Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều liên tục.

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống cô đặc 2 nồi ngược chiều liên tục.Năng suất sản phẩm: 3000kghNồng độ ban đầu: 8%Nồng độ cuối: 25%Áp suất hơi đốt: 3atÁp suất ngưng tụ: Pck = 0.3at

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại họcNha Trang, tập thể các thầy cô giảng dạy ở Khoa Công Nghệ Thực phẩm đã tậntình truyền đạt cho nhóm em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong quátrình học tập tại trường cũng như tạo cho nhóm em một trường học tập năngđộng và hiện đại Đặc biệt hơn nữa em xin cảm ơn đến cô Trần Thanh Giang,người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý trong quá trình em hoàn thành bàitập lớn này Em cũng xin cảm ơn đến Thư viện của trường đã tạo điều kiện cho

em được tiếp xúc và cung cấp những tài liệu, cần thiết, hữu ích cho em hoànthành tốt bài tập lớn Trong thời gian làm bài tập lớn, mặc dù đã cố gắng trongviệc hoàn thiện bài nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên khôngtránh khỏi những thiếu sót nhất định Rất mong nhận được sự góp ý của cô đểbài báo cáo của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin cám ơn rất nhiều

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ NGUYÊN LIỆU 4

1.1 Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường 4

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc: 5

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

2.1 Dữ kiện ban đầu : 10

2.2 Cân bằng vật chất: 10

2.3 Cân bằng nhiệt lượng 11

2.4 Cân bằng nhiệt lượng 15

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 19

3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 19

3.2.3 diện tích bề mặt truyền nhiệt 26

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 28

4.1 Tính buồng kính 28

4.2 Tính buồng đốt 29

4.2 Tính kích thước các ống 31

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH

Bảng 2.1 Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi 9 Bảng 2.2

Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra 10 Bảng 2.3

Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất 10 Bảng 2.4

Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch 11 Bảng 2.5

Thông số tính toán 15 Bảng 3.1

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng 18 Bảng 3.2

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng 22 Bảng 4.1

Đường kính ống dẫn 32 Bảng 5.1

Chọn bích nối nắp và buồng bốc 42 Bảng 5.2

Chọn bích nối buồng đốt với đáy 43 Bảng 5.3

Chọn thông số cho tai treo thiết bị thằng đứng 48 Bảng 5.4

Tổng kết thiết bị chính 48

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ

NGUYÊN LIỆU

1.1 Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường

Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ởnhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đóchỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngànhcông nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việcphát triển công nghiệp đường mía

mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cáchnhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đãtrở 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 ngànhcông nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệuquý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, acid lactic…

tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụsản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều

và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời

hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiệnnay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, QuãngNgãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía,

khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sựcạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ

kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất

máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình làhết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong

đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệthống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường

đặc 2 nồi ngược chiều liên tục

- Năng suất sản phẩm: 3000kg/h

- Nồng độ ban đầu: 8%

- Nồng độ cuối: 25%

- Áp suất hơi đốt: 3at

- Áp suất ngưng tụ: Pck = 0.3at

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc:

o Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứachất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

o Làm tăng nồng độ chất tan

o Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

o Thu dung môi ở dạng nguyên chất

o Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chânkhông, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặchay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

o Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phânhủy vì nhiệt

o Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bịphân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứcho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.

o Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải rangoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

o Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịchnhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dungmôi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trongdung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên,khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử tronghỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

o Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơithứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơiphụ

o Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làmviệc gián đọan hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các ápsuất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (ápsuất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khácthì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểmlà: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu sốnhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặttruyền nhiệt

o Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ýnghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiềunồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng

hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưavào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dungdịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môtphần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong cácnồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nóicách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa

là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làhơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồicuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

o Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này có

ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch

áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dungdịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kếtquả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêmmột lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồiđầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần phải tốn thêm một lượnghơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịchtrước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nướcngưng tụ

o Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sauthấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt củadung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đếnnồi cuối

o Cấu tạo thiết bị cô đặc: Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loạithiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phầnchính:

- Dung dịch (buồng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôidung dịch.

- Là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơicủa dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng đốt) Tùy theo mức độ cầnthiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơihoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo

o Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:

- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng,loại nghiêng

- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ốngchùm Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói

lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt

- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡngbức,

o Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt

độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổicủa chất tan

- Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốctuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng

o Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ:

- Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sửdụng hơi thứ thay cho hơi đốt Dung dịch ban đầu trong thùng chứađược bơm ly tâm bơm lên thùng cao vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưulượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt Tại thiết bị gianhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2 Dung dịchsau đó được đưa vào buồng đốt ngoài của nồi Tại nồi dung dịchđường bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bịngưng tụ ,được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại đượcbơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt Còn sảnphẩm được bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng

độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm Ở nồi 1 hơiđốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơithứ của nồi 1

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Dữ kiện ban đầu :

o Dung dịch nước mía Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu chọn là 25oC

- Nồng độ đầu xđ = 8 %

- Nồng độ cuối xc = 25%

- Năng suất Gc = 3000 (kg/h)

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà với áp suất là: Phđ = 3 at

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet: P = 0,3 at

- Trong đó:

W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)

Gd : Lượng dung dịch ban đầu (kg/h)

xd, xc : Nồng độ đầu, cuối của dung dịch % khối lượng

Thay số vào ta có: W = Gđ – Gc = 9375 – 3000 = 6375 (kg/h)

2.2.3 Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi

- Gọi W1, W2, là lượng hơi thứ của nồi 1, 2 kg/h

- Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau,thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2: (CT 5.25 Tr 162 [5])

x c 2= G d x d

9375×8

2.3 Cân bằng nhiệt lượng

2.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi

- Gọi: P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.

- ΔPP1 : hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

- Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:

∆P t = P 1 - P nt = 3 - 0,3 = 2,7at

- Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:

ΔPP1ΔPP2 = 1,85

Suy ra: ∆P 1 = 1,75(at)

∆P 2 =0,95 (at)

P 2 = P 1 − ∆P 1 = 3 - 1,75=1,25 (at)

2.3.2 Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi

- Gọi: t hd1 , t hd2 , t nt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ

- t ht 1 , t ht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2

tht1= thd2+ 1

tht2= tnt+ 1 Tra bảng : I 250, STQTTB, Trang 312 [1]

I.251, STQTTB, Trang 314 [1]

Bảng 2.1 Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi

(at) (oC) (at) (oC) (at) (oC)

T s : là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ( ° K )

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg)

ΔP' o 0,5 0,18

Bảng 2.3 Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất

Tra bảng I.251, STQTTB Trang 314 [1]

2.3.3.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ( ΔP} {¿ )

ρ dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3) , ρ dds = 0,5× ρ dd

ρ dd : Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3).

H op : Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).

⇒H op=[0,26+0.014( ρ dd−ρ dm)].Ho (CT 4.20 ST VDBT T10-Tr185)

- Từ ΔP P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồithông qua công thức: P tbi = P’ i + ΔPP i ( i ): nồi thứ i

Bảng 2.4 Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch

Tra bảng I.5 – I.86 STQTTB T1 – [Tr 11 – 58]

Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là: ∑ΔP=Δ1+ΔP rSub { size 8{2} } ={}} {¿ 0,05 + 1,88 = 1,93.℃

2.3.3.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống

- Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

2.4 Cân bằng nhiệt lượng

2.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

C = 4190 - ( 2514 - 7,542.t ).x (J/Kg.độ) (CT I.50 ST T1 – Tr 153)Trong đó:

t: nhiệt độ của dung dịch

x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng

Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (t s1 = 106,97 °C , x = 25

2.4.2 Nhiệt lượng riêng

(kg/h)

2(W)

Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D 1 I 1

Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W 1 i 1 = D

Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: G đ C đ t đ

Nhiệt mang ra gồm:

Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W 1 i 1

Do dung dịch mang ra: (G đ - W)C 1 t s1

Do hơi nước ngưng tụ: D 1 C ng1 θ 1

Do tổn thất chung: Q tt 1 = 0,05D(I 1 -C ng1 θ 1 )

Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W 2 i 2

- Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

- Theo công thức 4.8, trang 182, [4]:

m = W D=4070,76375 = 0,64 (kghơi đốt/ kghơi thứ)

trong đó: D: Lượng hơi đốt dung cô đặc 9kg/h)

W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/h)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc.

3.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

∑r c âu 1là: nhiệt trở cặn bẩn hơi nước phía vách ngoài tường

Chọn là: 0,232.10-3 (m2.K/W) (tra bảng V.I, trang 4, [2])

∑r c âu 2 là: nhiệt trở cặn bẩn dung dịch đường phía vách trong tường

Chọn là: 0,387.10-3 (m2.K/W) (tra bảng V.I, trang 4, [2])

- Chọn loại ống truyền nhiệt là loại thép không rỉ X18H10T có = 16,3 (W/m.K)

- Nhiệt tải riêng trung bình:

r = r(θ1) = 2243.103 j/kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

H =1,5 m: chiều cao bề mặt truyền nhiệt

A là trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước A= (ρ2μ λ3)0.25

Bảng 3.1 Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

(Tra STQTTB T2/trang 29)

- Ta có công thức tính q2: q2 = α2.∆ t 2 (2)Với: ∆ t 2= tw2 – t2 là hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của dung dịch sôi.

- Ta có: tw1-tw2= q1.r∑→tw2 = tw1 –q1.r∑ = 132,9 – 25206,82 0,742.10 3

Trong đó:

αn: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

μ dd :độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

Chọn t1= 600C, ta có µ1= 1,102.10-3 (N.s/m2)  θ1= 16,32℃

Chọn t2= 400C, ta có µ2= 1,707.10-3 (N.s/m2)  θ2= 1,410C

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng I.112 STQTTB,T1/ trang 114

Tra θ1, θ2 dựa vào bảng I.102 STQTTB,T1/ trang 94

⇨k = t 1−t2

θ1−θ2=

60−40 16,32−1,41 = 1,34

Từ đó ta có:θ s 1=t s 1−t2

k +θ2 = 106,97−40

1,34 +1,41=51,39(℃ )

⇨µdd= 0,5369.10-3 (N.s/m2)

Tra bảng I.249 STQTTB T1/trang 311