Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm

Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn, là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Axit axetic – Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư Cơng nghệ Thực phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp nước -acid acetic tháp mâm chóp với suất nhập liệu: 1900kg/h, nồng độ ban đầu 27% khối lượng acid nồng độ sản phẩm đáy 82% khối lượng acid Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Baùo caùo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường CHƯƠNG : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Khái niệm: Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất đặc khơng khác nhau, nhiên hai q trình có ranh giới q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước  Sản phẩm đáy chủ yếu axit axetic Các phương pháp chưng cất: 2.1 - Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao 2.2 - Phân loại theo áp suất làm việc: Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản Chưng nước trực tiếp Chưng cất 2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: -Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí qua ống chảy chuyền có hình trịn -Tháp mâm xun lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp:  Ưu điểm Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ chất lỏng Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn - Do có hiệu ứng thành → hiệu - Kết cấu phức tạp suất truyền khối thấp - Độ ổn định không cao, khó vận hành Nhược - Do có hiệu ứng thành → điểm tăng suất hiệu ứng thành tăng → khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC – NƯỚC Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm II GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU : Axit axetic: 1.1 Tính chất: Axit axetic nóng chảy 16,6 oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp nước với tỷ lệ Trong q trình hỗn hợp với nước có co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 1,0553 axit khiết) Người ta suy hàm lượng axit axetic nước từ tỷ trọng nó, ngoại trừ hàm lượng 43% Tính ăn mịn kim loại:  Axit axetic ăn mịn sắt  Nhơm bị ăn mịn axit lỏng, đề kháng tốt axit axetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mịn axit axetic với diện khơng khí  Thiếc số loại thép nikel – crom đề kháng tốt axit axetic Axit axetic khiết gọi axit glaxial dễ dàng đơng đặc kết tinh nước đá 17oC, điều chế chủ yếu oxy hóa andehit axetic Không màu sắc, vị chua, tan nước cồn etylic 1.2 Điều chế: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit axetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80 oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế axit axetic kết tinh Cobanaxetatở80o C         → CH3CHO + ½ O2 3) Tổng hợp từ cồn metylic Cacbon oxit CH3COOH Hiệu suất đạt 50 – 60% so với lý thuyết cách cố định cacbon oxit cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO → CH3COOH với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại hóa trị (chẳng hạn sắt, coban) 1.3 Ứng dụng: Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Axit axetic loại axit quan trọng loại axit hữu Axit axetic ứng dụng nhiều loại axit hữu rẻ tiền Nó dùng để chế tạo nhiều hợp chất ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu axit axetic là: Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic) Làm đông đặc nhựa mủ cao su Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh khơng nhạy lửa Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant nghề nhuộm) Phần lớn ester axetat dung mơi, thí dụ: izoamyl axetat hịa tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước:        Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác Tính chất vật lý:  Khối lượng phân tử : 18 g / mol  Khối lượng riêng d40 c : g / ml  Nhiệt độ nóng chảy : 00C  Nhiệt độ sơi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Hỗn hợp Acid acetic – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Acid acetic Nước 760 mmHg: x(%phân mol) y(%phân mol) t(0C) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Hình12: Giản đồ x - y hệ Axit axetic - Nước Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Hình 2: Giản đồ T – x,y hệ Axit axetic–Nước CHƯƠNG : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Bẩy Nhiệt kế Áp kế Tháp chưng cất 10 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 12 Thiết bị đun sôi đáy tháp 13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 14 Bồn chứa sản phẩm đáy Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 270C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5), đưa vào tháp chưng cất (9) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao axit axetic ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 94% phần khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (10) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ axit axetic 82% phần khối lượng, lại nước Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), làm nguội đến 40 0C, đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh nước thải bỏ, sản phẩm đáy axit axetic giữ lại Trang SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường 10 K hí khô ng ngưng P Nướ c ng Nướ c lạnh Sả n phẩ m đỉ nh T Dò ng hồ i lưu 11 x =95,5 % T Hơi đố t P =2,5at T P Nướ c ngưng 12 Hơi đố t P =2,5at Sả n phẩ m đá y Nu ?c Nướ c ngưng 14 x =70% t° =40°C Nu ?c x =92% t° =27°C 13 14 13 12 11 10 B?n ch? a s?n ph?m dá y Thiế t bịlà m nguộ i sả n phẩ m đá y Thiế t bịđun sô i đá y thá p B?n ch? a s?n ph?m d?nh Thiế t bịngưng tụsả n phẩ m đỉ nh Thá p chưng cấ t Á p kế Nhiệ t kế Bẫ y Thiế t bịđun sô i dò ng nhậ p liệ u L ưu lượng kế Bồ n cao vị Bơm Bồ n a nguyê n liệ u TÊ N GỌI STT 1 1 1 2 ĐẶ C TÍ NH KY Õ THUẬ T SL VẬ T L IỆ U Trườ ng Đại học Bá ch Khoa Tp HồChí Minh Khoa Cô ng nghệHó a học BỘMÔ N MÁ Y VÀ THIẾ T BỊ Đồá n mô n học : Quátrình vàThiế t bị THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG CHƯNG CẤ T AXIT AXETIC - NƯỚ C DÙ NG THÁ P MÂ M CHÓ P SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất SV TH Mai Th?Ng?c H ? GVHD Hoà ng Minh Nam CNBM VũBáMinh Chứ c nă ng Họtê n Tỉ lệ QUY TRÌNH CÔ NG NGHỆ Chữký Bả n vẽsố 1/2 Ngà y HT 10/10/08 Ngà y BV 27/12/08 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Khi chưng cất dung dịch axit axetic cấu tử dễ bay nước Axit axetic: CH 3COOH ⇒ M A = 60(g/ mol)  : H 2O ⇒ M N = 18(g/ mol) Nước Hỗn hợp:  Năng suất nhập liệu: GF = 1900 (kg/h)  Nồng độ nhập liệu: xF = 73% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 18% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 260C  Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi với thiết bị đun sôi đáy tháp :  Áp suất đốt : Ph = 2,5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :  Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 210C  Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 380C  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 420C Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :  Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 260C  Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 680C  Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 94% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Các ký hiệu:  GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h  GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h  GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h  xi,xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC 2.1 X ác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy: G F = G D + GW  G F x F = G D x D + GW xW Ta c ó:  1900=GD+ GW  GD=1375 (kg/h) 1900.0.73=GD 0.94+GW 0.18 SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất GW=525 (kg/h) 10 Baùo caùo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường x − xF 0,73 − 0,73 = F + = + ρF ρ N ρA 981,418 1000,205 Nên: ⇒ ρF = 986,42 (kg/m3) Độ nhớt nước: µN = 4,4624.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt axit: µA = 6,769.10-4 (N.s/m2)  Nên: lgµF = xFlgµN + (1 – xF)lgµA = 0,900123.lg(4,4624.10-4) + (10,900123).lg(6,769.10-4) ⇒ µF = 4,652.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: λN = 0,66164 (W/mK)  Hệ số dẫn nhiệt axit: λA = 0,1629 (W/mK)  Nên: λF = λN.xF + λA.(1 - xF) – 0,72 xF.(1 - xF)(λN - λA) = 0,456 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4183 (J/kgK)  Nhiệt dung riêng nước: cA = 2224,985 (J/kgK)  Nên: cF = cN xF + cA (1 - xF ) = 3654,336(J/kgK) PrF = Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: Vận tốc dòng nhập liệu ống: 4GF × 1900 vF = = 3600ρπdtr 3600 × 986,42 × π × 0,0322 cF µ F λF = 3,728 = 0,6653 (m/s) Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,6653 × 0,032 × 986,42 Re F = F tr F = µF 4,652.10− = 45142,922 > 104 : chế độ chảy rối Áp dụng công thức (3.27), trang 110, [5] ⇒ công thức xác định chuẩn số Nusselt: NuF = 0,021.ε l Re Pr 0,8 F 0,43 F  Pr   F   Prw2  0,25 Trong đó: ε1 – hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống Tra bảng 3.1, trang 110, [5] ⇒ chọn ε1 = Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống trong: αF = NuF λ F dtr = 3.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu : SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 70 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm qt = tw1 − tw2 Σrt GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường , (W/m2) Trong đó:  tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt, oC  tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu, oC Σrt = δt + r1 + r2 λt  Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m)  Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,3 (W/mK)  Nhiệt trở lớp cáu ống: r1 = 1/5800 (m2.K/W)  Nhiệt trở lớp cáu ngồi ống: r2 =1/5800 (m2.K/W) Nên: ∑rt = 5,289.10-4 (m2.K/W) 3.3 Xác định hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ngồi ống : Kích thước ống ngồi:  Đường kính ngồi: Dn = 57 (mm) = 0,057 (m)  Bề dày ống: δt = 3,5 (mm) = 0,0035 (m)  Đường kính trong: Dtr = 0,05 (m) rn ρ n2 λ3n α n = 0,7254 µ n (t n - t W1 ).(D tr − d ng ) Áp dụng công thức (3.65), trang 120, [5]: Dùng phép lặp: chọn tW1 = 119,5 (oC) Nhiệt độ trung bình màng nước ngưng tụ: tm = ½ (tn + tW1) = 122,875 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước: ρn = 940,71375 (kg/m3)  Độ nhớt nước: µn = 2,315375.10-4 (N.s/m2)  Hệ số dẫn nhiệt nước: λn = 0,686 (W/mK)  Nên: αn = 9797,5951 (W/m2K) ⇒ qn = αn (tn – tW1) = 66133,76693 (W/m2) ⇒ qt = qn = 66133,76693 (W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) ⇒ tw2 = tw1 - qtΣrt = 84,5 (oC) Tại nhiệt độ thì: Độ nhớt nước: µN = 3,334.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt axit: µA = 5,375.10-4 (N.s/m2)  Nên: lgµW2 = xFlgµN + (1 – xF)lgµA = 0,900123.lg(3,334.10-4) + (1-0,900123).lg(5,375.10-4) ⇒ µW2 = 3,4969.10-4 (N.s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước: λN = 0,6774 (W/mK)  SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 71 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Hệ số dẫn nhiệt axit: λA = 0,16275 (W/mK) Nên: λW2 = λN.xF + λA.(1 - F) – 0,72 xF.(1 - xF)(λN - λA) = 0,53844 (W/mK) Nhiệt dung riêng nước: cN = 4202,2 (J/kgK)  Nhiệt dung riêng nước: cA = 2341,65 (J/kgK)   Nên: cW2 = cN xF + cA (1 - xF ) = 3699,8515 (J/kgK) PrW2 = Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [2]: ⇒αF = 3112,6163(W/m2K) ⇒ qF =αF (tW2 - tF) = 65987,4656 (W/m2) cW2µ W2 λ W2 = 2,4029 Kiểm tra sai số: qn − qF qn ε= 100% = 0,22% < 5% (thỏa) o Kết luận: tw1 = 119,5 C tw2 = 85,2 oC 3.4 Xác định hệ số truyền nhiệt : Bề mặt truyền nhiệt Cấu tạo thiết bị : Chiều dài ống truyền nhiệt: L = F d + dtr nπ n = 15,27 (m) ⇒ chọn L = 16 (m) L 16 = d tr 0,032 Kiểm tra: = 500 > 50 ⇒ εl = 1: thỏa Kết luận: Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 16 (m), chia thành dãy, dãy m BỒN CAO VỊ : SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 72 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Tổn thất đường ống dẫn: Chọn ống dẫn có đường kính dtr = 80 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổn thất đường ống dẫn:  l  v h1 =  λ 1 + Σξ1  F  d1  2g (m) Trong đó:  λ1 : hệ số ma sát đường ống  l1 : chiều dài đường ống dẫn, chọn l1 = 30(m)  d1 : đường kính ống dẫn, d1 = dtr = 0,08(m)  ∑ξ1 : tổng hệ số tổn thất cục  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn 1.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu ống dẫn : Các tính chất lý học dịng nhập liệu tra nhiệt độ trung bình: t FV + t FS tF = = (100,599+26)/2=63,2995 (oC) Tại nhiệt độ thì: Khối lượng riêng nước: ρN = 981,41827 (kg/m3)  Khối lượng riêng axit: ρA = 1000,205575 (kg/m3)  x − xF 0,73 − 0,73 = F + = + ρF ρN ρA 981,41827 1000,205575 Nên: Độ nhớt nước: µN = 4,4624.10-4 (N.s/m2)  Độ nhớt axit: µA = 6,769.10-4 (N.s/m2)  Nên: lgµF = xFlgµN + (1 – xF)lgµA ⇒ µF = 4,652.10-4 (N.s/m2) Vận tốc dòng nhập liệu ống: 4G F × 1900 vF = = 3600ρ F πd tr 3600 × 986,421× π × 0,08 ⇒ ρF = 986,421 (kg/m3) = 0,10644 (m/s) 1.2 Xác định hệ số ma sát đường ống : Chuẩn số Reynolds : SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 73 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm Re F = GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường v F d tr ρ F 0,10644 × 0,08 × 986,421 = µF 4,652.10 −4 = 18055,83 > 4000 : chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds tới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 5648,5125 (Công thức II.60/378, [1]) Chuẩn số Renoylds bắt đầu xuất vùng nhám: =186097,34 (công thức II.62, trang 379, [1]) Vì Regh 4000: chế độ chảy rối Độ nhám: ε = 0,0002 Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 1982,191 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d1/ε)9/8 = 66383,120 Vì Regh < Re1 < Ren ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]:  ε 100  0,1.1,46 + d2 Re2   0,25 λ2 = = 0,0326 2.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục :  Chữ U : Tra bảng 9.5, trang 94, [7]: ξU2 (1 chỗ) = 2,2 Đường ống có (4 – 1) = chữ U ⇒ ξU2 = 2,2 = 6,6  Đột thu : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Fo 0,0322 = F1 0,082 Khi = 0,160 ξđột thu (1chỗ) = 0,458 Có chỗ đột thu ⇒ ξđột thu = 0,458  Đột mở : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Fo 0,0322 = F1 0,082 Khi = 0,160 ξđột mở (1chỗ) = 0,708 Có chỗ đột mở ⇒ ξđột mở = 0,708 Nên: ∑ξ2 = ξU2 + ξđôt thu + ξđột mở = 7,766 Vậy: 16   0,66532 h2 =  0,0326 + 7,766  0,032   × 9,81 SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất = 0,543 (m) 75 V Baùo caùo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Chiều cao bồn cao vị: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thống chất lỏng bồn cao vị  Mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp p dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): z1 + P1 ρ F g v1 g + = z2 + P2 ρ F g v2 g + +∑hf1-2 P2 − P1 v2 − v + ρ F g 2.g ⇔ z1 = z + +∑hf1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1  z2: độ cao mặt thống (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu: z2 = hchân đỡ + hđáy + (nttC + 1)(∆h+ + 0,1 = 0,35 + 0,462 + (12 + 1).(0,5+0,004) + 0,1 = 7,464 (m)  P1 : áp suất mặt thoáng (1-1), chọn P1 = at = 106 (N/m2)  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2) Xem ∆P = P2 – P1 = = 956,226 9,81 18 70,7.10-3= 11937,72 (N/m2)  v1 : vận tốc mặt thống (1-1), xem v1 = (m/s)  v2 : vận tốc vị trí nhập liệu, v2 = vF = 0,10644 (m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2): ∑hf1-2 = h1 + h2 = 0,7366 (m) Vậy: Chiều cao bồn cao vị: Hcv = z2 + P2 − P1 v2 − v1 + ρ F g 2.g = 7,464+ Chọn Hcv = 10 (m) +∑hf1-2 11937,72 0,106442 − + 986,421× 9,81 × 9,81 + 0,7366 = 9,4348 (m) BƠM : Năng suất: Nhiệt độ dòng nhập liệu tF = 26oC SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 76 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường ρhh = 1008,067 (kg/m3) Độ nhớt nước: µN = 0,8737.10-3 (N.s/m2)  Độ nhớt axit: µA = 1,108.10-3 (N.s/m2)  Nên: lgµF = xFlgµN + (1 – xF)lgµA 8,9468.10-4 (N.s/m2) Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống: G 1900 QF = F = ρ F 1008,067 = 1,88367 (m3/h) Vậy: chọn bơm có suất Qb = 1,9 (m3/h) Cột áp: Chọn :  Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu  Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) (2-2): P1 ρ F g v1 2.g P2 ρ F g v2 2.g z1 + + + Hb = z2 + + +∑hf1-2 Trong đó:  z1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, chọn z1 = 1m  z2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, z2 = Hcv = 10m  P1 : áp suất mặt thố\oáng (1-1), chọn P1 = at  P2 : áp suất mặt thoáng (2-2), chọn P2 = at  v1,v2 : vận tốc mặt thoáng (1-1) và(2-2), xem v1= v2 = (m/s)  ∑hf1-2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm 2.1 Tính tổng trở lực ống: Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: dtr = 50 (mm) Tra bảng II.15, trang 381, [1] ⇒ Độ nhám ống: ε = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít) Tổng trở lực ống hút ống đẩy  l h + lñ  v  λ + Σξ h + Σξ ñ  F dtr   2g ∑hf1-2 = Trong đó:  lh : chiều dài ống hút Chiều cao hút bơm: SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 77 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường Tra bảng II.34, trang 441, [1] ⇒ hh = 4,4 (m) lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 11 (m)  ∑ξh : tổng tổn thất cục ống hút  ∑ξđ : tổng tổn thất cục ống đẩy  λ : hệ số ma sát ống hút ống đẩy  vF : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) vF = 4Qb × 1,9 = 3600πdtr 3600 × π × 0,052 = 0,268795 (m/s)  Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy : Chuẩn số Reynolds : v d ρ 0,268795 × 0,05 × 1008,067 Re F = F tr F = µF 8,9468.10- = 14143,03 Vì ReF > 4000 ⇒ chế độ chảy độ Chuẩn số Reynolds giới hạn: Regh = 6(d1/ε)8/7 = 3301,065 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: Ren = 220(d1/ε)9/8 = 109674,38 Vì Regh < Re1 < Ren ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực độ Áp dụng công thức (II.64), trang 379, [1]: λ2 =  ε 100   0,1.1,46 + d Re F   0, 25 = 0,0337  Xác định tổng tổn thất cục ống hút :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu1 (1 chỗ) = 0,15 Ống hút có chỗ uốn ⇒ ξu1 = 0,15 = 0,3  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [7]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv1 (1 cái) = 10 Ống hút có van cầu ⇒ ξv1 = 10 Nên: ∑ξh = ξu1 + ξv1 = 10,3 SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 78 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường  Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy :  Chỗ uốn cong : Tra bảng II.16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = ξu2 (1 chỗ) = 0,15 Ống đẩy có chỗ uốn ⇒ ξu2 = 0,15 = 0,6  Van : Tra bảng 9.5, trang 94, [7]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn ξv2 (1 cái) = 10 Ống đẩy có van cầu ⇒ ξv2 = 10  Vào bồn cao vị : ξcv = Nên: ∑ξđ = ξu1 + ξv1 + ξcv = 11,6 Vậy: ∑hf1-2 = 2.2 4,4 + 11   0,268795 + 10,3 + 11,6   0,0337 0,05   × 9,81 =0,11887 (m) Tính cột áp bơm: Hb = (z2 – z1) + ∑hf1-2 = (10 – 1) + 0,11887 = 9,11887 (m) Công suất: Chọn hiệu suất bơm: ηb = 0,8 Qb H b ρ F g 1,9 × 9,11887 × 1008,067 × 9,81 = 3600.η b 3600 × 0,8 Công suất thực tế bơm: Nb = = 59,49 (W) = 0,079777 (Hp) Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 1,9 (m3/h) - Cột áp: Hb = 9,11887 (m) - Công suất: Nb = 0,079777 (Hp) SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 79 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường TÍNH KINH TẾ  Lượng thép X18H10T cần dùng: M1 = mmâm + mthân + mđáy + mnắp = 1778,17 + 6960,12 + 360,57 + 422,18 = 9521,04 (kg)  Lượng thép CT3 cần dùng: M2 = Mchóp + Mốnghơi + Mgờ + Mbíchthân + Mbich.ốngdẫn + Mong cc = 2922,16 (kg)  Số bulông cần dùng: (M10 x 50) n = 24 + 4= 128 (cái)  Chiều dài ống 38 x mm: L1 = 37.16 + 0,09 + 331.5 + 27+24 = 2298,09 (m)  Chiều dài ống 57 x 3,5 mm:/ L2 = 24 + 27 + + = 65 (m)  Chiều dài ống 89 x 4,5 mm: L3 = 30 + 0,111.3 = 30,333 (m)  Chiều dài ống 273 x 11,5 mm: L4 = 0,14 m  Bơm ly tâm: chọn bơm ly tâm ⇒ Nb = 0,079777 = 0,159554 (Hp)  Vật liệu cách nhiệt: (cách nhiệt cách tường dày 8mm, quy cách: 1,55m x 30m) S = π(Dt + Sthân + δa)H = π(1,8+ 0,0095+0,007).16,4=93,59 (m2)  Cút inox 38 x mm: n = 2.2+3.2= 10 (cái)  Cút inox 57 x 3,5 mm: n = 2.2=4 (cái) Vật liệu Số lượng Thép X18H10T SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 9521,04 Đơn giá 50.000 (đ/kg) Thành tiền (đ) 476.052.000 80 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm Thép CT3 Bulông (kg) 2922,16 (kg) 128 (cái) Vật liệu cách nhiệt 93,59 (m2) Ống dẫn 38 x 2298,09 3mm (m) Ống dẫn 57 x 3,5 mm 65 (m) Ống dẫn 89 x 4,5 30,333 mm (m) Ống dẫn 273 x 11,5 0,14 (m) 0,1595 Bơm ly tâm (Hp) Áp kế tự động (cái) Nhiệt kế điện trở tự ghi (cái) Lưu lượng kế (≥ 50mm) (cái) Van cầu (cái) Tổng chi phí vật tư GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường 100.000 (đ/kg) 1.084 (đ/cái) 1.546.000đ x 11 (cuộn) 292.216.000 138.752 50.000 (đ/m) 114.904.500 100.000 (đ/m) 6.500.000 100.000 (đ/m) 3.033.300 100.000 (đ/m) 14.000 3.000.000 (đ/Hp) 8.500.000 (đ/cái) 478.662 8.500.000 200.000 (đ/cái) 600.000 7.460.000 (đ/cái) 6.717.000(đ/cái) 14.920.000 40.302.000 974.665.214 17.006.000 Vậy tổng chi phí vật tư 974.665.000 triệu đồng Xem tiền công chế tạo 50% tiền vật tư Vậy: tổng chi phí 1.461.997.500 triệu đồng SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 81 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường LỜI KẾT Với hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic dùng tháp chóp thiết kế, ta thấy bên cạnh ưu điểm có nhiều nhược điểm Thiết bị có ưu điểm suất hiệu suất cao, hoạt động ổn định thiết bị cồng kềnh, đòi hỏi phải có vận hành với độ xác cao, tiêu tốn nhiều vật tư Bên cạnh đó, vận hành thiết bị ta phải ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 82 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Bin, Đ v Đài, L T Hùng, Đ V Huỳnh, N T Khuông, P V Thơm, P X Toản T Xoa, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập 1, Hà Nội: Khoa học kỹ thuật, 2005 [2] N Bin, Đ V Đài , L T Hùng, Đ V Huỳnh, N T Khuông, P V Thơm, P X Toản T Xoa, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập 2, Hà Nội: Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] V V Bang V B Minh, Quá trình thiết bị cơng nghệ hố học thực phẩm tập 3, HCM: Đại học Bách khoa TPHCM, 2004 [4] H L Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hố chất dầu khí, Hà Nội: Khoa học kỹ thuật, 2006 [5] P V Bôn, V B Minh H M Nam, Quá trình thiết bị cơng nghệ hố học tập 10, HCM: Đại học Quốc gia TPHCM, 2009 [6] P V Bôn N Đ Thọ, Giáo trình trình thiết bị cơng nghệ hố học tập 5, HCM: Đại học Quốc gia TPHCM, 1992 [7] T H Dũng, N V Lục, H M Nam V B Minh, Quá trình thiết bị cơng nghệ hố học tập 2, HCM: Đại học Quốc gia TPHCM, 1997 SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất 83 Báo cáo thực tập QT&TB Nhận xét GVHD Đồ án mơn học Kỹ thuật thực phẩm SVTH: Lê Thị Kim Khánh Nguyễn Thanh Chất GVHD: Huỳnh Lê Huy Cường 84