
c
= 0.26
⇒
G

⇒
G
c
= G
đ

0.26
599,98 458,81
0.34
d
c
x
x
× = × =
kg
W = 599,98 – 458,81 = 141,17 kg
c) Giai đoạn 34% đến 42%
G
đ
= 458,81 kg ; x
đ
= 0.34 ; x
c
= 0.42
⇒
G
c
= G
đ


o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [1] ).
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ
'''
∆ =
0,5
o
C
⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t
1
= 59,7 + 0,5 = 60,2
o
C.
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch
sdm
t
= 60,2
o
C.
⇒
Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P
1
≈
0.2031 at (Bảng
I.250 trang 312 Tài liệu [1]).
1. Tổn thất nhiệt độ:
SVTH :Nhóm 15 trang 11
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch
Đường theo nồng độ ở áp suất P
1
= 0,2 at
Theo phương pháp Babo ( Công thức 5.9 trang 150 Tài liệu [3] )
2
2
1
2
t
OH
dd
t
OH
dd
P
P
P
P








=



2
( )
0.2031 1
1.007
H O t
P
=
2
( )
0.21
H O t
P
⇒ =
at
Vậy nhiệt độ sôi của nước ở 0,21 at là t = 61,45
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [2] )
⇒
Nhiệt độ sôi của dung dịch đường ở P
1
= 0.2031 at là 61,45
o
C
Tổn thất nhiệt độ sôi
'
61,45 60,2 1,25
∆ = − =
o
C

tb
= P
1
+ (Δ
h
+ h/2).
ρ
dds
. g (N/m
2
)
Hay P
tb
= P
1
+ (Δ
h
+ h/2).
ρ
dds
. g .
4
10.81,9
1
(at)
Trong đó:
t
tb
: nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P
tb

Ta có: P
tb
= 0,2031 + (0,5 + 0,25)
×
519,99
×
9,81
×
4
1
9,81 10
×
= 0,247 at
Nhiệt độ sôi của H
2
O ở 0,247 at là 63,8
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [1] )
Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh
=∆ ''
t
tb
– t
1
= 63,8 – 60,2 = 3,6
o
C
SVTH :Nhóm 15 trang 13
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

nhiệt vào =
∑
nhiệt ra
+ Nhiệt lượng vào gồm có:
Do dung dịch đầu: G
đ
,c
đ
,t
đ
Do hơi đốt:
''
.(1 ).
D
D i
φ
−
Độ ẩm của hơi:
. . .D c
φ θ
+ Nhiệt lượng ra gồm có:
Hơi thứ mang ra:
''
.
w
W i
Nước ngưng tụ:
. .D c
θ
Sản phẩm mang ra:

C
o
θ
, J/kg độ
SVTH :Nhóm 15 trang 14
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
c
đ
, c
c
: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai
đoạn, J/kg độ
t
đ
, t
c
: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn,
o
C

''
D
i
: entanpi của hơi đốt, J/kg

''
w
i
: entanpi của hơi thứ, J/kg

c
dd
= 4186 (1- x)
 Nếu như x >20% thì C được tính theo công thức
c
dd
= c
ht
. x + 4186 (1-x)
Trong đó:
x: nồng độ dung dịch
c
ht
: nhiệt dung riêng KOH khan, J/kg độ
c
ht
tính theo công thức:
c
ht
=
12 7500 22 9630 11 16800
1422,98
342
× + × + ×
=
J/kg độ
Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch. % 10 18 26 34 42
Nhiệt dung riêng dung dịch,
J/kg độ

= 0.05
×
Q
D
*
Xem nhiệt cô đặc Q
cđ
là không đáng kể
SVTH :Nhóm 15 trang 15
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
a Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 20
o
C đến 65,05
o
C
G
đ
= G
c
= 1559,97 kg
c
đ
= c
c
= 3767,4 J/kg độ
t
đ
= 20
o

1
=
8
3
2,478 10
120,15
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
b Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 18%
G
đ
= 1559,97 kg ; c
đ
=3767,4 J/kg độ ; t
đ
=65,05
o
C
G
c
= 866,65 kg ; c
c
= 3432,52/kg độ ; t
c
= 65,35
o
C

8
8
2
20,1310
17,2 10
0.95 0.95
Q
= = ×
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
=
8
3
17,2 10
833,96
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
c Giai đoạn đưa dung dịch từ 18% đến 26%
G
đ
= 866,65 kg ; c
đ
= 3432,52 J/kg độ ; t
đ
= 65,35

10
3
⇒ Q
3
= 6,4
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D3
=
8
6,44 10
0,95
×
=
6,74
×
10
8
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
3
=
8
3
6,74 10

×
3244,59
×
65,7 – 599,98
×
3367,61+141,17
×
2632,2
×
10
3
⇒
Q
4
= 4,67
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D4
=
8
8
4,67 10
4,92 10
0.95
×
= ×

= 65,79
o
C
W = 87,39 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
5
= 371,42
×
3025,53
×
65,79 - 458,81
×
3244,59
×
65,7 + 87,39
×
2632,2
×
10
3
⇒
Q
5
= 2,06
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )

= Q
D1
+ Q
D2
+ Q
D3
+ Q
D4
+ Q
D5
= 2,478
×
10
8
+ 17,2
×
10
8
+ 6,78
×
10
8
+ 4,92
×
10
8
+ 2,17
×
10
8

J
×
10
8
2,48 19,68 26,46 31,38 33,55
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 120,15 954,11 1282,85 1521,4 1626,6
2.2 TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
2.2.1 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

vD1
ttt
−=∆

ddv2
ttt
2
−=∆
21
vvv
ttt −=∆
( )
1
vDm
tt
2
1
t
+=
: nhiệt độ màng nước ngưng,
o
C
1.1.1 Phía hơi đốt tới thành thiết bị
 q
1
= α
1
.Δt
1
(1)

,
o
C 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
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 Từ thành thiết bị tới dung dịch
 q
2
=
22
















=
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
αα
(4)
Trong đó
•
nnnn
,c,,
µρλ
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m

1
= 0.2031 at = 19924,11 N/m
2
* Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] )
t
sdm
= 60,2
o
C

=
n
ρ
983,2 kg/m
3
c
n
= 4183 J/kg độ
n
µ
= 0.47
×
10
-3
Ns/m
2
n
λ
= 65.9
×

1
1
342 18
x x
−
+
Với: x : nồng độ dung dịch
a. c
dd
và
dd
ρ
xác định theo nồng độ
Nồng độ dung dịch,
%
10 18 26 34 42
t
sdd
,
o
C 65,05 65,35 65,63 65,7 65,79
dd
ρ
, kg/m
3
1039,98 1074,04 1110,14 1148,37 1188,87
c
dd
, J/kg độ 3767,4 3432,52 3367,61 3244,53 3025,53
dd

1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
(6)
⇒
v
t
∆
=
∑
vv
r.q
Trong đó:
∑
++=
2v
v
1
v
r
1
rr
1

−
×
⇒ = + +
∑
=6.143
×
10
-4
, (W/mK)
-1
1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K
∑
++
=
2
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

α
theo công thức (5) với q = q
1
6- Tính
2
α
theo công thức (4)
7- Tính q
2
theo công thức (3)
8- Tính q
tb
=
( )
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

r
A
t H
α
×
⇒ = × × = × × =
∆ × ×
W/m
2
K
•
2
1 1 1
. 7898, 22 8,5 67134,87 /q t W m
α
= ∆ = × =
•
4
1
. 67134,87 6.143 10 41, 24
o
v v
t q r C
−
∆ = = × × =
∑
2
124,4 41,24 83,16
o
v

−
−
 
×
 
 
= × × ×
 
 ÷
 ÷
×
 
 
 
 
2
2
3795,07 /W m K
α
=

2 2 2
. 3795,07 18,11 68728,72q t
α
= ∆ = × =
W/m
2

( ) ( )
2

2
4
1
995,61 /
1 1
6.143 10
7898,22 3795,07
W m K
−
=
+ × +
2. Tính ở nồng độ 18%
Ta có
1
125,6
o
v
t C
=
K =
2
4
1
894,87 /
1 1
6.143 10
8212,27 2621,85
W m K
−
=

2
4
1
803,76 /
1 1
6.143 10
8527,07 1950,91
W m K
−
=
+ × +
5. Tính ở nồng độ 42%
Ta có:
1
127,2
o
v
t C
=
K =
2
4
1
748,85 /
1 1
6.143 10
8747,24 1648,12
W m K
−
=

K
7898,22 8212,27 8394,21 8527,07 8747,24
2
α
, W/m
2
K
3795,07 2621,85 2196,95 1950,91 1648,12
K, W/m
2
K 995,61 894,87 841,38 803,76 748,85
ss, % 1,2 1,2 0.8 0.7 0.9
2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ
20
o
C đến 65,05
o
C
2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu
1
α
,
2
α
, q
1
,

q

2.04
r
A
t H
α
= × ×
∆ ×
A xác định theo t
m
r = 2171
×
10
3
J/kg
H = 1.5 m
2.1.2 Phía vách
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
4 2 1
6,143.10 ( / )
v
r W m K
− −

µ
=
2
dd
2dd
3
dd
g.t l
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
Pr.Gr18.1Nu =
-


+=
2
v
dd
_
m
tt
2
1
t
Với:
_
1
(65,05 20) 42,53
2
o
dd
t C
= + =
3
1039,98 /
dd
kg m
ρ
=
c
dd
= 3767,4 J/kg độ
3

2
K
* Trình tự tính lặp
SVTH :Nhóm 15 trang 24
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
(1).
Chọn
1v
tt
1
∆⇒
(2).
Tính
1
α
(3).
Tính q
1
(4).
Tính
2v1
ttt
2
∆⇒⇒∆
(5).
Tính Nu
2
2
α

t
m
=
( )
C1.1273.1219.132
2
1
o
=+
13.190A =⇒
(2).
3
2
4
1
2171.10
2.04 190.13 7289.68 /
11,6 1,5
W m K
α
= × =
×
(3).
2
1 1 1
7289,68 11,6 84560,29 /q t W m
α
= ∆ = × =
(4).
4

×
×
= = =
( )
'
1
42,53 69,35 55,94
2
o
m
t C
= + =
( )
3 2
14
2
3
1,5 1239 0,508 15,11 9,81
2,273.10
1,31.10
Gr
−
× × × ×
⇒ = =
ta thấy Gr.Pr > 2.10
7
0.33
0,135 (Pr ) 14454,99Nu Gr⇒ = × × =
SVTH :Nhóm 15 trang 25