Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu có nồng độ 10% được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi. Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm.
TỔNG QUAN
Nhiệm vụ
Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập liệu 1500 kg/mẻ.
- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at
- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 3 at
- Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu 25 o C
Tổng quan nguyên liệu
- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion
- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày
- Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m 3 ) (bảng 1.57, trang 45 [1]).
- Nguyên liệu đem đi cô đặc là dd NaCl 10% với dung môi là nước.
1.2.2 Các biến đổi trong quá trình cô đặc:
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng 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 do nồng độ, nhiệt độ sôi.
Yêu cầu chất lượng sản phẩm: Đạt nồng độ yêu cầu
Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
Cô đặc và quá trình cô đặc
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cô đặc được tiến hành ở các nhiệt độ sôi và áp suất như: áp suất chân không, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi Quá trình cô đặc có thể là gián đoạn hay liên tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc thì gọi là “hơi phụ” [1]
1.3.2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): 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 thống 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 thống mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (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 tại 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 trên bề mặt truyền nhiệt
- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài
- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
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 đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 o C Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác.
Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
Ứng dụng
Công nghệ cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất hoá chất và thực phẩm Trong sản xuất hoá chất ứng dụng cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Trong sản xuất thực phẩm người ta ứng dụng cô đặc để cô đặc dung dịch đường (syrup), đường dung dịch nước trái cây, dung dịch sữa, dung dịch cà phê,…
Quá trình cô đặc có thể là công đoạn chế biến chính, tạo ra sản phẩm hoặc có thể là giai đoạn phụ, phục vụ cho các công đoạn chế biến tiếp theo.
Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn
- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.
- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản.
- Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
- Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Thuyết minh quy trình công nghệ
2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi.
- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,7 at.
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu có nồng độ 10% được bơm lên bồn cao vị để ổn áp Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi.
Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm.
2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống.
Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là buồng bốc Trong buồng bốc có bộ phận tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống.
Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên.
Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch thiết bị.
Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% thì ngưng cấp hơi Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm:
Bơm ly tâm và bơm chân không
Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng Bánh guồng được gắn trên trục truyền động Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm nước muối từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đăc.
Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc.
2.2.2 Thiết bị cô đặc: Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và buồng đốt Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kín lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ Ống tuần hoàn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hoàn trong thiết bị.
Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet) Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần máy bơm.
Thiết bị tách lỏng được đặc sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử bay hơi còn sót lại chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không.
2.2.5 Các thiết bị phụ trợ khác:
Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Dữ kiện ban đầu
Các số liệu ban đầu:
- Nhiệt độ đầu 25 o C, nồng độ đầu 10%.
- Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
- Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,7 at.
- Năng suất nhập liệu Gđ = 1500 kg/mẻ
3.2 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5 [3]:
Gđ, Gc :lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg/h)
W :lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg/h) xđ, xc :nồng độ đầu và nồng độ cuối của mỗi giai đoạn (%)
Gđ.xđ, Gc.xc : Thể tích đường trong dung dịch a Giai đoạn 10% đến 15%
Gc= Gđ. xđ x c xđ x c= 1500 0,15 0,1 = 1000 kg/h.
W= Gđ-Gc00 – 1000 = 500 kg/h. b Giai đoạn 15% đến 20%
Gc = Gđ xđ x c= 1000 0,15 0,2 = 750 kg/h W= Gđ - Gc = 1000 – 750 = 250 kg/h c Giai đoạn 20% đến 27%
Gc= Gđ xđ x c= 750 0,27 0,2 = 555, 56 kg/h W= Gđ-Gc = 750 – 555,56 = 194,44 Kg/h Tổng lượng hơi thứ bốc hơi:
Bảng 3 1 Bảng tóm tắt cân bằng vật chất
N ng đ dung d ch, % ồng độ dung dịch, % ộ dung dịch, % ịch, % 10 15 20 2
Kh i lối lượng dung dịch, kg/h ượng dung dịch, kg/hng dung d ch, kg/hịch, % 1500 1000 750 555,56
Lượng dung dịch, kg/hng h i th đã b c h i, kg/hơi thứ đã bốc hơi, kg/h ứ đã bốc hơi, kg/h ối lượng dung dịch, kg/h ơi thứ đã bốc hơi, kg/h 0 500 250 194,44
Kh i lối lượng dung dịch, kg/h ượng dung dịch, kg/hng riêng dung d ch,ịch, % kg/m 3 1073 1110 1150 1205
Cân bằng năng lượng
Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3 at
Tra bảng 57, Sách Ví dụ và bài tập - tập 10 [4], trang 443; nhiệt độ hơi đốt là 132,9 o C Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at Áp suất làm việc trong buồng bốc thiết bị cô đặc Pc = 0,3 at.
Nhi tệt độ h iơi thứ ở bu ngồng b cốc t1 = 68,7 o C (B ngảng I.251 trang 314 Tài li uệt [1]). Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (nước) trên mặt thoáng của dung dịch t sdm(P0) = 68,7 o C
Gọi Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên dường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, (theo
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ : tc = 68,7 - 1 = 67,7 o C.
3.3.1 Các tổn thất nhiệt độ: a Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (Δ’ ):
Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có:
∆ ’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.
∆ 0 ’ : tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. f : hệ số hiệu chỉnh f = 16,14 T 2 r
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [ 0 K]. r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra từ bảng: ∆ 0 ’ VI 2, sổ tay tập 2, trang 66 [2]. f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển.
Với f tra ở bảng tài liệu [3], bảng 5.3 trang 184 t sdm(P0) = 68,7 o C tra được f = 0,81
Bảng 3 2 Tổn thất nhiệt độ và nhiệt độ sôi của dung dịch ở các nồng độ.
N ng ồng độ dung dịch, % độ dung dịch, % dung d ch, ịch, % % 10 15 20 27
Nhiệt độ sôi dung dịch, o C 70,2 71,3 72,6 75,2 b) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ ”):
Theo Sách Ví dụ và bài tập - tập 10, ví dụ 4.8, trang 207 [4]. Δ ” = Tsdd(Po+Δ p) - Tsdd(Po)
Tsdd(Po) : nhiệt độ sô dung dịch ở mặt thoáng.
Tsdd (Po+Δ p) : nhiệt độ sôi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng, đặt là tstb
Theo Sách Ví dụ và bài tập - tập 10, trang 184: [4] Δ ’= T sdd (P 0 ) - T sdm (P 0 )
Trong đó: Δ p = 0,5.ρhh.g.Hop ρhh = 0,5*ρdd ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đang xét ở nhiệt độ t sdd (P1 + Δ p) kg/m 3 g: 9,81 m/s 2
Hop: chiều cao lớp lỏng sôi (m).
Với Hop = [0,26 + 0,0014.( ρdd –ρdm)].Ho, m
Ho: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn Ho = 1,5 m. ρdd: Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, kg/m 3 ρdm : khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 76,4 o C.
Tính cho tr ường ng h p ợp dung d ch ịch NaCl 10 %
Do trong kho ngảng nhi tệt độ nh ,ỏ, hi uệt sốc ρdd - ρdm thay đ iổn thất không đáng kể nên : ρdm = 999 (kg/m 3 ) ρdd = 1073 (kg/m 3 )
Nhi tệt độ sôi c aủa H2O ở 0,315 at là 69,7 o C ( B ngảng I.251 trang 314 Tài li uệt [1]) Độ tăng nhi tệt độ sôi do c tộ th yủa tĩnh Δ ” = Tsdm(P0+Δ p) – T sdm (P0) = 69,7 – 68, 7 = 1 o C
Nhiệt độ sôi dung dịch NaCl 10 % ở áp suất P0 + Δ p t sdd(P0+Δ p) = 70,2 +1 = 71,2 o C
Tương tự ta tính được:
Bảng 3 3 Nhiệt độ sôi dung dịch có tổn thất ∆ ’’
N ng ồng độ dung dịch, % độ dung dịch, % dung d ch, ịch, % % 10 15 20 27
T n th t ổn thất ất ∆ ’’ , o C 1 1,14 1,34 1,7 t sdd(P0+2Δ p) 72,2 73,6 75,3 78,6
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆thi)
Tổn thất nhiệt độ: (Các công thức lấy từ trang 67, 68, [2]).
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi vào thiết bị ngưng tụ là:
∆t ch = t D – t c 2,9 – 67,7 65,2 o C Chênh lệch nhiêt độ hữu ích:
3.3.2 Cân bằng năng lượng cho các nồng độ
Tính theo công thức 2.4 trang 104, tài liệu [4]:
D : lượng hơi đốt sử dụng, kg
𝜑 = 5% : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo
C : nhiệt dung riêng nước ngưng ở 𝜃 o C , J/kg độ cđ, cc : nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ tđ, tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, o C i’’ D : entanpi của hơi đốt, J/kg i’’w : entanpi của hơi thứ, J/kg
Qt : nhiệt lượng tổn thất, J.
Qcđ : nhiệt lượng cô đặc, J.
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)
QD = D.(1- ).( i '' D c. ) = D.(1- ).r = Gđ(cctc - c đ t đ ) +W (iw’’- cctc) ± Qcd r = i '' c 𝜃: nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ (công thức 2.15, trang 107, [4]) a Nhiệt dung riêng của dung dịch:
Tính theo công thức 4.11 trang 182 Tài liệu ví dụ Sách Ví dụ và bài tập - tập
10, [4] cdd= 4190.(1-x) + c1.x Trong đó x: nồng độ dung dịch (%). c1: nhiệt dung riêng NaCl khan (J/kg độ) Theo công thức 4.12 trang 183 Tài liệu [4]. c1 = 26 ×10 3 +26 × 10 3
58,5 = 88,89 (J/kg độ) Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ:
Bảng 3 4 Nhiệt dung riêng của dung dịch theo nồng độ.
N ng ồng độ dung dịch, % độ dung dịch, % dung d ch, ịch, % % 10 15 20 27
Nhiệt dung riêng dung dịch c p (J/ kg độ) 3771
Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at r = 2171*10 3 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
Entanpi của hơi thứ ở 73,05 o C i’’ w &20*10 3 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])
T nổn thất th tất nhi tệt Qt = 0,05*QD
Xem nhi tệt cô đ cặc là không đáng kể b Giai đo nạn đ aư dung d chịch, % 10% từ 25 o C đ nến 72,2 o C
Gđ = Gc = 1500 (kg/h) cđ = cc 771 (J/kg đ )ộ tđ = 25 o C ; tc r,2 o C ; W = 0 kg
Nhi tệt lượngng tiêu t nốc cho quá trình:
Nhi tệt lượngng c nần cung c pất ( k cể ảng t nổn thất th t):ất
Theo công thức VI.6a, trang 57, [2], ta có:
Lượngng h iơi đ tốc sử d ng:ụng:
D1= 0,95∗r Q 1 = 0,95∗2171∗1000266986800 = 129,45 (kg/h) c Giai đo n ạn đ a ư dung d ch ịch t ừ 10% đ n ến 15%:
Gđ = 1500 (kg/h) ; cđ 771 (J/kg độ ); tđ r,2 ( o C),
Gc = 1000 (kg/h) ; cc = 3562 (J/kg đ )ộ ; tc = 73,6 ( o C) ,
Nhi tệt lượngng tiêu t nốc cho quá trình:
Q2 = Gc* cc * tc - Gđ * cđ * tđ + W* i’’ w
Nhi tệt lượngng c nần cung c pất (k cể ảng t nổn thất th t):ất
Lượngng h iơi đ tốc sử d ng:ụng:
0,95∗2171∗1000 = 593,47 (kg/h) d Giai đo n ạn đ a ư dung d ch ịch t ừ 15% đ n ến 20%:
Gđ = 1000 (kg/h) ; cđ = 3562 (J/kg đ ) ;ộ tđ = 72,2( o C)
Gc = 750 (kg/h) ; cc = 3370 (J/kg đ );ộ tc = 75,3( o C)
Nhi tệt lượngng tiêu t nốc cho quá trình:
Q3 = Gc* cc * tc - Gđ * cđ * tđ + W* i’’ w
Nhi tệt lượngng c nần cung c pất (k cể ảng t nổn thất th t):ất
Lượngng h iơi đ tốc sử d ng:ụng:
0,95∗2171∗1000 = 300,18 (kg/h) e Giai đoạn đưa dung dịch từ 20% đến 27%:
Gđ = 750 (kg/h) ; cđ = 3370 (J/kg độ ); tđ = 75,3( o C)
Gc = 555,56 (kg/h) ; cc = 3082,7 (J/kg độ ); tc = 78,6 ( o C)
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q4 = Gc* cc * tc - Gđ * cđ * tđ + W* i’’ w
Nhi tệt lượngng c nần cung c pất (k cể ảng t nổn thất th t):ất
Lượngng h iơi đ tốc sử d ng:ụng:
QD = 2,8 *10 8 + 12,24 *10 8 +5,88 *10 8 +4,5 *10 8 %,42 *10 8 (J/h) Tổng lượng hơi đốt:
* Lượng dung dịch, kg/hng h iơi thứ đã bốc hơi, kg/h đ tối lượng dung dịch, kg/h riêng:
Theo công th c VI.7, trang 58, [2], ta có:ứ
Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,33 kg hơi đốt.
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC19 4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 )
Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 )
Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.
Theo công thức VI.27, trang 71, sổ tay tập 2, [2]: α 2 =α n ( λ λ dd n ) 0,565 [ ( ρ ρ dd n ) 2 ( C C dd n ) ( μ μ dd n ) ] 0,435 (*) (W/m 2 K)
Trong đó : α n : hệ số cấp nhiệt của nước (W/m 2 K) α n =0,145.(∆ t) 2,33 p 0,5 (2)
P: áp là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m 2 )
∆ t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0 C
Cdd, Cn :nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước, J/Kg.độ μ dd , μ n : độ nhớt của dung dịch và của nước, N.s/m 2 ρ dd , ρ n : khôi lượng riêng của dung dịch và của nước, kg/m 3 λ dd , λ n : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và của nước, w/m.K
Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [1] ): t sdm = 68,7 ( o C) ρn = 978,5 (kg/m 3 ) c n = 4186 (J/kg độ) μ n = 0,4*10 -3 (Ns/m 2 ) λ n = 66,7*10 -2 (W/m.K)
Các thông s c a dung d ch:ối lượng dung dịch, kg/h ủa dung dịch: ịch, %
• μdd tra b ng I.107 trang 101 Tài li u [1] ( 40ở ảng ệt ở o C)
• λdd tính theo công th c I.32 trang 123 Tài li u [1]ứ ệt λ dd : theo công th c I.32, trang 123, [1]: ứ λ dd =A C p ρ √ 3 M ρ (W/m.đ ) ộ
Với x : nồng độ dung dịch
• cdd và ρ dd xác định theo nồng đo
Bảng 4 2 Bảng tóm tắt các thông số dung dịch theo từng nồng độ,
Nồng độ dung dịch, % 10 15 20 27 t sdd , o C 72,2 73,6 75,3 78,6 ρ dd , kg/m 3 1073 1110 1150 1205 c dd , J/kg độ 3771 3562 3370 3082,7 μ dd , Ns/m 2 0,71*10 -3 0,78*10 -3 0,89*10 -3 1,08*10 -3
Thay các thông số vừa tìm được vào (*), ta có: α 2 =α n (66,7∗100,504 −2 ) 0,565 [ ( 978,5 1205 ) 2 ( 3082,7 4186 ) ( 1,08∗10 0,4∗10 −3 −3 ) ] 0,435 α 2 =0,68.α n
Nhiệt tải riêng phía tường (q v )
Theo ví dụ bài tập tập 10, trang 104, [4] q v =t v1 −t v2
∑ r v : tổng trở vách, m 2 K/W r 1 : nhiệt trở màng nước = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W) r 2 : nhiệt trở lớp cặn bẩn = 0, 389.10 -3 (m 2 độ/W) δ: bề dày ống = 2 mm λ: hệ số dẫn nhiệt của ống
Chọn ống thép không gỉ, λ ,5 W/m.độ
Tiến trình tính nhiệt tải riêng
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì: q 1 =q 2 =q v (5)
Bước 1: Chọn nồng độ dung dịch, tra các thông số.
Bước 2: Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng : tv1 < tD được tính Δt1 theo (6) với tD = 132.9 o C
Bước 4: Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm α2 theo (2)
Bước 5: Tính Δtv theo (7) Tính được tv2 = Δtv + tv1
Bước 6: Tính Δt2 theo (8) với tsoitb tra ở bảng 2 theo nồng độ.
Bước 7: Tính được q2 theo công thức: q2 = α2 Δt2
Bước 8: So sánh sai số giữa q1 và qtb, với qtb = (q1 + q2) / 2 Đặt giá trị đó là ss:
Nếu ss lớn thì quay về bước 2 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ Δt1: Δt1(mới) = (1 - ss).Δt1, từ đó tính lại được tv1 = tD - Δt1.
Nếu sai số nhỏ thì ngừng.
Sau nhiều lần tính lặp, ta có:
A0,13 ( Nội suy theo bảng trang 29, [2]) α 1 =2,04.190,13 ( 2171.101,5.8,4 3 ) 0,25 y21,83 (W/m 2 độ)
Nhiệt tải trung bình là: q tb =q 1 +q 2
So sánh sai số giữa q1 và q2:
Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt: công thức 3.24, [3]:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Theo công thức 5.22b, trang 279, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5 [3], ta có: Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Theo dãy chuẩn (Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang
276 [3]), để cho an toàn chọn F = 32 m 2
TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Tính buồng đốt
Diện tích bề mặt truyền nhiệt : F = 32 (m 2 )
Chiều cao ống truyền nhiệt : H = 1,5m
Theo dãy chuẩn (Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 276 [3])
Chọn ống truyền nhiệt có đường kính : dng = 38mm, dtr = 34 mm (trang 191, [3]).
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức: n= π d l F = π 0,034 1,532 0ống
5.1.1 Tính chọn đường kính buồng đốt Đường kính buồng đốt được tính theo công thức 3.90, trang 202, sổ tay tập 5 [3]:
Theo dãy chuẩn trang 193, QTTB TN tập 5 [3]
5.1.2 Đường kính ống tuần hoàn: Đường kớnh ống tuần hoàn: Chọn theo kinh nghiệm dth từ ẳ đến 1/8 lần đường kớnh vỏ buồng đốt (theo QTTBTN, tập 5, trang 191 [3]).
Theo dãy chuẩn: (theo QTTBTN, tập 5, tr 190 [3])
Chọn dtr (th) = 315 mm dng(th) = 325 mm
Bố trí ống ở đỉnh tam giác tạo thành hình lục giác đều có ống tuần hoàn ở giữa.
Theo công thức 2.85, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 68 [3].
Dd = s (m -1) + 4 do m: số ống trên đường chéo do= 38 mm :đường kính ngoài ống truyền nhiệt.
S: bước ống, m; s = 1,4 38 = 53,2 mm Theo công thức 2.85, trang 68, [3] m = [(Dd - 4d0)/s] +1 = [(1200-4.38)/1,4 38]+1= 20,699
Chọn m = 21 ống theo bảng V.11 trang 48 [2].
Tổng số ống trong thiết bị là: n=3 4 (m 2 -1)+1= 3 4 (21 2 -1)+1= 331 ống
Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng là: dth= s (m’-1) + 4 do (theo [3], trang 202)
Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm là:
(theo [3], trang 202) n’=3 4 (m ’ 2 -1)+1=3 4 (4,25 2 -1)+1 ống Vậy số ống truyền nhiệt là n-n ’ = 331-11 = 320 ống.
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:
5.1.3 Tính kích thước đáy, nón của buồng đốt:
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón h go = 50 mm
Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có:
Bảng 5 1 Các kích thước của buồng đốt
Số ống truyền nhiệt là 320 ống có kích thước d 34/38 mm
Một ống tuần hoàn giữa có đường kính d th 325 mm Đường kính vỏ buồng đốt D d 1200mm
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F 40m 2
Thể tích dung dịch ở đáy V đ 0,532 m 3
Tính kích thước buồng bốc
5.2.1 Đường kính buồng bốc (D b ) a) Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc là:
Trong đó: ρ h : khối lượng riêng của hơi ở áp suất P0 = 0,3 at Tra bảng I.251, trang 314, [1] ρ h = 0,1876 kg/m 3 W= 944,4 Kg/h: lưu lượng hơi thứ. b Vận tốc hơi: Công thức 5.15, trang 194, [3] ω hơi = V hơi π D b 2
D b 2 (m/s) c Vận tốc lắng theo công thức 5.14, trang 194, [3] ω 0 =√ 4 g 3.ξ ρ ( ρ ' − ρ '' ' ' ) d
Trong đó: ρ’= 978,5 (kg/m 3 ), tra ở nhiệt độ 68,7 o C (Bảng I.249 trang 310 Tài liệu [1]) tra ở nhiệt độ sôi của dung dịch trong buồng bốc tsdd = 68,7 o C) ρ”= ρh = 0,1876 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất 0,3 at. d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m (theo công thức 5.14, trang 194) [3] g = 9,81m/s2: gia tốc trọng trường ξ: hệ số trở lực, tính theo Re, với độ nhớt μ = 0,0106.10 -3 N.s/m 2
Công thức 5.14 trang 194 [3] thì ω hơ i ≤80 %ω 0 :
Chọn đường kính buồng bốc theo dãy chuẩn: D b = 1,6 m
Re = 9,5 1,6 2 = 3,7 (thỏa 0,2 < Re < 500) Vậy đường kính buồng bốc là 1600 mm.
5.2.2 Tính chiều cao buồng bốc H b
Theo công thức VI.34, Sổ tay tập 2, trang 72 [2]: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:
Theo công thức VI.32, trang 71, [2], ta có:
Thể tích không gian hơi:
W: Lượng hơi thứ = 944 kg/h ρ h : khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất P0= 0,3at
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có ρ h = 0,1876 kg/m 3
Utt : cường độ bốc hơi cho phép của khoảng không gian hơi.(kg.m 3 /h)
Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at.
Tra hình VI.3 trang 72, [2], ta được f = 1,3
Thế vào công thức trên ta được: VKGH=0,1876.2080944 =2,42m 3
H KGH =4.2,42 π 1,6 2 =1,2(m) Chiều cao buồng bốc = 1200 + 400 + 50 +50 = 1700 mm.
Theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt, ta chọn: H b = 2 m
Vậy chiều cao buồng bốc là 2m
5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 50 mm
Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc: Dt = 1600 mm.
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10, trang 394, [2], ta có:
Chiều cao phần Elip: ht = 400 (mm)
5.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu
Theo công thức VI.41, trang 74, [2], ta có:
Vs = G ρ : lưu lượng khí hoặc dung dịch trong ống (m 3 /s)
G: Lưu lượng lưu chất (kg/s) ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m 3 ) ω: tốc độ thích hợp của khí hoặc dung dịch đi trong ống (m/s) d: đường kính của ống (m).
Từ công thức trên ta suy ra được đường kính của các ống được tính theo công thức: d = √ π ω 4 V s = √ π ρ ω 4.G
Chọn ω = 1,5 m/s (chất lỏng ít nhớt) (chọn theo sổ tay tập 2,trang 74)
Chọn ω = 0,75m/s (dung dịch sau cô đặc có độ nhớt tương đối)
Chọn ω = 30m/s ( hơi bão hòa) (chọn theo sổ tay tập 2, trang 74) [2].
Chọn ω = 50m/s ( hơi quá nhiệt) (theo sổ tay tập 2, trang 74) [2].
Chọn ω = 1 m/s (sổ tay tập 2, tr74)
5.3.6 Ống xả khí không ngưng
Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng. Chọn dkhí không ngưng = dnước ngưng = 0,015m = 15 mm.
5.3.7 Tổng kết về đường kính ống
Căn cứ vào bảng XIII.26, Sổ tay tập 2, trang 409, ta có bảng sau:
Bảng 5 2 Kích thước đường kính các ống
Loại ống Đườ ng kính tính toán (mm)
Chọn đường kính trong (mm)
Chọn đường kính ngoài (mm)
TÍNH CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CHÍNH
Tính cho buồng đốt
Buồng đốt có đường kính Dd = 1200 mm, chiều cao Hd = 1500 mm.
Vật liệu là thép không gỉ mã hiệu X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Tính bề dày tối thiểu S ’
Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất 3at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
Pm = PD – Pa = 3 – 1 = 2 (at) = 0,2 N/mm2
Lấy áp suất tính toán bằng với áp suất làm việc, do đó Pt = Pm = 0,2 N/mm2
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 o C (tra bảng I.251,trang 315, [1] ở áp suất hơi đốt 3at), vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt được bọc cách nhiệt là: ttt = tD + 20 = 132,9 + 20 = 152,9 o C
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ta có ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là: [ σ ]* = 115 N/mm2
Vì buồng đốt có bọc lớp cách nhiệt nên chọn η = 0,95 (trang 17, [7])
Ứng suất cho phép của vật liệu là:
Khi đó theo công thức 5-3, trang 96, [7]:
Bề dày tối thiểu của buồng đốt được tính bằng:
Trong đó: φ: hệ số bền mối hàn
Tra bảng XIII.8 Sổ tay tập 2, trang 362 [2]: φ = 0,95
Pt: áp suất tính toán của buồng đốt, Pt = 0,2 N/mm2
Dt: đường kính bên trong của buồng đốt, Dt = 1200 mm.
Bề dày này quá nhỏ Tra bảng 5-1 trang 128 Tài liệu [7] được S min = 3-4 mm
Dung dịch ăn mòn (NaCl ) nên C a = 1 [7].
Vậy chọn bề dày buồng S BĐ = 4 mm
Kiểm tra bề dày buồng đốt Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [7]:
1200=0,0025Pt = 0,2 N/mm 2 (thỏa mãn) Vậy bề dày buồng đốt là 4 mm
đường kính ngoài buồng đốt : Dn =Dt+2.S= 1200+2.4= 1208 mm.
Tính cho buồng bốc
Buồng bốc có đường kính trong là 1600 mm, chiều cao 2000 mm
Cuối buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết buồng bốc và buồng đốt.
Vật liệu là thép không gỉ mã hiệu X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
Tính bề dày tối thiểu S ’
Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất bên trong là 0,3 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:
Pn = Pm = 2 Pa – P 0 = 2 1 –0,3= 1,7 at = 0,17 N/mm2
Nhiệt độ hơi thứ ra là tsdm(Po) = 68,7oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt = 68,7 + 20 = 88,7oC
(Trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1.8, trang 19, [7], hàn 1 phía)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (vì có bọc lớp cách nhiệt_ trang 17, [7]). Ứng suất cho phép của vật liệu là:
Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1.6, trang 14, [7]). Ứng suất chảy của vật liệu là: σ t c =[σ] ¿ n c 3.1,65=¿202,95 N/mm 2 Áp dụng công thức 5-14, trang 98, [7]:
Dt: đường kính trong của buồng bốc (mm)
Pn = 0,17 N/mm 2 : áp suất tính toán bên ngoài tác động vào buồng bốc
L = 2000mm: chiều cao buồng bốc
E t = 2.10 5 N/mm 2 : hệ số đàn hồi của vật liệu
Dt 00 Smin = 4mm < 6,42mm chọn S ’ = 6,42mm
Hệ số bổ sung bề dày : C = C a + C b + C c + C o
Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm).
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày Co = 0,8 mm (theo bảng XIII.9 Sổ tay tập 2 trang 364).
Bề dày thực là: S = S’ + C = 6,22 + 1,8 = 8,22 mm
Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài
So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo công thức 5-19, trang 99, [7]:
Pn’> Pn tính = 0,17 N/mm 2 thõa Vậy thân buồng bốc thỏa đồng thời điều kiện áp suất ngoài.
Kết luận : Bề dày buồng bốc là SBB = 10 mm
Tính cho đáy thiết bị
Chọn đáy nón tiêu chuẩn D = 1200 mm
- Đáy nón có phần gờ cao 50 mm và góc ở đáy là 2α = 60 0
Tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394:
- Chiều cao của đáy nón không kể phần gờ là H = 618 mm
- Thể tích của đáy nón là V đ = 0,52 m 3
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt
*Các thông số làm việc:
*Các thông số tính toán:
- l’: chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 544 mm
- D’ : đường kính tính toán của đáy; m
Dt1 = 25 mm : đường kính trong bé của đáy nón (đường kính của ống tháo liệu) D t = 1200 mm : đường kính trong lớn của đáy nón (đường kính buồng đốt).
- ttt = tc + 20 = 67,7 + 20 = 87,7 oC (đáy có bọc lớp cách nhiệt).
Chọn bề dày tính toán đáy S = 10 mm.
Tính nắp thiết bị
Chọn nắp elip theo tiêu chuẩn Dt = 1600 mm
Nắp có gờ và chiều cao gờ hgo = 50 mm
Nắp có một lỗ để thoát hơi thứ, lỗ có đường kính trong 250 mm
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là P0 = 0,3 at nên chịu áp suất ngoài là:
Pn = Pm = 2 Pa – 0,3= 2 1 – 03 = 1,7 at = 0,17 N/mm 2
Nhiệt độ hơi thứ ra là tsdm(Po) = 68,7 o C, vậy nhiệt độ tính toán của nắp là: ttt = 68,7 + 20 = 88,7 o C Đối với elip tiêu chuẩn: h t
Chọn sơ bộ bề dày nắp bằng bề dày thực thân buồng bốc: S = 10 mm
Kiểm tra bề dày nắp