Thiết kế thiết bị cô đặc đường mía năng suất 9800 kg/h , hệ hai nồi liên tục xuôi chiều

1. Thiết kế thiết bị cô đặc đường mía năng suất 9800 kg/h , hệ hai nồi liên tục xuôi chiều.

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Viện công nghệ Sinh Hoc và Thực Phẩm

Bộ Môn : Quá Trình & Thiết Bị

Đồ án môn học

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Họ & Tên SV: Nguyễn Thanh Dung MSSV: 20103638

Lớp : Kĩ thuật thực phẩm 1- K55GVHD : PGS.TS Tôn Thất Minh

1 Đề đồ án : Thiết kế thiết bị cô đặc đường mía năng suất 9800 kg/h , hệ hai nồi liên tục

xuôi chiều

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu) :

1 Năng suất : 10000 kg/h

2 Nồng độ đầu : 15% khối lượng

3 Nồng độ cuối :60% khối lượng

4 Nhiệt độ hơi nước bão hòa: 130 oC

5 Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối: 74oC

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

1 Tổng quan

2 Thuyết minh quy trình công nghệ

3 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

4 Tính toán và thiết kế thiết bị chính

5 Tính toán thiết bị phụ

6 Kết luận

4 Các bản vẽ : - Bản vẽ chi tiết thiết bị chính : 1 bản A1

- Bản vẽ sơ đồ qui trình công nghệ : 1 bản A1

Ngày 25 tháng 05 năm 2013

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

1 Cán bộ hướng dẫn Nhận xét:

Điểm : Chữ ký : 2 Hội đồng bảo vệ Nhận xét:

Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận vớithực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình & các thiết bị với số liệu cụ thể Đây là cơ sở đểsinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanhchóng, phục vụ cho công việc sau này.Trong công nghệ hóa học và thực phẩm có rất nhiều phươngpháp sản suất khác nhau ứng dụng cho các quá trình chế biến, tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu

và yêu cầu về chất lượng sản phẩm Một trong các phương pháp đó là cô đặc: Cô đặc là quá trìnhlàm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi với mụcđích:

+Thu dung môi ở dạng nguyên chất ( cất nước )

+Làm tăng nồng độ chất tan

+Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )

Với nhiệm vụ thiết kế là tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục

để cô đặc dung dịch đường mía Với mục đích xem việc sử dụng hơi thứ thay hơi đốt có ý nghĩa vềmặt sử dụng nhiệt như thế nào

Em xin chân thành cảm ơn thầy Tôn Thất Minh đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện

đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như các bạn

đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này Tuy nhiên dokiến thức còn hạn hẹp nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiếnđóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

LỜI NÓI ĐẦU

Đầu đề đồ án -1

Lời nói đầu -4

Mục lục -7

Chương I: Tổng quan -7

I.1 Nhiệm vụ của đồ án 7

I.2 Tính chất nguyên liệu 7

I.2.1 Tính chất vật lý của mía 7

I.2.2 Tính chất hóa học của đường mía 7

I.3 Quá trình cô đặc 8

I.3.1 Định nghĩa 8

I.3.2 Các phương pháp cô đặc 8

I.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 8

I.3.4 Ứng dụng của cô đặc 8

I.4 Thiết bị cô đặc 8

I.4.1 Phân loại và ứng dụng 8

I.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 9

Chương II: Qui trình công nghệ -10

II.1 Cơ sở lựa chọn qui trình công nghệ 10

II.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 10

Chương III: Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng -12

III.1 Dữ kiện ban đầu 12

III.2 Cân bằng vật chất 12

III.2.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi khi nồng độ thay đổi 12

III.2.2 Nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi 12

III.2.3 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi 13

III.2.4 Xác định tổn thất nhiệt độ 14

III.2.5 Tổn thất nhiệt do nồng độ 14

III.2.6 Tổng thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh 15

III.2.7 Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra 15

III.2.8 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống 15

III.2.9 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống 15

III.3 Cân bằng năng lượng 16

III.3.1 Nhiệt dung riêng 16

III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 17

Chương IV: Kích thước thiết bị chính -19

IV.1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt 19

IV.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 19

IV.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 19

IV.1.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi 23

IV.2 Tính kích thước buồng đốt và buồng bốc 24

IV.2.1 Buồng đốt 24

IV.2.2 Buồng bốc 26

Chương V: Tính bền cơ khí cho thiết bị -28

V.1 Tính bền cho thân 28

V.1.1 Thân buồng đốt 28

V.1.2 Thân buồng bốc 31

MỤC LỤC

V.2 Tính bền cho đáy và nắp thiết bị 34

V.2.1 Nắp thiết bị 34

V.2.2 Đáy thiết bị 37

V.3 Tính bích, đệm, bulông, vỉ ống và tay treo 40

V.3.1 Tính bích 40

V.3.2 Đệm 41

V.3.3 Bulông ghép bích 41

V.3.4 Vỉ ống 42

V.3.5 Tai treo 43

V.4 Tính kích thước ống dẫn 43

V.5 Kính quan sát 43

Chương VI: Tính thiết bị phụ -44

VI.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 44

VI.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới và thiết bị ngưng tụ 44

VI.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút khỏi Baromet 44

VI.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 45

VI.2 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 49

VI.2.1 Yêu cầu 49

VI.2.2 Tính lượng hơi đốt cần dùng 49

VI.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt 50

VI.2.4 Tính hệ số truyền nhiệt 52

VI.2.5 Tính diện tích truyền nhiệt 52

VI.2.6 Số ống truyền nhiệt 52

VI.2.7 Đường kính thiết bị gia nhiệt 53

VI.2.8 Kích thước của thiết bị gia nhiệt nhập liệu 53

VI.3 Bồn cao vị 53

VI.4 Bơm 55

VI.4.1 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ, bơm nhập liệu các nồi, bơm tháo liệu 55

VI.4.2 Bơm chân không 56

Kết luận -58

Tài liệu tham khảo -59

TỔNG QUAN

I.1 Nhiệm vụ của đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía ba nồi xuôi chiều với yêu cầu công nghệ nhưsau:

 Năng suất theo sản phẩm: 10000 kg/h

 Nồng độ đầu: 15% khối lượng

 Nồng độ cuối: 60% khối lượng

 Hơi thứ nồi cuối : 75oC

 Nhiệt độ hơi nước bão hòa: 130 oC



I.2 Tính chất nguyên liệu:

I.2.1 Khái quát

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 đápnhu 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 cộngnghiệp 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…

I.2.1 Tính chất vật lý của đường mía.

Thành phần chủ yếu của dung dịch đường mía là : nước chiếm tỷ lệ nhiều nhất( 70 – 85% ), saccaroza ( 10 – 15 % )

Saccaroza là thành phần quan trọng nhất, là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường Có công thức phân tử C12 H 22O11 cấu tạo từ hai loại đường đơn là glucoza và fructoza M= 342 ( đvC) Có một số tính chất vật lý :

-Tồn tại dạng tinh thể, trong suốt , không màu

-Tỷ trọng 1,5879 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 186 – 188 oC

-Độ hòa tan : tan tốt trong nước, độ hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên dung dịch đường không tinh khiết độ hòa tan phụ thuộc vào những chất không đường (VD: KCl, NaCl …có mặt sẽ làm độ hòa tan tăng, vì vậy đường không bao giờ kết tinh hoàn toàn mà tạo mật rỉ Ngược lại nếu có glucoza, fructoza,CaCl, MgCl … làm giảm độ hòa tan)

- Độ ngọt: Do gốc OH tạo nên, nếu dung dịch chứa nhiều đường khử( glucoza, fructoza ) thì sẽ ngọt hơn

I.2.2 Tính chất hóa học của đường mía.

+Dưới tác dụng xúc tác của axit, saccaroza bị thủy phân thành glucoza và fructoza – quá trình

chuyển hóa đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào :

- PH và nhiệt độ của dung dịch: pH càng thấp, nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển hóa đường tăng nhanh chóng

- Thời gian: thời gian càng lâu thì tạo thành đường chuyển hóa càng nhiều, vì vậy ảnh hưởng khôngtốt đến sản xuất đường và làm tổn thất đường, gây khó khăn cho quá trình kết tinh đường

CHƯƠNG I

+ Dưới tác dụng của kiềm: saccaroza có tính chất như axit yếu:

- Trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc kiềm đậm đặc saccaroza bị thủy phân thành alđêhyt, axeton, axit hữu cơ và tạp chất có màu vàng nâu Môi trường có pH cang lớn thì saccaroza bị phân hủy càng nhiều

- Dưới tác dụng của kim loại iềm thổ, dung dịch đường biến thành sacarat, gây ảnh hưởng xấu đến sản xuất, do làm tăng tổn thất đường và độ nhớt dung dịch

+Dưới tác dụng của nhiệt độ > 200 oC saccaroza mất nước tạo thành các chất caramen có màu từ

vàng tới nâu đen Phản ứng này làm tăng độ màu của dung dịch đường non, đường thành phẩm, màunày rất khó loại bỏ

I.3 Quá trình cô đặc:

I.3.1 Định nghĩa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiềucấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất caothường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó là các quátrình vật lý - hóa lý

I.3.2 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 thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh

thể 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 vàđôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

I.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vìnhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thunhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt đểcác phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyểnđộng liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuầnhoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

I.3.4 Ứng dụng của cô đặc:

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt được nồng độdung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh

Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

I.4 Thiết bị cô đặc:

I.4.1 Phân loại và ứng dụng:

a Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độnhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt

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 nhớtcao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biếnchất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép…

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 đặcdung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắnnhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không.Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làmgiảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phốihợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

 Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

I.4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:

- Thiết bị chính:

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…

- Thiết bị phụ:

 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ Baromet

 Thiết bị đo và điều chỉnh

- Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm g ồm:

 Phòng đốt.

 Ống truyền nhiệt

 Ống tuần hoàn.

còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống Khi làm việc,dungdịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạothành hỗn hợphơi

- lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còntrong ống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt,

do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi– lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàntự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và

từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra.

 Ưu và nhược điểm : Ưu điểm: Thiết bị cấu tạo đơn giản , dễ

sửa chữa và làm s ạch , hệ số truyền nhiệt K khá lớn, khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc dung dịch dễ bị bẩn tắt, dung dịch tuần hòan tự nhiên giúptiết kiệm

được năng lượng Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần

theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng.

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

II.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:

- Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làmviệc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùytheo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làmviệc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được

bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu sốnhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

- Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tếcao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ởnồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứhai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng

tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần,nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệchnhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt

và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ củanồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuốilàm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

- Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều được sử dụng nhiều

+ Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:

 Ưu điểm: từ nồi đầu đến nồi cuối nồng độ của dung dịch và nhiệt độ đều tăng nên độnhớt không tăng mấy, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm.Khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi vào thiết bị ngưng tụ nhỏ hơn xuôi chiều

 Nhược điểm: hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều là cần phải có bơm để vận chuyểndung dịch

II.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

II.2.1 Sơ đồ công nghệ:

CHƯƠNG II

Hình vẽ bên: Sơ đồ công nghệ thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều.

II.2.2 Thuyết minh quy trình:

- Dung dịch đường mía 13% khối lượng, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau

đó được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch đườngmía đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống

- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc thứ I,đây là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn trungtâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung dịchđược cô đặc đến % khối lượng

- Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặc đến60% khối lượng

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc thứ I, hơi đốt đi bên ngoài ốngtruyền nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng cóbẫy hơi để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra bênngoài qua ống xả

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ I sẽ được tận dụng để làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ II, tạiđây nước ngưng và khí không ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị thứ I

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ II được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước đểngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơicòn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

% khối lượng; 5.26[1]

% khối lượng

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

III.1 Dữ kiện ban đầu:

- Dung dịch đường mía

- Nồng độ đầu xđ = 15 %,

- Nồng độ cuối xc = 60%

- Nhiệt độ của hơi thứ nồi cuối:75oC

- Nhiệt độ của hơi nước bão hòa:130 oC

W - lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h

Gđ , Gc - lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h

xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

Giả thiết lượng hơi thứ ở các nồi như sau (sau quá trình tính lặp và kiểm tra):

W1 : W2 = 1,33 :1W1 + W2 = W = 7500

d

d d

, 12 , 4281 10000

15 10000



CHƯƠNG III

=

= 60 % khối lượng

x1, x2 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng;

W1, W2 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;

xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

III.2.3 Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi:

Nhiệt độ của hơi thứ nồi cuối:75 oC

Ta có:

t2 = 75 oC

P2 = 0,393 at (tra bảng I.250/312 [4])

Nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ sẽ nhở hơn 1 oC so với nhiệt độ hơi thứ nồi cuối và

bằng 74oC và có áp suất 0,379 at (tra bảng I.250/312 [4])

Sử dụng hơi đốt là hơi nước bão hòa, có t= 130 oC

Áp suất hơi đốt cho nồi 1 là: P1 = 2,782 at (tra bảng I.250/313 [4])

Hiệu số áp suất cho cả hệ thống:

P = P1 – Pnt = 2,782 – 0,379 = 2,403 atChọn tỷ lệ hiệu số áp suất cho các nồi như sau: P1/P2 = 1,98/1Mà: P1 + P2 = P = 2,403 at

Suy ra: P1 = 1,6 at

P2 = 0,8 at

Ta có: P1 = P1 – P2

P2 = P2 – Pnt

Suy ra: P2 = P1 - P1 = 2.782 – 1,6 = 1,182 at

Với: P1,P2 : áp suất hơi đốt nồi 1, 2 , at

Pnt : áp suất ở thiết bị ngưng tụ, at

2

2

(W 1+ W 2 G

x G x

d

d d







7500 10000

15 10000



P1, P2 : hiệu số áp suất nồi 1 so với nồi 2, nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ , at

P: hiệu số áp suất cho cả hệ thống, at

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 (1 chính là tổn

thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng

thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC (trang 106 [2])

Bảng 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do tăng nhiệt độ sôi, tổn thất do

áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống

III.2.5 Tổn thất nhiệt do tăng nhiệt độ sôi ’

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch đường bao giờ cũng lớn hơn nhiệt

độ sôi của nước

Độ tăng nhiệt độ sôi tỷ lệ thuận với nồng độ chất khô trong dung dịch Khi áp lực của dung dịch khác áp lực thường , độ tăng nhiệt độ sôi có sai khác một

it, tính dộ tăng nhiệt đô sôi ở áp lực bất kì theo công thức:

r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg

Từ nồng độ đường và nhiệt độ hơi thứ của hiệu bốc hơi , có thể tra độ tăng nhiệt độ

sôi theo bảng: IV-1 T 198 [X]

Bảng 2: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

III.2.6 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:’’

a. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i’’ :

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc : Ptb

Ptb = Po + ( h1 + ρdds g ; N/ m2.

Trong đó:

- Po : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng, N/ m2.

- h1 : chiều cao lớp dung dịch sôi từ miệng trên của ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch , m

Ptb1 = 1,311( at )  ttb1 = 107oC

Ptb2 = 0,491( at )  ttb2 = 80,4oC Thay số ∆1’’ = ttb1 – T1’= 1,87

∆2’’ = ttb2 – T2’ = 5,41

∆’’ = 1,87 + 5,41 = 7,28

III.2.7 Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:’’’

Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là: 1 0C

Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra trên cả hệ thống ∆’’’ = 2 0C

III.2.8 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống:

Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ , 0C ;

= 3,75 + 7,28 + 2 = 13,03 0C

III.2.9 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống:

Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là:

ti = tch - ∑ III-9/111 [2]

Mà: tch = T – tng

Hoặc: ti = T – ts III-10/111 [2]

Mà: ts = t’ + ’ + ’’

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

Nồi I: tiI = TI – tsI = TI – (tI’ + I’ + I’’)Nồi II: tiII = TII– tsII = TII – (tII’ + II’ + II’’)Trong đó:

tiI, tiII,: Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi I, nồi II, oC

TI, TII,

: Nhiệt độ hơi đốt nồi I, nồi II, oCtI’, tII’ , : Nhiệt độ hơi thứ nồi I, nồi II, , oC

tsI, tsII, : Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi I, nồi II, oC

I’, II’,: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi I, nồi II, oC

I’’,II’’,: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi I, nồi II, , oC

Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:

∑ti = tiI + tiII

Bảng 4: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi

III.3.1 Nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%

C = 4186.(1 - x), J/kg.độ; I.43/152 [4]

x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%);

Nhiệt dung riêng dung dịch đầu: Cđ = 4186.(1 - 0,13) = 3641,82 J/kg.độ;

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20%

C = Cht.x + 4186.(1 - x), J/kg.độ; I.44/152 [4]

Cht: nhiệt dung riêng của chất hoà tan (J/kg.độ);

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi I:

C1 = 4186 (1 - 0,26 ) = 3406,15 J/kg.độ;

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi II:

C2 = 1423x0,6 + 4186.(1 - 0,6) = 3058,07 J/kg.độ;

Theo công thức:

MĐường Cht = Ci Ni I.41/152 [4]

M : khối lượng mol của hợp chất

Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất

Ni : số nguyên tử trong phân tử

Ta có: CC = 7500 (J/kg.độ); Co = 16800 (J/kg.độ)

CH = 9630 (J/kg.độ)Vậy : Cht =

= 1423 J/kg.độ

III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

D : Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h

Gđ : Lượng dung dịch ban đầu, kg/h

 : Độ ẩm của hơi đốt

i, i1, i2 : Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II, J/kg

tđ, t1, t2 : Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II của dung dịch,

Cđ, C1, C2 : Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II của dd, J/kg.độ

1, 2 : Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I, nồi II

Cng1, Cng2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi I, nồi II, J/kg.độ

Qxq1, Qxq2 : Nhiệt mất mác ra môi trường xung quanh, J

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi I và nồi II:

i1 = 2725,64 kJ/kgi2 = 2685,34 kJ/kg Nhiệt độ sôi của dung dịch:

tđ = 76,41 oCt1 = 107 oCt2 = 83,2 oC Nhiệt dung riêng của dung dịch:

Cđ = 3641,82 J/kg.độ C1 = 3742,8 J/kg.độ C2 = 3058,07 J/kg.độ

Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):

 Thay các giá trị tra được bên trên vào các phương trình (2), (3) giải hệ 2 phương trình

ẩn số W1, W2, ta được:

 W1= 4405,73 kg/h; W2 =3094,27 kg/h

Kiểm tra lại giả thiết phân phối hơi thứ ở các nồi:

%5

%100.1

W

W

W1 : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn

Wn : lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH

IV.1 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt:

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát như sau:

Trong đó:

Q : nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W

Q = Dr nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà

a.Nhiệt tải riêng trung bình: (trang 116 [2])

Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:

q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1

Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

))(

11

()(

1

2 1 1

2

c w

r r

t t r

t1 : Nhiệt độ hơi đốt, oCt2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oC

i

tK

QF





trang 3 [5]

CHƯƠNG IV

tw1, tw2 : Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC

α 1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2độ

α 2 : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2độ

rc1 : Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)

: Nhiệt trở thành thiết bị, m2độ/W

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có: = 57 (W/m.độ)

Bảng VII.7/313 [5]

 Chọn bề dày thành ống là: = 2,0 mm

Tổng nhiệt trở của tường lag 6,541.10-4 (m2.độ/W)

b.Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:

Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ

số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:

4 1

rA04.2

r : Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa, J/kg

H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m

 Chọn H = 2 m

Với nước ngưng tụ giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

Công thức tính nhiệt độ màng tm: trang 29 [5]

c Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :

Giả sử chế độ sôi sủi bọt và quá trình là đối lưu tự nhiên, ta có:

435 0 2

565 0

dd n

dd n

dd n

P : Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, (N/m2)

∆t2 : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi, oC

∆t2 = tw2 – tsdd

dd , n : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và nước, W/m.độ , : khối lượng riêng của dung dịch và nước, kg/m3Cdd , Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch và nước, J/kg.độ

dd , n : độ nhớt dung dịch và hơi đốt, Ns/m2 Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể

q = q1 = q2 tw2 = tw1 – ∆tw

 Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:

-Đối với nồi II có ts2 = 83,2oC , x2= 60% khối lượng n ên phần mol X2 = 7,32%

Cp= 3058,07 (J/kgđộ)

ρ = 1288,73 kg/m3 (Trang 91/ 1 )

µdd.103 = 0,00497 Ns/m2 (Trang 91/I)  Khối lượng mol M2 = 41,7 kg/kmol λdd1 = 0,443 ( w/m.độ )

 Các thông số của nước

Bảng 8: Các số liệu tra cứu

%100.1

Bảng 12: Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi

Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:

Phân phối ti theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

Công thức chung: (o C) III-19/117 [2]





%5

%100)

t

t t t

QF

m im

K Q

t K

Bảng 14: Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F n





F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 F = 125 m2

l : chiều dài ống truyền nhiệt, l = 2 m

d : đường kính ống truyền nhiệt, m Chọn đường kính ống truyền nhiệt (bảng VI.6 [5])

dtr = dn - 2δv = 42 – 2.2,0 = 38 mm

Chọn kiểu bố trí ống truyền nhiệt hình lục giác đều

Do 1 > 2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

523,8 ốngXếp ống theo hình lục giác đều (bảng 3.6, trang 237, tài liệu [1])

Tổng số ống: 547 ống

b Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:

Tổng tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt:

125

 d l

F n

4

2 2

4 t

th

f D

Đối với ống tuần hoàn trong phải chọn đường kính ống tuần hoàn lớn hơn khoảng 10lần đường kính ống truyền nhiệt của buồng đốt trang 291 [1]

.60sin4.0

n th

n o

l

d F

: hệ số, lấy β = 1,4

t : bước ống, m (t =1,2-1,5dn) chọn t = 0,0588 m

dn : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

 : hệ số sử dụng lưới đỡ ống (  chọn

l : Chiều dài ống truyền nhiệt, m => l =2 m

Dth : đường kính ống tuần hoàn trung tâm, m ; Dth = 0,4 m

Sin 600: do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành một tam giác đều có góc trang 122 [2]

F : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2

1,6 m

Chọn theo chuẩn đường kính buồng đốt Dt = 1,6 m trang 291 [1]

d Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:

Ta có: 4,94 ống

b: là số ống bị loại nằm trên đường kính ngoài của lục giác đều tính từ tâm, ống Chọn b = 9 ống

Suy ra số ống bị thay thế: n=3/4.( b 2 - 1) = 19 ống

Vậy số ống truyền nhiệt cần thiết: 594 ống

 Vậy số ống truyền nhiệt lúc này là 594 ống

e Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt:

Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt được chọn là 160 m2 và số ống truyền nhiệt là 594 ống

28,0

038,012560sin4,14,

0,41

1

t

D b b

t

)(m.159,19)

0,4038,0(2)



9

,07,

0 





594

h b

h h

D

W4D

4

WF

h(Ns/m2)

h

o(m/s) Ghi chú

W : Lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

h : Khối lượng riêng hơi thứ, kg/m3.

Up : Cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khác 1 at, m3/m3h





3

)'(

(m/s)

6 0

Re

5.18

U

W V





2 b

b b

D

V4H





TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ

V.1 Tính bền cho thân:

1.3 Chiều dày buồng đốt:

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3

Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức :

2

m C P

P D

Dt : đường kính trong của buồng đốt (m), Dt =1,4 (m)

(Theo bảng XIII.8, [2]/ 362)

C : hệ số bổ sung do ăn mòn (m)

C=C1+C2+C3

C1: bổ sung do ăn mòn (chọn 1mm)

C2: bổ sung do hao mòn, (bỏ qua)

C3: bổ sung do dung sai, (phụ thuộc vào tấm vật liệu)

P: áp suất trong thiết bị (at) P=Phd

 

 

k k

k c k

c

n n

.(

2

)

t

C S

P C S

Vì buồng đốt nồi 2 làm việc ở áp suất thấp hơn buồng đốt nồi 1 nên chiều dày buồng đốt nồi 2 bé hơn chiều dày buồng đốt nồi 1.

Vậy ta chọn chiều dày buồng đốt cho cả hai nồi nồi là 4mm

1.4 Chiều dày đáy buồng đốt:

Chọn đáy nón để tháo liệu tốt và vật liệu làm đáy là thép không gỉ X18H10T.

Rt