TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH- THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước dứa ba nồi ngược chiều với suất 500kg/h từ nồng độ 10 Bx lên 60 Bx Sinh viên thực hiện: Dương Diệu Linh MSSV: 20190346 Lớp: KTSH 02- K64 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phan Minh Thụy Hà Nội, 2022 h MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm nguyên liệu 1.2 Tổng quan q trình đặc .3 1.3 Thiết bị cô đặc dùng phương pháp cô đặc CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ 2.2 Sơ đồ thuyết minh quy trình cơng nghệ CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 11 3.1 Dữ liệu ban đầu: 11 3.2 Tính cân vật chất 11 3.3.Tính buồng đốt buồng bốc: .28 3.4 Tính đường kính ống dẫn hơi, dung dịch vào thiết bị .32 CHƯƠNG 4: TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ 34 4.1 Tính cho buồng đốt .34 4.2 Tính cho buồng bốc 36 4.3 Chọn bích, đệm, vỉ ống, tai treo kính quan sát 37 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 40 5.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 40 5.2 Bơm chân không 45 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 h LỜI NÓI ĐẦU Trong cơng nghiệp thực phẩm hóa chất, để nâng cao nồng độ dung dịch theo yêu cầu nhà sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến dùng nhiệt để làm bay dung mơi cịn chất rắn hịa tan khơng bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên theo yêu cầu mong muốn Thiết bị dùng chủ yếu thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm tuần hồn cưỡng bức, phịng đốt ngồi,… Trong thiết bị đặc có ống tuần hồn dùng phổ biến thiết bị có ngun lý đơn giản, dễ vận hành sửa chữa, hiệu suất sử dụng cao,… Dây chuyền thiết bị dùng nồi, nồi, nồi,… để nối tiếp tạo sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tế, người ta thường sử dụng hệ thống cô đặc nồi nồi để có hiệu suất sử dụng đốt cao nhất, giảm tổn thất trình sản xuất Để bước đầu làm quen với công việc kỹ sư thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất, em nhận đồ án mơn học “Q trình thiết bị” Trong đồ án môn học này, em cần “Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều để đặc dịch đường mía suất 500kg/h, từ nồng độ 10 Bx lên 60 Bx” Cấu trúc đồ án gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Quy trình cơng nghệ Chương 3: Tính tốn thiết kế thiết bị Chương 4: Tính bền khí cho thiết bị Chương 5: Tính tốn thiết bị phụ Vì Đồ án Quá trình Thiết bị đề tài lớn mà em đảm nhận nên thiếu sót hạn chế q trình thực điều khơng thể tránh khỏi Do đó, em mong nhận thêm góp ý, dẫn từ thầy bạn bè để em củng cố mở rộng kiến thức chun mơn Để hồn thành Đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Minh Thụy thầy cô mơn Q trình Thiết bị nhiệt tình giúp đỡ em trình thực Em xin chân thành cảm ơn h CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Thiết kế hệ thống đặc dung dịch đường mía ba nồi ngược chiều với yêu cầu công nghệ sau: + Năng suất theo sản phẩm: 500 kg/h + Nồng độ ban đầu: 10°Bx + Nồng độ cuối: 60°Bx + Hơi nước đốt bão hịa có nhiệt độ 127°C + Hơi thứ nồi cuối : 67°C toàn vào thiết bị ngưng tụ 1.1 Đặc điểm nguyên liệu Nguyên liệu cô đặc dạng dung dịch gồm: - Dung mơi: nước - Các chất hịa tan chiếm chủ yếu đường Saccaroze nhiều cấu tử với hàm lượng thấp (coi khơng có) Các cấu tử xem không bay trình đặc 1.2 Tổng quan q trình đặc 1.2.1 Định nghĩa đặc - Qúa trình đặc q trình làm nước ( dung mơi) dung dịch ( dung dịch hỗn hợp dung mơi chất rắn hịa tan dung mơi ) để thu dung dịch có nồng độ chất rắn cao - Qúa trình đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ) hệ thống thiết bị cô đặc hay nhiều thiết bị đặc Trong đó: - Cơ đặc chân khơng dung cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ phân hủy nhiệt - Cô đặc áp suất cao áp suất khí dung cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, sử dụng thứ cho đặc cho q trình đun nóng khác - Cơ đặc áp suất khí thứ khơng sử dung mà thải ngồi khơng khí Đây phương pháp đơn giản không kinh tế h - Trong công nghiệp thực phẩm hóa chất thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sơi gọi q trình đặc Đặc điểm cô đặc dung môi tách khỏi dung dịch dạng hơi, chất hòa tan dung dịch không bay nồng độ dung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất chưng cất cấu tử hỗn hợp bay khác nồng độ - Hơi dung môi tách khỏi dung dịch gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dung để đun nóng thiết bị khác Nếu dung thứ để đun nóng thiết bị khác ngồi thiết bị đặc gọi phụ - Qúa trình đặc diễn nồi nhiều nồi, gián đoạn liên tục Qúa trình đặc thực áp suất khác tùy vào yêu cầu kĩ thuật Khi dung áp suất thường ( áp suất khí quyển) dung thiết bị hở,cịn làm việc áp suất khác dung thiết bị kín đặc chân khơng (áp suất thấp) có ưu điểm : áp suất giảm nhiệt độ sơi dung dịch giảm theo độ chênh lệch nhiệt độ buồng đốt dung dịch tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm - Cô đặc nhiều nồi sử dụng thứ thay cho đốt nên có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt hoạt động dựa nguyên tắc sau: Hơi đốt nồi thứ nhấ sử dụng từ nồi hơi, thứ nồi thứ làm đốt cho nồi thứ hai, thứ nồi thứ hai làm đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuối vào thiết bị ngưng tụ Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi sau thấp nồi trước , mà người ta thường cô đặc dung dịch nồi thứ với áp suất dư nồi sau áp suất chân không Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi dung dịch chuyển dịch từ nồi sang nồi tiếp theo, qua nồi dung môi bay phần , nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuối nồng độ dung dịch đạt yêu cầu người ta tháo dịch vào thùng chứa 1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc 1.2.2.1 Phương pháp nhiệt ( đun nóng ): Dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên bề mặt chất lỏng 1.2.2.2 Phương pháp lạnh : h Khi hạ thấp nhiệt độ đén mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết itnh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất cấu tử áp suất tác dụng lên mặt thoáng mà ta tiến hành nhiệt độ cao hay thấp có dung đến máy lạnh 1.2.3 Biến đổi nguyên liệu sản phẩm q trình đặc Trong q trình đặc ,tính chất nguyên liệu sản phẩm thay đổi không ngừng 1.2.3.1 Biến đổi vật lý: - Khi dung dịch bay , nồng độ chất hịa tan tăng, tính chất dung dịch thay đổi Tính chất dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặc nồng độ dung dịch áp suất không đổi - Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch giảm Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất nồng độ tăng 1.2.3.2 Biến đổi hóa học: - Thay đổi PH mơi trường: tính chất thủy phân amit cấu tử tạo thành axit - Độ kiềm tăng - Đóng cặn, số muối canxi hịa tan chậm nồng độ cao, phân hủy số muối axit hữu tạo thành kết tủa - Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất - Tăng màu: phân hủy sản phẩm cô đặc điều kiện nhiệt độ áp suất - Do kết phản ứng Maye maillard phản ứng ngưng tụ đường khử amino axit, tạo thành chất màu dạng keo chứa Nito 1.2.3.3 Biến đối sinh học: - Tiêu diệt vi sinh vật ( nhiệt độ cao) - Hạn chế khả hoạt động vi sinh vật nồng độ cao 1.2.4 Bản chất cô đặc nhiệt h - Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành nhiệt tác dụng lên bề mặt thống phải lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục trạng thái lỏng trở lực bên Do ta cần cấp nhiệt để phân tử đủ lượng để thực q trình - Bên cạnh bay chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phân tử bề mặt đáy tạo nên tuần hồn tự nhiên nồi đặc 1.2.5 Ứng dụng cô đặc - Ứng dụng sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt nồng độ dung dịch theo yêu cầu , hoăc đưa dung dịch qua trạng thái bão hòa để kết tinh - Sản xuất thực phẩm: đường ,mì 1.3Thiết bị cô đặc dùng phương pháp nhiệt 1.3.1 Phân loại ứng dụng 1.3.1.1 Theo cấu tạo tính chất đối tượng đặc - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng , độ nhớt thấp, đảm bảo dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt - Nhóm : Dung dịch đối lưu cưỡng dung bơm để tạo vận tốc dung dịch 1,5- 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm tăng hệ số truyền nhiệt, độ nhớt cao , kết tinh bề mặt truyền nhiệt - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy lần, tránh tiếp xúc lâu làm biến chất sản phẩm 1.3.1.2 Theo phương pháp thực q trình - Cơ đặc áp suất thường có nhiệt độ sơi áp suất khơng đổi Thường dung cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định thời gian cô đặc ngắn - Cô đặc áp suất chân không dung dịch có nhiệt độ sơi thấp có áp suất chân khơng - Cơ đặc nhiều nồi mục đích tiết kiệm đốt, số nồi không nên lớn làm giảm hiệu tiết kiệm so với chi phí đề Do sử dụng thứ nồi trước làm h đốt nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao 1.3.2 Yêu cầu công nghệ - Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định - Giảm tổn thất chất khô - Giảm tốc độ đóng cặn nồi bốc - Nâng cao hiệu sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt 1.3.3 Yêu cầu thiết bị Về cấu tạo, thiết bị đặc có nhiều loại chúng có phận sau: - Bộ phận nhân nhiệt: Ở thiết bị đun nóng nước, phận nhận nhiệt dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, nước ngưng tụ bên ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên ống - Không gian để phân ly: Hơi dung mơi tạo cịn chứa dung dịch nên phải có khơng gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại phận nhận nhiệt - Bộ phận phân ly: để tách giọt dung dịch lại Những yêu cầu chung cần đảm bảo chế tạo thiết bị đặc: - Thích ứng với tính chất đặc biệt dung dịch cần cô đặc: độ nhớt cao, khả tạo bọt lớn, tính ăn mịn kim loại,… - Có hệ số truyền nhiệt lớn nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt giảm mạnh - Tách ly thứ cấp tốt, đảm bảo thứ cấp ngưng tụ lấy nhiệt cho cấp cô đặc - Hơi đốt đảm bảo phân bố khơng gian bên ngồi ống giàn ống - Đảm bảo tách khí khơng ngưng cịn lại sau ngưng tụ đốt - Dễ dàng cho việc làm bề mặt ống dung dịch bốc bên ống làm bẩn mặt bên ống (tạo cặn) 1.3.4 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống - Phương pháp bốc áp lực: Các nồi bốc làm việc áp lực - Phương pháp bốc chân không: Các nồi bốc làm việc điều kiện chân không h - Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm áp suất cao, thiết bị cuối làm việc áp suất chân không 1.3.5 Các thiết bị chi tiết hệ thống đặc 1.3.5.1 Thiết bị - Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt - Ống nhập liệu, ống tháo liệu - Buồng đốt , buồng bốc - Đáy, nắp - Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí không ngưng 1.3.5.2 Thiết bị phụ - Bể chứa nguyên liệu - Bể chứa sản phẩm - Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không; - Thiết bị gia nhiệt; - Thiết bị ngưng tụ Baromet; - Thiết bị đo điều chỉnh - Lưu lượng kế - Bồn cao vị - Các van,… h CHƯƠNG : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ Q trình đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Cơ đặc nhiều nồi q trình sử dụng thứ thay đổi cho đốt, có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Ngun tắc q trình đặc nhiều nồi tóm tắt sau: Ở nồi 1, dung dịch đun nóng đốt, thứ nồi đưa vào nồi thứ hai, thứ nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… Hơi thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tự Còn dung dịch vào từ nồi sang nồi kia, qua nồi bốc phần, nồng độ tăng dần lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chệnh lệch nhiệt độ đốt dung dịch sôi, hay nói cách khác chênh lệch áp suất đốt thứ nồi, nghĩa áp suất làm việc phải giảm dần thứ nồi trước đốt nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc áp suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí 2.2 Sơ đồ thuyết minh quy trình công nghệ Dung dịch đường nồng độ 10 độ Bx chứa vào thùng chứa nguyên liệu (2), sau bơm ly tâm (3) bơm lên thùng cao vị Dung dịch sau qua lưu lượng kế chảy vào thiết bị gia nhiệt (12) Ở dung dịch đun nóng sơ đến nhiệt độ sơi sau vào nồi đặc 3, 2, Tại nồi bị cô đặc dung dịch đun sôi thiết bị đặc có ống tuần hồn trung tâm, buồng đốt trong, ống tuần hồn ống truyền nhiệt tương đối lớn Dung dịch ống cịn đốt vào khoảng khơng gian phía ngồi ống Khi làm việc dung dịch ống truyền nhiệt sơi tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống, cịn ống tuần hồn trung tâm thể tích theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt lượng tạo ống hơn, khối lượng riêng hỗn hợp hơi-lỏng lớn so với ống truyền nhiệt, bị đẩy xuống Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn trung tâm Hơi đốt từ nồi cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (12) nồi cô đặc(1) Tại nồi cô đặc (1) đốt ngưng tụ , tỏa nhiệt làm sôi dung dịch , bốc lượng thứ Hơi thứ từ nồi thứ dung làm đốt cho vào nồi thứ tương tự thứ nồi h