untitled http //www ebook edu vn COÂ ÑAËC MÍA ÑÖÔØNG Trang 1 GIÔÙI THIEÄU CHUNG VEÀ COÂ ÑAËC MÍA ÑÖÔØNG Ngaønh coâng nghieäp mía ñöôøng laø moät ngaønh coâng nghieäp laâu ñôøi ôû nöôùc ta Do nhu caàu[.]
CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG Ngành công nghiệp mía đường ngành công nghiệp lâu đời nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta mà lò đường với quy mô nhỏ nhiều địa phương thiết lập nhằm đáp nhu cầu Tuy nhiên, hoạt động sản xuất cách đơn lẻ, suất thấp, ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với gây khó khăn cho việc phát triển cộng nghiệp đường mía Trong năm qua, số tỉnh thành nước ta, ngành công nghiệp mía đường có bước nhảy vọt lớn Diện tích mía tăng lên cách nhanh chóng, mía đường ngành đơn lẻ mà trở thành hệ thống liên hiệp ngành có quan hệ chặt chẽ với Mía đường vừa tạo sản phẩm đường làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo phế liệu nguyên liệu quý với giá rẻ cho ngành sản xuất rượu… Trong tương lai, khả phát triển có quan tâm đầu tư tốt cho mía với nâng cao khả chế biến tiêu thụ sản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên mía, độ đường giảm nhiều nhanh chóng thu hoạch trễ vàkhông chế biến kịp thời Vì tính quan trọng việc chế biến, vấn đề quan trọng đặt hiệu sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên hoà, … với phát triển ạt diện tích mía, khả đáp ứng khó Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, cạnh tranh nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ ảnh hưởng mạnh đến trình sản xuất Vì tất lý trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu trình cần thiết cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc yếu tố quan trọng không hệ thống sản xuất thành phần xem thường Một vài số liệu sản lượng đường giới (đơn vị tính: 1000 tấn): Năm 1945- 19521965- 1977- 1978- 1979- 1980- 19811946 1953 1966 1978 1979 1980 1981 1982 Sản 19934 35486 63097 92280 91858 88920 91000 97900 lượng I Nguyên liệu sản phẩm trình cô đặc mía đường: Đặc điểm nguyên liệu: Nguyên liệu cô đặc dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước Trang Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng thấp (xem không có) chiếm chủ yếu đường saccaroze Các cấu tử xem không bay trình cô đặc Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay Tuy nhiên, trước cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng Đặc điểm sản phẩm: Sản phẩm dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước Các chất hoà tan: có nồng độ cao Biến đổi nguyên liệu sản phẩm trình cô đặc: Trong trình cô đặc, tính chất nguyên liệu 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 nồng độ, nhiệt độ sôi b Biến đổi tính chất hoá học: Thay đổi pH môi trường: thường giảm pH phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) cấu tử tạo thành acid Đóng cặn dơ: dung dịch chứa số muối Ca2+ hoà tan nồng độ cao, phân hủy muối hữu tạo kết tủa Phân hủy chất cô đặc Tăng màu caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ sản phẩm phân hủy amino acid Phân hủy số vitamin c Biến đổi sinh học: Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao) Hạn chế khả hoạt động vi sinh vật nồng độ cao Yêu cầu chất lượng sản phẩm giá trị sinh hóa: Thực chế độ nghiêm ngặt để: Đảm bảo cấu tử quý sản phẩm có mùi, vị đặc trưng giữ nguyên Đạt nồng độ độ tinh khiết yêu cầu Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi II Cô đặc trình cô đặc: Định nghóa: Trang CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc dung dịch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng có chênh lệch nhiệt sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dể bay hơn) Đó trình vật lý - hóa lý Các phương pháp cô đặc: Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung môi để tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thoáng mà trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến máy lạnh Bản chất cô đặc nhiệt: Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành (trạng thái tự do) tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phần tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi cô đặc Tách không khí lắng keo (protit) đun sơ ngăn chặn tạo bọt cô đặc Ứng dụng cô đặc: Dùng sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính,các dung dịch nước trái cây… Dùng sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô … Đánh giá khả phát triển cô đặc: Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó đòi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc III Các thiết bị cô đặc nhiệt: Phân loại ứng dụng: a Theo cấu tạo: Trang Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi COÂ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm: Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), có ống tuần hoàn Có buồng đốt ( không đồng trục buồng bốc) Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Gồm: Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng,chảy lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm dung dịch nước trái cây,hoa ép…Gồm: Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt bọt dễ vỡ b Theo phương pháp thực trình: Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt không cao Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, tạo cặn, bay nước liên tục Cô đặc nhiều nồi: Mục đích tiết kiệm đốt Số nồi không nên lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp Đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: Cho kết tốt cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, chưa có cảm biến tin cậy IV Các thiết bị chi tiết cô đặc: Thiết bị chính: Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp… Ống: đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng… Thiết bị phụ: Bồn cao vị, lưu lượng kế Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không Trang CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ Baromet Các loại van Thiết bị đo I CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ : Qui trình công nghệ : Lý chọn 2.Nguyên tắc hoạt động hệ thống cô đặc: Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt gia nhiệt đến nhiệt độ sôi vào thiết bị cô đặc thực trình bốc Dung dịch sau cô đặc bơm phía thiết bị cô đặc vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ khí không ngưng phía thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy bồn chứa, phần không ngưng qua phận tách giọt để khí không ngưng bơm chân không hút Nguyên lý làm việc nồi cô đặc : phần thiết bị buồng đốt gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống, đốt khoảng không gian phía ống Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm : ống tuần hoàn có đường kính lớn nhiều so với ống truyền nhiệt hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sôi so với dung dịch ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch có ρds = 0.5 ρdd tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết tạo dòng chuyển động tuần hoàn thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có hiệu dung dịch nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt Phần phía thiết bị buồng bốc để tách khỏi dung dịch, buồng bốc có phận tách bọt để tách giọt lỏng khỏi thứ *** Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt áp suất at Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy phần khí không ngưng xả theo cửa xả khí không ngưng Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, Toàn hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc ) làm việc điều kiện chân không bơm chân không tạo dung dịch đường bơm theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm Đóng van Tắt bơm Trang Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG I Dữ kiện ban đầu: Dung dịch đường mía Nồng độ đầu xđ = %, nhiệt độ đầu nguyên liệu tđ = 30oC Nồng độ cuối xc = 15% Năng suất Gc = 2000 kg/h Gia nhiệt nước bão hoà áp suất đốt at p suất thiết bị ngưng tụ: P = 0,2 at II Cân vật chất: Suất lượng nhập liệu (Gđ): Theo công thức 5.16, QT TBTN T5, tr184: Gđ*xđ = Gc*xc ⎛ xc ⎞ ⎛ 15 ⎞ ⎟ = 2000* ⎜ ⎟ = 3750 kg/h ⎝ xñ ⎠ ⎝ 8⎠ G ñ = G c* ⎜ Tổng lượng thứ bốc lên (W): Theo công thức 5.17, QT TBTN T5, tr184: W = Gñ – Gc = 3750 - 2000 = 1750 kg/h Trong đó: Gc – suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /mẻ III Cân lượng: Cân nhiệt lượng: Nhiệt vào: - Do dung dịch đầu: Gđcđt’1 - Do đốt: Di’’D Nhiệt ra: - Hơi thứ mang ra: Wi’’W - Nước ngưng tụ: Dcθ - Sản phẩm mang ra: Gccct’’1 - Nhiệt cô đặc: Qcđ - Nhiệt tổn thất: Qtt Thành lập phương trình cân nhiệt: Gđcđt’1 + Di’’D = Wi’’W + Dcθ + Gccct’’1 ± Qcđ + Qtt Từ phương trình ta ruùt ra: W(i '' w − c c t '' ) G ñ c ñ (t ''1 − t ' ) ± Q cñ Q D= + + '' tt '' '' i D − cθ i D − cθ i D − cθ Trang CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn i’W – cct’1=2355,6 KJ/Kg ẩn nhiệt hoá hơi thứ với áp suất 0,21at Tra bảng 57, VD BT T10, trang 443 I’’D − θ c =2171KJ/Kg ẩn nhiệt ngưng tụ đốt áp suất 3at Tra bảng 57, VD BT T10, trang 443 Quá trình cô đặc mía đường có Qcđ=0 Đây trình cô đặc liên tục nên t’1=t’’1 Chọn tổn thất nhiệt 5% ta tính lượng đốt là: 1750.2355,6 + 0,05D D= 2171 hay D=1998,7 Kg/h Lượng đốt tiêu tốn riêng: Theo công thức 4.5a, VD BT T10, trang 182: m= D 1998,7 = = 1,142 ( kg đốt / kg thứ ) W 1750 Trong đó: D - lượng đốt dùng cô đặc, D = 1998,7 kg/h - lượng thứ thoát cô đặc, W = 1750 kg/h Chế độ nhiệt độ: p suất buồng đốt áp suất bão hoà at.Tra bảng 57, VD BT T10, trang 443: nhiệt độ đốt 132,9oC Gọi Δ ’’’ tổn thất nhiệt độ thứ đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo QT TBTN T5, tr184, chọn Δ’’’ = oK Nhiệt độ thứ buồng boác tsdm(Po): Tsdm(Po) - Tc =Δ ’’’ = 1K ⇒ Tsdm(Po) = Tc +1 = 59,7 +1 = 60,7 oC p suất thứ buồng bốc: Tra bảng 57, VD BT T10, trang 443: nhiệt độ thứ 60,7oC 0, 21 at Xác định nhiệt độ tổn thất : a Tổn thất nhiệt nồng độ tăng (Δ’): Theo công thức 5.3, QT TBTN T5, tr174: Δ’ = Δ’o f Ở : Δo’ - tổn thất nhiệt độ áp suất khí Tra từ đồ thị f - hệ số hiệu chỉnh khác áp suất khí quyển, tính: (273 + t ' i ) f = 16.2 ri t’i : nhiệt độ thứ nồi thứ I Trang Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn ri : ẩn nhiệt hoá hơi nhiệt độ t’i b Tổn thất nhiệt áp suất thuỷ tónh (Δ’’ ): Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến ống ΔP (N/m2), ta có: ΔP = ρS.g.Hop N/m2 Trong đó: , kg/m3 ρs : khối lượng riêng dung dịch sôi ρs =0.5 ρdd ρdd : Khối lượng riêng dung dịch ,kg/m3 Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m Hop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].Ho Tra sổ tay ta có bảng sau: xC (%k.l) 15 Δ’o (0C ) 0.25 t’ ( C) 60.7 r.10-3 (j/kg ) 2355.6 Δ’ ( C) 0.19 Coi ρdd nồi thay đổi không đáng kể khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung bình chất lỏng Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho= m Hop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].Ho=[0.26+0.0014(1061-983)]*1.5=0.554 ,m Áp suất trung bình: Ptb= P’+ΔP=0.21+0,5.0,5.1061.10-4.0.554=0.225 at Tra sổ tay Ptb=0.225 (at) ta coù t”1=61.92 0C Suy : Δ”=61.92– 60.7 =1.22 0C Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δti1=TD – (Tc+ΣΔ) =132.9 – (59.7+0.19+1.22+1)=70.79 0C Trang CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: Nhiệt tải riêng phía ngưng (q1): Theo công thức (V.101), sổ tay taäp 2, trang 28: ⎛ r ⎞ α = 2,04 * A * ⎜ ⎟ ⎝ H * Δt ⎠ , 25 ⇒ q1 = α * Δt1 (1) Trong đó: r - ẩn nhiệt ngưng tụ nước áp suất đốt at Tra bảng 57, VD BT tập 10, trang 447: r = 2171.103 J/kg H - chieàu cao ống truyền nhiệt, H = 1.5 m A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2 A tra sổ tay tập 2, trang 28 với tD, tv1: nhiệt độ đốt vách phía ngưng α1 - hệ số cấp nhiệt phía ngưng, W/m2K Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2): Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71: ⎛ λ dd ⎞ α2 = αn * ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ λn ⎠ 0,565 ⎡⎛ ρ ⎞2 ⎛ C ⎞ ⎛ μ ⎞⎤ * ⎢⎜⎜ dd ⎟⎟ * ⎜⎜ dd ⎟⎟ * ⎜⎜ n ⎟⎟⎥ ⎢⎣⎝ ρn ⎠ ⎝ Cn ⎠ ⎝ μdd ⎠⎥⎦ 0,435 W / m2 K (2) Trong đó: αn -hệ số cấp nhiệt nước cô đặc theo nồng độ dung dịch trang 26 STT2 αn = 0.145 p0,5 Δt2,33 Cdd - nhiệt dung riêng dung dịch Cn - nhiệt dung riêng nước Trang Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG http://www.ebook.edu.vn μdd - độ nhớt dung dịch μn - độ nhớt nước ρ dd - khối lượng riêng dung dịch ρn - khối lượng riêng nước λdd - độ dẫn điện dung dịch λn - độ dẫn điện nước Nồng độ ρn ρ dd μdd μn Cdd 15% 983 1061 0.514 0.464 3886.4 Ghi chú: Các thông số dung dịch: Cdd = 4190 – ( 2514 –7,52*t )*x, J/kg.K μdd: Tra bảng 1.112 trang 114 sổ tay tập ρ dd: tra bảng I.86 sổ tay tập trang 58 λdd: theo công thức ( I.32 ) sổ tay tập trang 123: λ dd = , 58 10 − * ρ dd * ρ dd M Cn λdd λn 4190 0.371 0.664 , W / mK dd Các thông số nước tra bảng 39 trang 427 bảng 57 trang 447 sổ tay tập Nhiệt tải riêng phía tường (qv): Theo BT VD taäp 10: qv = tv − t v ⇒ Δtv = tv1 -tv2 = Σrv*qv = 0,75.10-3* qv (3) ∑ rv Trong đó: Σrv - tổng trở vaùch Σrv = r1 + δ/λ + r2 = ( 0,464 + 2/17,5 + 0,172 )*10-3 = 0,75.10-3 W/m2K Trong đó: r1 - nhiệt trở màng nước, r1 = 0,464.10-3 m2 oK / W r2 - nhiệt trở lớp cặn, r2 = 0,172.10-3 m2 oK / W Tra bảng 31 trang 419 VD&BT T10 δ - bề dày ống, δ = mm λ - hệ số dẫn nhiệt ống, λ = 17,5 m2 oK / W (với ống thép không gỉ ) Tra bảng 28 Vd&BT T10 Δtv: chênh lệch nhiệt độ tường, Δtv = tv1 - tv2, oK Tiến trình tính nhiệt tải riêng: Trang 10