Đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000Kg/h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BÁO CÁO ĐỒ ÁN
Đề tài:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 8000Kg/h
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN
	SVTH: NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC
	 MSSV: 2005140345
	 MAI THANH PHÚC 
 	 MSSV: 2005140414
	LỚP: 05DHTP1
TP.HCM, tháng 12 năm 2017
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Hóa học của trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án.
Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Quyền, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất. Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ án sau này ạ.
Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình. Kính chúc Thầy Nguyễn Hữu Quyền luôn có sức khỏe tốt, đạt được nhiều thành công trong công việc và cuộc sống. 
Em xin chân thành cảm ơn!
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc	 MSSV:2005140345 	Lớp:05DHTP1 
Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc	 MSSV: 2005140414	Lớp: 05DHTP1
Nhận xét:
Điểm bằng số:	Điểm bằng chữ:
	TP. Hồ Chí Minh, ngày	 tháng	 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn
(ký và ghi họ tên)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc	 MSSV: 2005140345	Lớp: 05DHTP1
Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc	 MSSV: 2005140414	Lớp: 05DHTP1
Nhận xét:
Điểm bằng số:	Điểm bằng chữ:
	TP. Hồ Chí Minh, ngày	 tháng	 năm 2017
	Giáo viên phản biện
(ký và ghi họ tên)
LỜI MỞ ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng.
Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000 kg/h”. Với:
+ Năng suất nhập liệu 8000kg/h
+ Nồng độ nhập liệu: 18 % khối lượng
+ Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng
+ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at
+ Nguồn nhiệt là hơi bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1.5 ati
Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm. 
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (tự chọn).
 Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy Cô và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn. 
Chúng em chân thành cảm ơn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
Giới thiệu chung
Đôi nét về ngành công nghệ mía đường ở nước ta và vị trí của cô đặc trong công nghệ mía đường.
Như đã biết, ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời và ngày càng phát triển ở nước ta. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. 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 quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, sản xuất gỗ ép.... 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. 
Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các nhà máy đường với quy mô lớn nhỏ mọc lên ở nhiều địa phương như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, . Tuy nhiên nó 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. Ngoài ra, vấn đề cung cấp mía nguyên liệu, 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. Bên cạnh đó, cây mía lại có đặc tính là độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời...
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao và 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
Nguyên liệu và sản phẩm
Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
Dung môi: nước. 
Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc. 
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít. Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng.
Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: 
Dung môi: nước. 
Các chất hoà tan: có nồng độ cao.
Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm
 Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. 
a)Biến đổi tính chất vật lý:
 Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: 
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt. 
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. 
b)Biến đổi tính chất hoá học: 
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid.
 Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ 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 cao. 
Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm
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.
Cô đặc và quá trình cô đặc
Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các quá trình vật lý – hóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
Bản chất của sự cô đặc
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
Ứng dụng của cô đặc 
Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây...
Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ.... Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. 
Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
Các phương pháp cô đặc 
Phương pháp nhiệt: 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 tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.
Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc:
Hiện nay phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. 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.
Các thiết bị cô đặc
Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt)
Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao 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. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:
+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm 
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
Mục đích:
Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy.
Ưu điểm:
Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị.
Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.
Nhược điểm:
Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.
Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:
+ Ống nhập liệu, ống tháo liệu.
+ Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
+ Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp.
+ Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.
Thiết bị phụ:
+ Bể chứa nguyên liệu
+ Bể chứa sản phẩm
+ Bồn cao vị
+Lưu lượng kế
+ Thiết bị gia nhiệt
+ Thiết bị ngưng tụ baromet.
+ Bơm nguyên liệu và bồn cao vị.
+ Bơm tháo liệu.
+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.
+ Bơm chân không.
+ Các van.
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất...
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 sửa 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 là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC
Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục
Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi. 
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
Nguyên lý hoạt động của nồi cô đặc
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển dộng trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ ...  bị
A
1300
Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến nắp thiết bị
P
1200
Bề rộng của tấm ngăn
B
500
Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi
K1
950
K2
835
Chiều cao của hệ thống thiết bị
H
5080
Chiều rộng của hệ thống thiết bị
T
2350
Đường kính của thiết bị thu hồi
D1
500
Chiều cao của thiết bị thu hồi
h1 (h)
1700
Đường kính của thiết bị thu hồi
D2
400
Chiều cao của thiết bị thu hồi
h2
1350
Khoảng cách giữa các ngăn
a1
200
a2
260
a3
320
a4
380
a5
440
Đường kính cửa ra và vào
Hơi vào
d1
350
Nước vào
d2
200
Hổn hợp khí và hơi ra
d3
125
Nối với ống Baromet
d4
200
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi
d5
125
Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi
d6
80
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet
d7
70
Ống thông khí
d8
25
Đường kính trong ống Baromet (d)
Chọn đường kính trong của ống baromet là d = 200 mm = 0,2m
Tốc độ của nước lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet thường lấy là ω =0,5:0,6
Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86:
d=0,04.(Gn+W)π.ω
Trong đó:
W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W= 1,222 kg/s
Gn: lượng nước vào thiết bị ngưng tụ. Gn = 23,84 kg/s
ω: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s, thường lấy ω=0,6 m/s
d=0,04.23,84+1,222π.0,6=0,231m
Chọn d = 0,25m
Chiều cao ống baromet
Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86, ta có:
H = h1 + h2 + 0,5 m	(1)
Trong đó:
h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số trong áp suất khí quyển và trong thiết bị ngưng tụ.
h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống.
Tính h1:
Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87:
h1=10,33.b760=10,33.1-0,74.760760=2,6858 m
Trong đó:
b: áp suất chân không trong thiết bị, mmHg. (b=0,26at).
Tính h2:
Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87:
h2=ω22g.(1+l.Hdbr+ξ) , m
Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống ξ1=0,5 và khi ra khỏi ống ξ2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng:
h2=ω22g.(2,5+l.Hdbr), m
Trong đó:
dbr: đường kính ống baromet, dbr=200mm
l : hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, (W/m.độ)
H: chiều cao tổng cộng trong ống baromet, m
g= 9,81 m/s2
ω: tốc độ nước chảy trong ống
Chuẩn số Re:
Theo CT II.58 Sổ tay tập 1, trang 377:
Re=ω.dbr.ρμ= 0,6.0,2.988,280,554.10-3=214067,87>104
Dòng nước trong ống baromet ở chế độ chảy xoáy
Trong đó:
r: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C.
Þ rn = 991,54 kg/m3
µ: độ nhớt động lực nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám e = 0,2mm.
Regh được tính theo công thức II.60 trang 378, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1
Regh=6.(de)87=6.(0,250,0002)87=20771,94
Ren được tính theo công thức II.62 trang 379, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1
Ren=220. (de)98=220. (0,250,2. 10-3)98=670573,59
Þ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
Hệ số ma sát λ theo công thức II.64 trang 380 [1]
λ=0,1. (1,46. ed+100Re)0,25=0,1. (1,46. 0,2. 10-30,25+100214067,87)0,25=0,0201(Wm.độ)
Þ h2=0,622. 9,81. 2,5+0,0201. H0,2=0,0459+1,84.10-3. H
Mà ta có chiều cao ống baromet
H = h1 + h2 + 0,5
H = 2,6858+ 0,622. 9,81. 2,5+0,0201. H0,2+0,5=3,2317+1,84.10-3. H
Giải phương trình ta được : H = 3,24m
Chiều cao của thiết bị :
H thiết bị = H TB ngưng tụ + H ống baromet = 5,65 + 3,24 = 8,89m
Chọn H = 9m
Bồn cao vị
Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhập liệu. bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm thắng được các trở lực của đường ống và cao hơn so với mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc.
Áp dụng phương trình Bernoulli với hai mặt cắt là1-1 (mặt thoáng của bồn cao vị), 2-2 ( mặt thoáng của nồi cô đặc).
Z1 +p1Υ + α1v122g = Z2 +p2Υ + α2v222g + h1-2
Trong đó:
v1 = v2= 0 m/s
p1 = 1 at
p2 = p0 = 0,266at
ρ = 1179,04 : khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC
μ = 2,53.10-3 N.s/m2 độ nhớt động lực học của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC
z2: khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc đến mặt đất;m
z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 1,319 + 1,5 + 0,05 + 0,653 = 4,522m
Với : 
Z’= 1m : khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất.
Hđ = 1,269+0,05 = 1,319m: chiều cao của đáy nón.
Hbđ = 1,5m: chiều cao của buồng đốt
Hgc = 0,05m: chiều cao của gờ nón cụt
Hc = 0,653m: chiều cao của phần hình nón cụt
Đường kính ống nhập liệu d = 50mm = 0,05m
Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buống bốc là 20m
Tốc độ của dung dịch ở trong ống:
V = Gđπd24ρ = 480003600π.0,052.1179,04 = 0,96 m/s
Chuẩn số Reynolds:
Re = v.d.ρμ = 0,96.0,05.1179,042,53.10-3 = 22369,1 > 4000( chế độ chảy rối)
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít( bảng II.15, trang 381,[1]). Ta có độ nhám tuyêt đối là ε = 0,2mm
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378 [1]:
Regh = 6.(dε)8/7 = 6.( 0,050,0002)8/7 = 3301,065
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]
Ren = 220.(dε)9/8 = 220.( 0,050,0002)9/8 = 109674,38
→ Regh< Re< Ren ( khu vực quá độ)
Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380 [1]
λ = 0,1(1,46εd+100Re)0,25 = 0,1(1,460,00020,05+10022369,1 )0,25 = 0,0319
Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực cục bộ
Ký hiệu
Hệ số trở lực cục bộ
Số lượng
Đầu vào
ξ vào
0,5
1
Đầu ra
ξ ra
1
1
Khuỷu 900
ξ khuỷu 90
1
6
Van cửa
ξ van
1,5
2
∑ξ=0,5+1+6.1+2.1,5= 10,5
Þ Tổng tổn thất trên đường ống
h1-2= v22gλld+ ∑ξ= 0,9622.9,810,0319.200,05+10,5=1,093 m
Khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất:
z1= z2+p2-p1ρ+h1-2=4,522+0,266-11179,04+1,093=5,61 m
Þ Dung dịch đường mía 40% luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi có độ cao từ 5,61 m trở lên 
Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 8,5m .
Bơm
Bơm chân không
Bơm là máy thủy lực dùng để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng. Các đại lượng đặc trưng của bơm là năng suất, áp suất, hiệu suất, công suất tiêu hao và hệ số quay nhanh.
Công suất của bơm chân không là:
N=1nCK.mm-1.pkk.Vkk.p2p1m-1m-1
Trong đó:
nCK: hệ số hiệu chỉnh. nCK=0,8
m : chỉ số đa biến, m=1,62
p1: áp suất khí lúc hút
p2: áp suất khí quyển bằng áp suất khí lúc đẩy, chọn p2 = 1at = 9,81.104N/m2
pkk: áp suất không khí trong thiếtbiị ngưng tụ
ph: áp suất của hơi nước trong hỗn hợp ở tkk
pkk=p1=pc-ph=0,26-0,0702=0,1898at=19231,49 N/m2
Suy ra công suất của bơm chân không là :
N=10,8..1,621,62-1.19231,49.0,06239,81.10419231,491,62-11,62-1= 3387,5W=3,3875KW
Dùng bơm chân không không cần dầu bôi trơn, có thể hút không khí, hơi nước. Chọn bơm chân không vòng nước hai cấp HWVP. Có các thông số khác như sau:
Kiểu HWVP – 2.
Độ chân không: 30 ~ 150 Torr.
Lưu lượng từ 450 ~ 28000 lít / phút. 
Công suất động cơ 1,5 ~ 75 kW.
Truyền động bằng khớp nối cứng, dây đai hoặc hộp số tùy theo tốc độ quay tiêu chuẩn của đầu bơm.
Hoạt động êm ái, tuổi thọ vòng bi cao, ít phải bảo dưỡng.
Lượng nước làm kín thấp.
Vật liệu cánh, trục bơm được làm từ thép không gỉ 304 hoặc 316 giảm đáng kể sự ăn mòn các chất acid lẫn không môi trường khí và nước.
 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ
– Công suất bơm:
; kW
Trong đó:
+ H – cột áp của bơm; m
+ η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75
+ ρ = 995 kg/m3 – khối lượng riêng của nước ở 30 oC
+ Q – lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s
m3/s
– Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể nước) và 2 – 2 (mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ):
Trong đó:
+ v1 = v2 = 0 m/s
+ p1 = 1 atm
+ p2 = 0,6 atm
+ μ = 0,000801 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nước ở 30 oC (bảng I.107, trang 100, [1])
+ z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất
+ z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất
Chọn dhút = dđẩy = 200 mm = 0,2 m ⇒ v1 = v2 = v
Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là 13 m.
Tốc độ của dung dịch ở trong ống:
m/s
Chuẩn số Reynolds:
≥ 4000 (chế độ chảy rối)
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
– Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực
Ký hiệu
Hệ số trở lực cục bộ
Số lượng
 Đầu vào
ξvào
0,5
1
 Đầu ra
ξra
1
1
 Khuỷu 900
ξkhuỷu 90
1
3
 Van cửa
ξvan
1,5
1
 ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3.1 + 1,5 = 6
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:
 m
⇒ Cột áp của bơm:
m
⇒kW
Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán:
kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1])
– Chọn N = 4 hp
– Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K.
Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị
– Công suất bơm:
; kW
Trong đó:
+ H – cột áp của bơm; m
+ η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75
+ ρ = 1074,4 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 18 % ở 30 oC (bảng I.86, trang 59, [1])
+ Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 18 % được bơm vào bồn cao vị; m3/s
m3/s
– Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 – 2 (mặt thoáng của bồn cao vị):
Trong đó:
+ v1 = v2 = 0 m/s
+ p1 = 1 atm
+ p2 = 1 atm
+ μ = 0,00207 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 18 % (bảng I.112, trang 114, [1])
+ z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất
+ z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất
Chọn dhút = dđẩy = 40 mm = 0,04 m ⇒ vhút = vđẩy = v
Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị là 7 m.
Tốc độ của dung dịch ở trong ống:
m/s
Chuẩn số Reynolds:
≥ 4000 (chế độ chảy rối)
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
– Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực
Ký hiệu
Hệ số trở lực cục bộ
Số lượng
 Đầu vào
ξvào
0,5
1
 Đầu ra
ξra
1
1
 Khuỷu 900
ξkhuỷu 90
1
3
 Van cửa
ξvan
1,5
2
⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3 + 2.1,5 = 7,5
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:	
 m
⇒ Cột áp của bơm:
m
⇒kW
kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1]).
– Chọn N = 0,25 hp
– Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K.
 Bơm tháo liệu
– Công suất bơm:
; kW
Trong đó:
+ H – cột áp của bơm; m
+ η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75
+ ρ = 1178,53 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.86, trang 60, [1])
+ Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 40 % được tháo ra khỏi nồi cô đặc; m3/s
m3/s
– Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón) và 2 – 2 (mặt thoáng của bể chứa sản phẩm):
Trong đó:
+ v1 = vhút = v; m/s
+ v2 = 0 m/s
atm
+ p2 = 1 atm
+ μ = 0,004382 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.112, trang 114, [1])
+ z1 = 1 m – khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất
+ z2 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất
Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ vhút = vđẩy = v
Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến ống tháo liệu là 5 m.
Tốc độ của dung dịch ở trong ống:
m/s
Chuẩn số Reynolds:
≥ 4000 (chế độ chảy rối)
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm.
Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]:
Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]:
⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ)
⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:
– Các hệ số trở lực cục bộ:
Yếu tố gây trở lực
Ký hiệu
Hệ số trở lực cục bộ
Số lượng
 Đầu vào
ξvào
0,5
1
 Đầu ra
ξra
1
1
 Khuỷu 900
ξkhuỷu 90
1
4
 Van cửa
ξvan
1,5
1
 ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 4+ 1.1,5 = 7
⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:
 m
⇒ Cột áp của bơm:
m
⇒kW
kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1])
– Chọn N = 0,25 hp
– Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K.
TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH
Thành phần
Vật liệu
Số lượng
Đơn vị
Đơn giá
(đồng/đv)
Thành tiền
(đồng)
Thiết bị chính
OX18H10T
4947,45
kg
120 000
597 294 000
Thiết bị chính
CT3
1445,7
kg
70 000
101 199 000
Bơm chân không
5
hp
17 000 000
Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ
4
hp
3 500 000
Bơm nhập liệu
0,25
hp
39 000
Bơm tháo liệu
0,25
hp
12 000
Thiết bị gia nhiệt
1
cái
3 0000 000
Thiết bị ngưng tụ
1
cái
3 0000 000
Thiết bị tách lỏng
1
cái
3 0000 000
Cửa sửa chữa
1
cái
1000 000
Kính quan sát
Thủy tinh
0,098
m3
250 000
24 500
Vật liệu cách nhiệt
Amiante carton
0,337
m3
3 000 000
1 011 000
Van
16
cái
30 000
480 000
Lưu lượng kế
1
cái
1 000 000
Áp kế
3
cái
150 000
450 000
Nhiệt kế
2
cái
50 000
100 000
Tai treo
CT3
7,35
kg
50 000
367 500
Các ống dẫn
Truyền nhiệt d25
OX18H10T
817
ống
15 000
12 255 000
Tuần hoàn trung tâm d400
OX18H10T
1,5
m
100 000
150 000
Nhập liệu d50
OX18H10T
20
m
15 000
300 000
Tháo liệu d32
OX18H10T
10
m
15 000
150 000
Hơi đốt d200
CT3
15
m
30 000
450 000
Hơi thứ d800
CT3
20
m
50 000
1 000 000
Nước ngưng d70
CT3
10
m
15 000
150 000
Khí không ngưng d70
CT3
10
m
15 000
150 000
Bu lông
CT3
68
cái
2 000
136 000
Tổng
828 218 000
KẾT LUẬN
Tính toán, thiết kế cho một thiết bị hoạt động và vận hành theo đúng công suất và hiệu suất cho một mẻ đường sản xuất ra là một việc quan trọng.
Với những kiến thức và hiểu biết ít ỏi chúng em chỉ có thể trình bày sơ lược về nguyên liệu cũng như sản phẩm theo yêu cầu, về nồi cô đặc, cách tính toán và thiết kế cho nồi cô đặc và những vấn đề liên quan khác nữa.
Thông qua đồ án, cũng đã tích góp cho mình nhiều kiến thức về thiết bị, về nhà máy, cách tính toán thiết kế trong nhà máy. Nếu có điều gì sai sót, chúng em rất mong được sự thông cảm và góp ý từ Thầy.
Xin chân thành cám ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[2]. Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất, tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[3]. Phạm Văn Bôn, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, tập 10, Ví dụ và bài tập, NXB ĐHQG TP.HCM, 2010.
[4]. Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[5]. Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, tập 5, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, NXB ĐHQG TP.HCM, 2006.
[6]. Hồ Lê Viên, Tính toán, Thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[7]. Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ Giáo dục và Đào tạo, Viện Đào tạo mở rộng.
[8]. Bộ môn máy và thiết bị, Bảng tra cứu Quá trình cơ học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TP.HCM, 2009.