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:

của 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.

từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hoá hơi một
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

bơm chân không gây va đập thủy lực, nó được thực hiện bằng cách sử dụng lực dính ướt của
chất lỏng và lực trọng trường. p suất làm việc của thiết bò baromet là áp suất chân không
do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí
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.

s
t
o
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

W
W
m =
,
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

Đồ án môn học
-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:

11
221
2
21
PPP
PPP
PP
PPP
D
ng
t
∆+=
∆+=
=
∆=∆+∆
(8)
-Từ giả thiết áp suất trong các nồi, xác đònh nhiệt độ hơi thứ trong từng nồi.

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)
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
"
(16)

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)
-Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1 là:

1121
11222
1
9,0
)(
tcìr
tcGtcWGWi

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
.độ/W nhiệt trở
g m/s
2
gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s
2
)
H m chiều cao thiết bò
D m đường kính thân thiết bò
F m
2
diện tích bề mặt truyền nhiệt
d m đường kính ống truyền nhiệt
d

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:
Nồi 1:
111111
"9,0 tcGtcGiWDrQ
dddWD
+−==
(23)
Nồi 2:
22211122112
"9,0 tcGtcGiWrWQ
ww
+−==
(24)
-Tính hệ số truyền nhiệt của các nồi:


25,0
1
32
)(
15,1








−
=
vDDo
DDD
D
ttH
gr
µ
λρ
α
(W/m
2
.độ) (26)
r
D
: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hoà tại nhiệt độ t

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
M
c
L
LpL
ρ
ρλ
−
=
(30)
11
Đồ án môn học
Trong đó:
1
_
1
−





2








=
g
L
L
ρ
µ
θ
(34)
Chuẩn số Pr:
L
Lp
c
λ
µ
=Pr
(35)
Chuẩn số Re:
Lt
L
nd
G

=
21
(39)

λ
δ
++=Σ
ntv
rrr
(40)
Bỏ qua mất mát nhiệt, ta có: q
D
= q
L
= q
v
(41)
Các bước tính:
Bước 1: Đầu tiên ta cố đònh tỉ lệ
2
1
P
P
∆
∆
=1,35 ; ta thay đổi tỉ lệ
2
1
W
W

t
,
d
n
, n, δ.
Bước 7: Chọn 2 giá trò nhiệt độ phía hơi đốt Δt
D
rồi suy ra nhiệt độ phía vách ngoài 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
:
vvv
rtt Σ−=
12
(43)
12
Đồ án môn học
Bước 10: Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía dung dòch khi sôi (α
L
và q
L
).
Bước 11: Coi gần đúng cường độ dòng nhiệt phụ thuộc tuyến tính vào Δt
D

∆=∆
2
1
/
/
.*
i
ii
ii
chhi
KQ
KQ
tt
(45)
Bước 15: Kiểm tra điều kiện:
%5%100.
)*,max(
*
≤
∆∆
∆−∆
hi
i
h
hihi
tt
tt
(46)
Nếu thoả thì tiếp tục bước tiếp theo.
Nếu không phải giả thiết lại tỉ lệ chênh lệch áp suất

(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 bò đã chọn ở
trên.
Nếu thoả điều kiện, ta quy tròn diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống truyền nhiệt
theo các trò số đã qui chuẩn hoá.
Bảng 1: Thông số pha hơi
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vò
Giá trò
Nồi 1 Nồi 2 Ghi chú
Chênh lệch áp suất ΔP at 1,886 0,82 Tỉ lệ 2,3:1
Hơi thứ
Suất lượng W kg/h 1190 1190 Tỉ lệ 1:1
p suất P

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
D
kJ/kg 2171
2257.2
2
Tra bảng I.250-
[3]
Bảng 2: Thông số pha lỏng
Đại lượng
Kí
hiệu
Đơn
vò
Giá trò
Nồi 1 Nồi 2 Ghi chú
Suất lượng
Dung dòch vào G
đ
kg/h 3500 2310 (5)
Dung dòch ra G
c
kg/h 2310 1120 (6)
Nồng độ
Dung dòch vào x
đ

C 0.185 0.4
Trung bình

'∆
o
C 0.1325 0.2655
Nhiệt độ sôi
Dung dòch vào t
sđ
o
C 103.24 69.831
Dung dòch ra t
sc
o
C
103.34
5 70.1
(13)

Trung bình
s
t
o
C
103.29
3
69.965
5
14
Đồ án môn học

8 (19), (20)
sai số ΔW %
0.9427
5
0.9427
5
Chênh lệch nhiệt độ
hữu ích Δt
hi
o
C 29,61 31,19 (14), (15)
Bảng 4: Kết quả tính hệ số truyền nhiệt tổng quát và diện tích bề mặt truyền nhiệt
Đại lượng Kí hiệu Đơn vò
Giá trò
nồi 1 nồi 2 Ghi chú
Ống truyền nhiệt
Vật liệu Thép X18H10T
Hệ số dẫn nhiệt λ W/m.độ 16,3
Tra bảng
XII.7-[4]
Chiều cao H
ô
m 5
Đườngkính trong d
t
m 0,031
Đường kính ngoài d
n
m 0,038
Chiều dày

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
I.250-[3] theo
t
D
Khối lượng riêng ρ
D
kg/m
3
933,9 958,8
Hệ số dẫn nhiệt λ
D
W/m.độ 0,684 0,681
Độ nhớt tuyệt đối μ
D
10
-4.
Pa.s 2,16 2,18
Tra bảng
I.249-[3] theo
D
t

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)
Khối lượng riêng ρ
L
kg/m
3
1040,1 1076,9
Tra bảng

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)
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
hữu ích chọn Δt

D
đ
= t (m-1) + 4d
n
(51)
Số ống trên đường chéo: (CT2.86-[1])

)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)

ξ
đưởc tính như sau:
Nếu 0,2 < Re < 500 thì
6,0
Re
5,18
=
ξ
(56)
17
Đồ án môn học
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:

2
4
b
b
b
D

U
tt(1 at)
= 1700 m
3
/m
3
.h (62)
Bảng 5: kích thước thiết bò chính
Đại lượng
Kí
hiệu Đơn vò
Giá trò
nồi 1 nồi 2 Ghi chú
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

.
Pa.s 125 109 Bảng I.121-[3]
Vận tốc v
w
m/s 0,454 1,552 (54)
Chuẩn số Re Re 7,01 8,04 (58)
Hệ số trở lực
ξ
5,752 5,297 (56), (57)
Dung dòch
18
Đồ án môn học
Nồng độ cuối x
c
0,1212 0,25
Nhiệt độ sôi t
sc

o
C
103,34
5 70,1 Bảng 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)


v
G
d
πρ
3600
4
=
(63)
Làm tròn đường kính ống đến đường kính chuẩn. Dựa vào đường kính vừa chọn, tra bảng
XIII.32 –[4] ta chọn kích thườc chiều dài đoạn ống nối.
Bảng 6 : Kích thước cửa ra vào của thiết bò
Đại
lượng
Nhập
liệu
Hơi
đốt
Nước
ngưng
Khí
không
ngưng
Tháo
liệu
Hơi
thứ
Ống nối
buồng đốt
và bốc