Báo cáo Thực hành truyền nhiệt: Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm

TRUNG TÂM MÁY THIẾT BỊ (((((( MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Tiểu luận : THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM GVHD: Vũ Thị Hoan NHÓM : 8 LỚP HP: 210409803 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 10 năm 2010 DANH SÁCH NHÓM 8 STT  HỌ & TÊN  MSSV   1  Ngô Thị Thùy Trang (NT)  08100921   2  Kiều Quốc Tài  08094281   3  Lê Thị Hải Vân  08110291   4  Nguyễn Thị Kim Sen  08105041   5  Nguyễn Thị Việt  08094991   6  Trương Quốc Huy  08110281   MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1.1. Định nghĩa quá trình cô đặc: 2 1.2.Các phương pháp cô đặc. 2 1.2.1 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn: 3 1.2.2.Cô đặc một nồi liên tục. 3 1.3.Tính toán thiết bị cô đặc một nồi 4 1.3.1 Cân bằng vật liệu 4 1.3.2.Cân bằng nhiệt lượng 5 1.3.3.Bề mặt truyền nhiệt 6 1.4.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 6 1.4.1.Cấu tạo: 6 1.4.2.Nguyên lý làm việc: 6 PHẦN 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM 8 2.1. Nguyên lý hoạt động. 8 2.3. Tính toán các thông số cho hệ thống: 10 2.3.1. Cân bằng vật chất. 10 2.3.2. Cân bằn nhiệt lượng 11 2.3.3. Hệ số cấp nhiệt. 13 2.3.4.Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp và bề mặt truyền nhiệt. 15 2.4. Một số chi tiết chính của hệ ống. 15 2.4.1 Buồng đốt của nồi cô đặc. 15 2.4.2. Buồng bốc hơi. 17 2.4.3. Thiết bị ngưng tụ của nồi. 19 2.4.4 Bề dày lớp cách nhiệt 20 PHẦN 3: MỘT SỐ MÁY CÔ ĐẶC PHỔ BIẾN 22 3.1 .Cô đặc chân không hình cầu 22 3.2.Cô đặc tiết kiệm năng lượng 22 3.3. Bộ cô đặc đơn tuần hoàn ngoài 23 3.4. Bộ cô đặc hút chân không 24 3.5. Máy cô đặc thu hồi cồn. 25 3.6. Hệ thống cô đặc 2 cấp tuần hoàn. 26 KẾT LUẬN 28 LỜI MỞ ĐẦU ((( Truyền nhiệt là lĩnh vực đóng vai trò quan trọng, không thể thiếu trong hầu hết các quá trình hoá học, thực phẩm, sinh học, môi trường…Trong đó quá trình cô đặc và làm lạnh là hai quá trình có vai trò đặc biệt quan trọng.Ví dụ như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp hay cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp.Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ nhanh chóng như hiện nay, cô đặc càng tỏ ra là quá trình không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp dược phẩm… đều là những ngành sản xuất chiếm vị trí chủ đạo trong nền kinh tế.Để thực hiện quá trình cô đặc có nhiều phương pháp và sử dụng nhiều thiết bị khác nhau: có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn và liên tục. Bên cạnh đó, người ta cũng đã thiết kế thêm những thiết bị phụ trợ kết hợp làm việc để tăng năng suất, tiết kiệm thời gian, chi phí và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Với đề tài tìm hiểu “Thiết Bị Cô Đặc Một Nồi Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm” nhóm sinh viên chúng em hy vọng sẽ giới thiệu đến cô và các bạn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như những ứng dụng của thiết bị trong công nghiệp thực tiễn. Do kiến thức có hạn nên trong quá trình tìm hiểu sẽ không tránh có nhiều sai sót, chúng em rất mong được sự đóng góp ý kiến từ thầy cô và các bạn để đề tài tiểu luận của nhóm chúng em hoàn chỉnh và sinh động hơn. Nhóm Sinh Viên Thực Hiện. PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Định nghĩa quá trình cô đặc: Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng việc đun sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên. Khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng. Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó được ứng dụng với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh ) - Thu dung môi ở dạng nguyên chất Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. 1.2.Các phương pháp cô đặc. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường. Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế. 1.2.1 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn: Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế. Cô đặc một nồi thường làm việc theo ba phương pháp sau: Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu. Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới. 1.2.2.Cô đặc một nồi liên tục. Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo liên tục một phần dung dịch ra làm sản phẩm, đồng thời luôn bổ xung một lượng dung dịch mới vào thiết bị. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tục bên hình dưới. Dung dịch đầu từ thùng chứa 7 được bơm đưa lên thùng cao vị 8, sau đó chảy qua lưu lượng kế 3 vào thiết bị đun nóng 2, ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 1 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khí không ngưng đi lên phía trên đỉnh thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ 5 từ dưới lên.
Trong thiết bị ngưng tụ nước lạnh chảy từ trên xuống tiếp xúc với hơi thứ và hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng cùng với nước lạnh chảy qua ống bazômét ra ngoài. Dung dịch sau khi cô đặc được bơm 4 vận chuyển ra từ đáy thiết bị đi vào thùng chứa 6. 1.3.Tính toán thiết bị cô đặc một nồi 1.3.1 Cân bằng vật liệu Gọi: Gđ,Gc –lượng dung dịch lúc đầu và lúc cuối (kg/s); W - lượng hơi thứ tách ra (kg/s); xđ,xc – nồng độ đầu và cuối, % khối lượng; Trong quá trình bốc hơi coi chất hoà tan không bị mất mát theo hơi thứ, khi đó phương trình cần bằng vật liệu trong thiết bị cô đặc (cho cả quá trình liên tục và gián đoạn) như sau: Gđ = Gc +W Đối với chất hoà tan: Gđ xđ = Gc xc Từ hai phương trình trên ta rút ra:
1.3.2.Cân bằng nhiệt lượng Gọi: D – lượng hơi đốt [kg/s] I,i.–hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ [J/kg] tđ,tc – nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch [0C] tn = tđ –nhiệt độ của hơi đốt ở đây coi như bằng nhiệt độ của nước ngưng tụ Qtt - nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh [W] Cn - nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ [J/kg.độ] Cđ,Cc –nhiệt dung riêng của dung dịch lúc đầu và lúc cuối [J/kg độ] Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra. Nhiệt vào: - Do dung dịch đầu:GđCđ tđ,[W] - Do hơi đốt: DI [W] Nhiệt ra: - Hơi thứ mang ra:Wi [W] - Nước ngưng tụ: DCntn [W] - Sản phẩm mang ra: GcCctc [W] - Nhiệt tổn thất Qtt [W] Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: GđCđ tđ + DI = GcCc tc + DCntn +Wi +Qtt Nếu coi toàn bộ dung dịch đầu được đun nóng đến nhiệt độ cuối, lượng nhiệt sẽ là:Gccctc, sau đó tách ra W (kg nước để bay hơi) lượng nhiệt là Wctc và lượng nhiệt do dung dịch cuối mang ra: GcCc tc = GđCđ tc - WCntc Để tăng năng suất cô đặc và giảm lượng hơi đốt tiêu hao ta cần phải đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi tc trước khi cho vào nồi cô đặc (tđ =tc) bằng thiết bị truyền nhiệt như vậy sẽ rẻ tiền hơn. 1.3.3.Bề mặt truyền nhiệt Q = KF t = D(I - Cntn)=W(i- Cntc) +GđCđ(tc - tđ) +Qtt [W] F = tKQ,[m2 ] Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt, [J/m2h 0C] t – hiệu số nhiệt độ hữu ích [0 C] t = tD - tStb tD -nhiệt độ của hơi đốt tstb -nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch trong thiết bị cô đặc. 1.4.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 1.4.1.Cấu tạo: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dưới của thiết bị là phòng đốt 2 có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo. 1.4.2.Nguyên lý làm việc: Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy rong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ bazômét. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liền tục bổ xung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị (trong trường hợp thiết bị làm việc liên tục). Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch được đưa vào thiết bị gián đoạn, và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoạn. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm. Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1,5 m/s. *Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản dễ sửa chữa và làm sạch. *Nhược điểm: Năng suất thấp, và tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng. PHẦN 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM 2.1. Nguyên lý hoạt động. Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống tuần hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch cần cô đặc. Dung dịch đi bên trong ống, hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Phía trên phòng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc hơi, chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào phòng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống. Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt. Do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc hơi, còn dung dịch có nồng độ tăng dần. Khi năng suất của thiết bị lớn, có thể thay một ống tuần hoàn trung tâm bằng một vài ống có đường kính nhỏ hơn. Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 – 0,7 chiều cao ống. Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s. Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15 – 20% thiết diện của tất các ống truyền nhiệt. Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là: cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa, nhưng tốc độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp. Thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng cặn. 2.2. Sơ đồ cấu tạo: Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm 1. thùng chứa dung dịch; 2. buồng đốt; 3. thiết bị cô đặc; 4.Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng; 5.thùng chứa nước; 6. thùng chứa hơi thứ ngưng; 7. bơm dung dịch; 8. bơm nước; 9. Bồn cao vị; 10. thùng chứa nước ngưng tụ; 11. ratomet (lưu lượng kế); 12. thùng chứa sản phẩm; 13. thùng tháo nước ngưng; Dung dịch đầu CaCl2 từ thùng chứa dung dịch (1) được bơm vào bồn cao vị (9), từ đây dung dịch chảy qua lưu lượng kế (11). Ở lưu lượng kế, người ta có thể điều chỉnh lưu lượngdung dịch CaCl2 đi vào buồng đốt (2). Tại đây dung dịch CaCl2 được đun nóng đến nhiệt độ sôi. Dung dịch sôi tạo hỗn hợp lỏng - hơi lên buồng bốc, một phần hơi cuốn theo dung dịch CaCl2 gặp tấm chắn ngưng tụ rồi rơi xuống. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng (4), ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài thùng chứa (5), khí không ngưng được tháo ra ngoài qua thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng. Tác dụng của thiết bị thu hồi bọt là giữ lại những hạt nước ngưng bị khí không ngưng cuốn theo, những giọt nước này lắng lại trong thiết bị cô đặc (3) và sản phẩm được tháo ra ngoài qua thùng chứa sản phẩm (12). Sản phẩm CaCl2 sau khi ra khỏi buồng bốc có nồng độ đạt yêu cầu 40% và được đưa vào bể chứa sản phẩm (12). 2.3. Tính toán các thông số cho hệ thống: 2.3.1. Cân bằng vật chất. 2.3.1.1. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc. Gđ = Gc + W Gđ.xđ = Gc.xc với: Gđ, Gc – lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch, kg/s. xđ, xc - nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng. W – lương hơi thứ, kg/s. Dựa vào phương trình trên ta tính toán được lượng hơi thứ bốc ra và lượng dung dịch ban đầu. 2.3.1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống. * Tổn thất do nồng độ. Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco Δ ’ = Δo’. f (VI .10, STQTTB T2, 59) Trong đó: Δo’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường. f : Hệ số hiệu chỉnh. với (VI.11, STQTTB T2, 59) Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg * Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh. Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh Δ ’’ (tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao): Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
Trong đó: P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2 h1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m h2 - chiều cao ống truyền nhiệt, m ρdds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3 g - gia tốc trọng trường, m/s2 Vậy ta có: Δ’’ = ttb – t0 , độ; ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C t0 - nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất p0, 0C * Tổn thất do trở lực đường ống. Chọn tổn thất do trở lực đường ống Δ’’’ Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống * Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống: tổng chênh lệch hữu ích của cả hệ thống: nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi: sản phẩm lấy ra ở đáy thiết bị, nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi: 2.3.2. Cân bằn nhiệt lượng 2.3.2.1 Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau: C = 4186.(1 - x), (J/kg.độ); ( I.43, STQTTB T1, 152) Với : x – nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức sau: Cc = Cht . xc + 4186 . ( 1- xc ) , (J/kg.độ) ; (I.44, STQTTB T1, 152) Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước) (J/kg.độ). Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152)
MCaCl2: khối lượng mol của muối CaCl2 Cht : nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, (J/kg.độ) ni : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất. ci: nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, (J/kg nguyên tử.độ) (bảng I.141, ST 1, 152) 2.3.2.2.Phương trình cân bằng nhiệt lượng Cân bằng nhiệt lượng: ∑ nhiệt vào = ∑ nhiệt ra + nhiệt lượng vào gồm có: Do dung dịch đầu: Gđ Cđ tđ ( W ) Do hơi đốt: D(1-ϕ )i’’D ( W ) Độ ẩm của hơi: θ ϕDc + nhiệt lượng ra gồm có: Hơi thứ mang ra : Wi’’W ( W ) Nước ngưng tụ: Dcθ Sản phẩm mang ra: (Gđ –W)Cc tc ( W ) Nhiệt cô đặc: Qcđ Nhiệt tổn thất: tỉ lệ tổn thất nhiệt: ε = 0,05 Bỏ qua nhiệt cô đặc Qcđ ( vì có giá trị tính toán nhỏ ) Độ ẩm của hơi ϕ = 0,05 Phương trình cân bằng nhiệt:

Nhiệt hóa hơi của nước rhh chính là 2.3.3. Hệ số cấp nhiệt. Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn: - nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1. - dẫn nhiệt qua thành ống. - nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2.
Sơ đồ truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch qua vách 2.3.3.1.Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ Hệ số cấp nhiệt α1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28).
Trong đó: H: chiều cao ống truyền nhiệt, m hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa ) và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, 0C. A: là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng chọn: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng ∆t1 2.3.3.2.Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi. Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định
chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, STQTTB T2, 4) Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức (VI.27, STQTTB T2, 71):
với αn là hệ số cấp nhiệt của nước được tính theo công thức (V.91, STQTTB ST2,26) :
Trong đó : p – áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2 ∆t2 – hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C. Độ nhớt của dung dịch CaCl2 được tính theo công thức Paplov (I.17, STQTTB T1, 85) Trong đó: tμ1, tμ2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng là μ1 và μ2. θμ1, θμ2: nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt là μ1và μ2. Sau khi tính toán được hệ số cấp nhiệt α2 hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức. 2.3.4.Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp và bề mặt truyền nhiệt.
Bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: (4.25, QTTBCNHH tập 10, 185) 2.4. Một số chi tiết chính của hệ thống. 2.4.1 Buồng đốt của nồi cô đặc. * Tính số ống truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức:
Trong đó: F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, đã được tính từ phần công nghệ, m2 dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m. H - chiều cao của một ống truyền nhiệt, m. * Đường kính buồng đốt. Đường kính trong của buồng đốt của thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm. ( khi xếp ống theo hình lục giác đều ) được tính theo (5.10,QTTB T5, 155) công thức:
Trong đó: t = β.dn – là bước ống, thường lấy β = 1,3 – 1,5, t - bước ống, m. dđl - đường kính ngoài của ống đối lưu, m n - số ống truyền nhiệt. ψ - hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường dao động trong khoảng 0,7 – 0,9. sin α = sin 600 do xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành một tam giác đều, có góc đỉnh α = 600 * Tính bề dày buồng đốt. chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T) theo (I.125/127/STQTTB T1) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn: bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức: (XIII.8, STQTTB T2, 360)
Trong đó : Dt - đường kính trong của thiết bị, m φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 [σ] - ứng suất cho phép, N/m2 Hệ số bổ sung do ăn mòn được xác định theo công thức sau: (XIII.17, STQTTB T2, 363) C = C1 + C2 + C3 , m * Tính đáy buồng đốt. chọn đáy trong thiết bị cô đặc một nồi có dạng hình nón, đáy nón có gờ, làm bằng thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125, STQTTB T1, 127), góc đáy bằng 600(XIII.21, STQTTB T2, 394). Xác định chiều dày đáy theo các công thức (XIII.52 và XIII.53, STQTTB T2, 399) và lấy kết quả tính toán của công thức nào cho giá trị lớn hơn:
Trong đó: y - yếu tố hình dạng D’ - đường kính đối với đáy có gờ, mm (theo hình XIII.16, STQTTB T2, 400). [σu] - ứng suất cho phép của vật liệu khi uốn, N/m2 2.4.2. Buồng bốc hơi. * Kích thước của không gian bốc hơi. Kích thước của không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo. Vận tốc lắng của các hạt lỏng được tính theo công thức sau (5.14, QTTBTN T5,157)
Trong đó : ρl, ρh – là khối lượng riêng của chất lỏng và hơi thứ, Kg/m3 dhl - đường kính của hạt lỏng, m ξ - hệ số trở lực, phụ thuộc vào chế độ làm việc ( phụ thuộc vào Re)
Khi Re < 500 thì Khi Re = 500 ÷ 150000 thì ξ = 0,44 với : ωh - vận tốc của hơi thứ trong buồng hơi, vận tốc này phải chọn nhỏ hơn vận tốc lắng wl, m/s vh - độ nhớt động học của hơi thứ, m2/s * Thể tích không gian hơi. Đường kính buồng bốc bằng đường kính buồng đốt : Dbb = 0,6 (m) thể tích không gian hơi được tính theo công thức (VI.32, STQTTB T2, 71)
Trong đó : W - lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, Kg/h. Utt - cường độ, bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi nước bốc hơi trên một đơn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian), m3/m3.h ρh – khối lượng riêng của hơi thứ, Kg/m3. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Utt chưa được xác lập, do đó khi tính toán một cách gần đúng đối với các dung dịch đậm đặc ta có thể sử dụng Utt = 1600 ÷ 1700 m3/m3.h. chọn Utt = 1600 (m3/m3.h), với áp suất trong buồng bốc 1at. Hơi thứ là hơi dung môi nguyên chất (hơi nước) → khối lượng riêng hơi thứ ρh = 0,579 (Kg/m3) ở áp suất 1 at theo (I.251, STQTTB T1, 315). * Bề dày thân buồng bốc. Chọn vật liệu làm thân buồng bốc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn : bề dày buồng bốc hình trụ được tính theo công thức như đối với công thức tính toán đối với buồng đốt: (XIII.8, STQTTB T2, 360)
Trong đó : Dt - đường kính trong của thiết bị, m φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P - áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 [σ] - ứng suất cho phép, N/m2 Các giá trị C, φ, [σ], giống như tính toán đối với buồng đốt áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1 với: P1-áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH * Bề dày nắp buồng bốc. Chọn vật liệu làm nắp buồng bốc là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) và nắp có dạng hình elip có gờ, bề dày nắp elip được tính theo công thức (XIII.47, STQTTB T2, 385)
Trong đó : hb - chiều cao phần lồi của nắp, m. C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m k - hệ số không thứ nguyên. φh - hệ số bền của mối hàn hướng tâm (nếu có). [σk] - ứng suất cho phép, N/m2 P - áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 2.4.3. Thiết bị ngưng tụ của nồi. * Bề dày của thiết bị ngưng tụ Chọn vật liệu làm thiết bị ngưng tụ kiểu đứng là thép crôm – niken – titan. Mã hiệu ( 1X18H9T ) theo (I.125/127/STQTTB T1) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn: bề dày thiết bị ngưng tụ hình trụ được tính theo công thức: (XIII.8, STQTTB T2, 360)
Trong đó : Dt - đường kính trong của thiết bị, m φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 [σ] - ứng suất cho phép, N/m2 tính ứng suất kéo Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi H2O: (XIII.26, STQTTB T2,365) Với áp suất thử tính toán P0 được xác định theo công thức P0 = Pth + P1, (N/m ) Pth – áp suất thủy lực theo (XIII.5, STQTTB T2, 358) * Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ, đường kính ống tháo nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ, đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ Tra bảng (I.5, STQTTB T1, 11) ta có khối lượng riêng nước tại nhiệt độ trung bình 250C ρH2O = 997,08 (Kg/m3) . Tra bảng (I.5, STQTTB T1, 11) ta có khối lượng riêng nước tại nhiệt độ trung bình 350C ρH2O = 994,06 (Kg/m3). 2.4.4 Bề dày lớp cách nhiệt *Bề dày lớp cách nhiệt ống, lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt. để hạn chế quá trình tổn thất nhiệt trong quá trình hoặt động của thiết bị, người ta thường dùng lớp cách nhiệt cho thiết bị. bề dày của lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện cấp nhiệt ra không khí chuyển động tự do, nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 200C có thể tính theo công thức sau:
Trong đó: d2 - đường kính ngoài của ống dẫn (chưa tính đến lớp cách nhiệt), mm. λ - hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt, W/m.độ. tt2 - nhiệt độ mặt ngoài của ống dẫn bằng kim loại chưa kể lớp cách nhiệt, 0C. q1 - nhiệt tổn thất tính theo một mét chiều dài của ống dẫn, W/m. chọn vật liệu cách nhiệt cho ống dẫn hơi đốt là amiang. * Cách nhiệt cho buồng đốt, buồng bốc Bề dày lớp cách nhiệt cho buồng đốt được tính theo công thức (VI.66, STQTTB T2, 92)
Trong đó: αn - hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí
tT2 - nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí vào khoảng 40 ÷ 500C tT1 - nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp bề mặt thiết bị (lấy bằng nhiệt độ hơi đốt) tkk - nhiệt độ không khí 0C λc - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, W/m2.độ PHẦN 3: MỘT SỐ MÁY CÔ ĐẶC PHỔ BIẾN 3.1 .Cô đặc chân không hình cầu Thiết bị  này thích hợp cho làm bay hơi và cô đặc nguyên liệu dưới dạng dung dịch lỏng và tái chế dung dịch hữu cơ và thuốc kem trong dược phẩm, thực phẩm và  công nghiệp hóa chất… Thiết bị chính bao gồm: Thùng cô đặc, bình ngưng tụ, thùng chứa. Thùng chứa hình cầu dễ dàng cho việc vệ sinh và làm sạch nguyên liệu còn sót lại… 3.2.Cô đặc tiết kiệm năng lượng
Thiết bị này phù hợp cho quá trình làm bay hơi và cô đặc các nguyên liệu dưới dạng chất lỏng và đặc biệt dùng cô đặc các nguyên liệu trong các ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm. Nhiệt độ có thể kiểm soát tầm 25-500C. Thiết bị này cho hiệu quả cao, tốn ít năng lượng tiêu hao..Hệ thống điều khiển PLC. 3.3. Bộ cô đặc đơn tuần hoàn ngoài
Thiết bị được dùng rộng rãi trong cô đặc nguyên liệu dung dịch thuốc, hóa chất, thực phẩm, thu hồi dung môi. Đặc biệt cho các nguyên liệu nhạy nhiệt như dung dịch chiết xuất có cồn, các dung dịch hóa dược, vi sinh, nước quả, sữa, dưới tác động của chân không, tạo nhiệt độ bay hơi thấp, và thiết bị cô liên tục. thiết bị phù hợp cho đặc tính sản xuất nhiều chủng loại nguyên liệu, số lượng nhỏ. 3.4. Bộ cô đặc hút chân không Thiết bị bao gồm các phần: Nồi cô đặc, bộ ngưng tụ sơ bộ dùng tách khí và nước. bộ ngưng thứ hai dùng làm mát và thu hồi dung môi Thiết bị phù hợp cho cô đặc và tạo thuốc kem ở nhiệt độ thấp trong dược phẩm, hóa chất, thực phẩm ...Thiết bị cô có thể đạt tới tỉ lệ 1.45 Thiết bị cũng dùng để thu hồi dung môi cồn, và cũng dùng để chiết xuất kiểu ngược dòng. Phần tiếp xúc nguyên liệu được chế tạo bằng thép không gỉ, máy hoàn toàn phù hợp cho việc vệ sinh, máy không bị gỉ, ăn mòn. Máy đạt tiêu chuẩn GMP dược phẩm. Phần nắp thùng bên trên có thể thiết kế thụt xuống nhằm tương thích với bộ khuấy trộn nếu khách hàng yêu cầu trang bị. Thông số chính của thiết bị: Các model  ZN-200  ZN-500  ZN-700  ZN-1000  ZN-2000   Năng suất bay hơi（kg/h）  60  100  130  150  350   Dung tích（L）  200  500  700  1000  2000   Áp lực hơi（MPa）  ＜0.1   Tiêu hao hơi bãn hòa（kg/h）  70  115  150  185  405   Độ chân không(MPa）  0.06   Diện tích trao đổi nhiệt（m2）  0.8  1.5  2.0  2  4.4   Công suất điệnKW）  2.4  3  3.6  4.1  9.3   Kích thước máyL*W*H(mm)  1500*800*2520  2100*1100*2800  2100*1300*3450  2350*1250*3000  3060*1700*4000   3.5. Máy cô đặc thu hồi cồn. Máy cô đặc tuần hoàn WZA là máy thích hợp để cô đặc các dung dịch chất lỏng như rượu, cồn, các dung môi hữu cơ khác...       Thiết bị này bao gồm bộ gia nhiệt, buồng bay hơi, thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm lạnh… Trong quá trình cô đặc cồn và một số dung môi hữu cơ khác, diện tích buồng bay hơi và diện tích ngưng tụ được mở rộng và trên cùng của máy làm bay hơi là thiết bị ra bọt làm cho những dung môi hữu cơ tiêu hoa dưới 3%     Tất cả quá trình này nằm trong điều kiện chân không để tránh ô nhiễm. Tốc độ ra hơi nhanh và tỉ lệ cô đặc có thể trên 1.2 .Phía trên buồng ra nhiệt đựơc thiết kế lắp mở, vì vậy dễ dàng cho việc lau chùi, vệ sinh. Các thiết bị này có thể tự động quá trình rút nước , làm giảm bớt đi khối lượng công việc phải dùng tới chân tay. Thông số kỹ thuật: Kiểu máy  WZA-2000  WZA-1500  WZA-1000  WZA-500   Lượng bay hơi（kg/h）  2000  1500  1000  500   Áp chân không（Mpa）  0.02～0.09   Nhiệt độ hơi（Mpa）  ＜0.1  ＜0.1  ＜0.1  ＜0.1   Tiêu hao hơi（kg/h）  2300  1800  1200  600   Diện tích gia nhiệt（m2）  24  18  12  6   Diện tích làm mát（m2）  28*2  20*2  14*2  7*2   3.6. Hệ thống cô đặc 2 cấp tuần hoàn.
Thiết bị này được sử dụng trong việc cô đặc thuốc đông dược, thuốc tây, glucoza, tinh bột, MXG, sản xuất bơ, và hóa chất, đặc biệt thông dụng cho việc cô đặc các vật liệu có tính nhạy nhiệt cao. Thông số kỹ thuật chính: Ký hiệu  SJN2-500  SJN2-1000  SJN2-1500  SJN2-2000  SJN2-3000   Năng suất bay hơi（kg/h）  500  1000  1500  2000  3000   Tiêu hao hơi（kg/h）  380  750  1100  1600  2500   Áp lực hơi（Mpa）  ＜0．1Mpa   Nhiệt độ (0C )  Bộ thứ nhất 800C -900C bộ thứ hai 550C-700C   Áp chân không（Mpa）  Bộ thứ nhất 0.02-0.04 bộ thứ hai 0.05-0.08   Kích thước（m）L*W*H  4.5*1*3.2  5.5*1.1*3.8  6.3*1.2*4.3  6.6*1.3*4.5  7*1.4*5.1   Nước tuần hoàn làm mát（T/H）  10-15  20-30  30-40  40-50  50-60   KẾT LUẬN ((( Tóm lại, trong sự nghiệp công nghiệp hoá xã hội chủ nghĩa ở nước ta, công nghiệp hoá học ngày càng được phát triển nhanh chóng. Tại các nhà máy hiện đại cũng như xí nghiệp vừa và nhỏ của địa phương, ta đều sử dụng những máy móc, thiết bị hoá chất nhằm thực hiện những quá trình công nghệ nhất dịnh. Việc nắm vững các quá trình, hiểu rõ nguyên lý, cấu tạo và ưu khuyết điểm của từng loại thiết bị là nhu cầu rất cần thiết đối với các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật và công nhân kỹ thuật. Qua tìm hiểu đề tài, nhóm chúng em đã rút ra được một số kết quả như sau: Cô đặc là quá trình làm bốc hơi một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, kỹ thuật này được áp dụng đối với dung dịch của những chất rắn khhông bay hơi trong dung môi lỏng dễ bay hơi. Quá trình này được tiến hành nhờ sự đun nóng và đôi khi là hạ áp suất, nhằm mục đích làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch, tách dung môi ở dạng nguyên chất (thu hồi hơi thứ nhờ bình ngưng), và đặc biệt quá trình cô đặc là tiền đề cho sự kết tinh. Tuỳ thuộc vào dạng nguyên liệu cần đem cô đặc và quy mô thực hiện quá trình mà có thể sử dụng nhiều loại thiết bị cô đặc khác nhau. Trong đó thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm là thiết bị cócấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, sửa chữa và vệ sinh dễ dàng. Thiết bị dùng để cô đặc những dung dịch có độ nhớt tương đối lớn (nhờ chiều dài của ống đốt nóng không lớn lắm), dung dịch có nhiều ván, cặn... Tuy nhiên thiết bị vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm như năng suất thấp, tốc độ tuần hoàn giảm khi thời gian làm việc lâu do ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Các tác giả, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ Hóa học, tập 1”, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật,1999. [2] Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông, “Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, tập 1”, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội,1981. [3]Phạm Văn Bôn , Nguyễn Đình Thọ, “ Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, tập 5”, Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, 2002. [4]Nguyễn Bin, “ Tính toán quá trính thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 1”, NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội,1999. [5]Hồ Lệ Viên, “ Thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất”, NXB Khoa học kĩ thuật, 1999. Các trang Web: www.ttmindustry.vn www.thuvien247.net www.wikipedia.com.vn