Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi dùng cô đặc dịch cà chua, năng suất 220 kg mẻ

Cà chua có nguồn gốc tại Pêru và Ecuador, là các nước Nam Mỹ thuộc khu vực nhiệt đới khô nhiều nắng. Cà chua là loại rau quả có giá trị kinh tế cao, hàm lượng vitamin lớn, đặc biệt là vitamin C có vai trò quan trọng trong việc phát triển cơ thể, giúp tăng cường sức đề kháng, phòng ngừa được nhiều bệnh nhiễm trùng và giải độc tốt. Cây cà chua có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất khác nhau như đất sét, đất cát, đất pha cát, có độ pH = 6 – 6,5. Đất có độ ẩm cao, ngập nước kéo dài sẽ làm giảm khả năng sinh trưởng của cây cà chua. Nhiệt độ 21 24 độ C là nhiệt độ thích hợp cho cà chua đạt năng suất cao. Ở Việt Nam, cây cà chua được xếp vào các loại rau có giá trị kinh tế cao, diện tích trồng cà chua lên đến chục ngàn ha, tập trung chủ yếu ở đồng bằng và trung du phía Bắc. Hiện nay có một số giống chịu nhiệt mới lai tạo chọn lọc có thể trồng tại miền Trung, Tây Nguyên và Nam Bộ nên diện tích ngày càng được mở rộng. Nhiều giống cà chua lai ghép chất lượng tốt được phát triển mạnh ở Đà Lạt, Lâm Đồng. Một số giống cà chua chất lượng đã được xuất khẩu ra thị trường thế giới. Cà chua có nhiều giống, mỗi giống có đặc tính công nghệ riêng, thuận lợi cho nhu cầu sử dụng đa dạng, chúng khác nhau về hình dáng, độ lớn, màu sắc, chất lượng quả,…Theo giá trị sử dụng và hình dạng quả, có thể chia cà chua ra làm ba nhóm giống sau: Cà chua hồng: là loại quả được trồng phổ biến hiện nay. Quả có hình dạng như quả hồng, không có múi hoặc múi không rõ. Chất lượng tươi cũng như chế biến đều cao do thịt quả dày, hàm lượng đường cao. Hầu hết đây là nhóm giống được lai tạo.

TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH CÀ CHUA

Giới thiệu chung

Cây cà chua (Lycopercium esculentum Mill)

Cà chua có nguồn gốc tại Pêru và Ecuador, là các nước Nam Mỹ thuộc khu vực nhiệt đới khô nhiều nắng Cà chua là loại rau quả có giá trị kinh tế cao, hàm lượng vitamin lớn, đặc biệt là vitamin C - có vai trò quan trọng trong việc phát triển cơ thể, giúp tăng cường sức đề kháng, phòng ngừa được nhiều bệnh nhiễm trùng và giải độc tốt

Cây cà chua có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất khác nhau như đất sét, đất cát, đất pha cát, có độ pH = 6 – 6,5 Đất có độ ẩm cao, ngập nước kéo dài sẽ làm giảm khả năng sinh trưởng của cây cà chua Nhiệt độ 21 - 24 độ C là nhiệt độ thích hợp cho cà chua đạt năng suất cao Ở Việt Nam, cây cà chua được xếp vào các loại rau có giá trị kinh tế cao, diện tích trồng cà chua lên đến chục ngàn ha, tập trung chủ yếu ở đồng bằng và trung du phía Bắc Hiện nay có một số giống chịu nhiệt mới lai tạo chọn lọc có thể trồng tại miền Trung, Tây Nguyên và Nam Bộ nên diện tích ngày càng được mở rộng Nhiều giống cà chua lai ghép chất lượng tốt được phát triển mạnh ở Đà Lạt, Lâm Đồng Một số giống cà chua chất lượng đã được xuất khẩu ra thị trường thế giới

Cà chua có nhiều giống, mỗi giống có đặc tính công nghệ riêng, thuận lợi cho nhu cầu sử dụng đa dạng, chúng khác nhau về hình dáng, độ lớn, màu sắc, chất lượng quả,…Theo giá trị sử dụng và hình dạng quả, có thể chia cà chua ra làm ba nhóm giống sau:

- Cà chua hồng: là loại quả được trồng phổ biến hiện nay Quả có hình dạng như quả hồng, không có múi hoặc múi không rõ Chất lượng tươi cũng như chế biến đều cao do thịt quả dày, hàm lượng đường cao Hầu hết đây là nhóm giống được lai tạo

Cà chua múi: quả to, nhiều múi rõ rệt, phần lớn các giống thuộc nhóm này có chất lượng kém hơn so với cà chua hồng nên ít được sử dụng trong sản xuất

Cà chua bi: quả nhỏ, hơi bầu và dài, thường được trồng rộng rãi ở các vùng núi cao và ven biển miền Trung Cà chua thuộc nhóm này thường chứa lượng acid cao, hạt nhiều, khả năng chống chịu khá cao nên được sử dụng làm vật liệu tạo giống

Giá trị dinh dưỡng của cà chua đến từ các thành phần giàu vitamin, khoáng chất và các loại dưỡng chất quan trọng như vitamin A, vitamin C,… Ngoài ra cà chua là nguồn thực phẩm giàu kali, magie, photo, chất xơ và protein Đặc biệt trong thành phần cà chua còn có một số hợp chất hữu cơ quan trọng như lycopene, sắt và axit chlorogenic,… mang lại nhiều giá trị dinh dưỡng góp phần vào lợi ích sức khỏe mà cà chua có thể mang lại cho con người

Trong quả xanh có 0.1- 0.3% tinh bột, khi quả chin hầu hết tinh bột chuyển thành đường Vị đắng của cà chua là do solarnin, lượng chất này trong cà chua còn xanh là 4 mg% và tăng lên 8 mg% khi cà chua chín

Cà chua rất giàu vitamin C (20- 40 mg%) và carotene (1.2- 1.6 mg%) Ở độ chín hoàn toàn, lượng vitamin C và carotene đạt tỷ lệ cao nhất, lượng acid giảm, lượng đường tăng, thịt quả có vị ngọt hơn lúc còn xanh Lượng protopectin giảm làm cho vỏ dễ tách ra và quả bị mềm hơn

Cà chua chín cây có chất lượng tốt hơn so với cà chua chín trong thời gian bảo quản Lớp thịt càng dày, buồng đựng hạt càng bé, chất lượng quả càng cao

Với cà chua, chúng ta có thể chế biến thành các sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như: nước ép cà chua cô đặc, cá sốt cà

Bảng 1 1 Thành phần hóa học của cà chua

Quá trình cô đặc

Bốc hơi cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ dung dịch chất tan không bay hơi bằng cách bốc hơi dung môi khi đun sôi dung dịch Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi

Mục đích cô đặc: Làm tăng nồng độ dung dịch loãng Để kết tinh

Quá trình bay hơi theo thuyết động học phân tử, các phân tử dung môi nằm gần mặt thoáng có chuyển động nhiệt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt và trở thành trạng thái hơi

Khi bay hơi, các phân tử phải khắc phục liên kết các phân tử ở trạng thái lỏng (ẩn nhiệt hoá hơi trong rt ) và áp suất bên ngoài (ẩn nhiệt hoá hơi ngoài rn ), tổng năng lượng nhiệt tiêu tốn đó gọi là ẩn nhiệt bay hơi r r = rt + rn

Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt thoáng, trong lòng chất lỏng Chất lỏng sôi khi áp suất hơi > áp suất mặt thoáng

 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt: 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 thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của 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 thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây

Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn

Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.

Nguyên liệu và sản phẩm

Cà chua nguyên chất : 90% Đường: 10%

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:

Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng thấp ( xem như là không có) và chủ yếu là nước dịch quả chanh dây nguyên chất và đường fructose, glucose, saccharose Các cấu tử này được xem là không bay hơi trong quá trình cô đặc

Sản phẩm ở dạng dung dịch sệt, gồm:

Các chất hòa tan: có nồng độ cao

Các chất không hòa tan

1.3.3 Biến đổi của nguyên liệu sản phẩm

Trong quá trình cô đặc tính chất của nguyên liệu có sự thay đổi

Thời gian cô đặc càng lâu thì nồng độ dung dịch sẽ càng tăng và sẽ dẫn tới:

- Hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm

- Khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi tăng

- Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng thủy phân amid của các cấu tử tạo thành acid

- Đóng cặn: Trong dung dịch chanh dây mật ong có chứa các hàm lượng ca2+, MG2+, nên có thể sẽ bị đóng cặn

- Phân hủy một số Vitamin

- Tăng màu do caramen hóa, phân hủy đường khử

- Tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ cao

- Hạn chế khả năng hoạt động của các VSV ở nồng độ cao

 Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm

- Phải đảm bảo giữ được màu, mùi và vị cho sản phẩm

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không bị thay đổi

1.3.4 Quy trình sản xuất dung dịch cà chua cô đặc

• Loại bỏ các thành phần nguyên liệu không đủ quy cách để chế biến như bị sâu, bệnh thối hỏng, …

• Lọai bỏ những quả có độ chín (màu sắc) không thích hợp

• Cắt bỏ chỗ bầm dập, vết rám, núm quả

• Nguyên liệu được lựa chọn bằng tay ngay trên băng tải

• Công nhân đứng hai bên băng tải loại ra những quả cà chua không hợp quy cách

• Nguyên liệu phải dàn mỏng hai bên băng tải à việc lựa chọn không bị bỏ sót

Nguyên lý của quá trình rửa:

Quá trình rửa nhằm đảm bảo 2 giai đoạn:

• Ngâm cho bở các cáu bẩn: ngâm là quá trình làm cho nước thấm ướt cà chua, các chất bẩn hút nước trương lên, làm giảm lực bám của chúng lên quả cà chua

• Xối nước cho sạch hết bẩn: dùng tác dụng của dòng chảy để kéo các chất bẩn còn lại trên mặt cà chua sau khi ngâm

Thời gian rửa phụ thuộc vào giai đoạn đầu tức là phụ thuộc vào tính chất hóa lý của chất bẩn, sức bám chặt của nó vào cà chua rửa và khả năng tác dụng của dung dịch rửa Mục đích:

• Loại trừ các tạp chất, bụi, đất cát bám xung quanh cà chua

• Làm giảm một lượng lớn vi sinh vật ở cà chua

• Tẩy sạch một số chất hóa học gây độc hại được dùng trong kỹ thuật nông nghiệp như thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật còn lưu lại

Cà chua là nguyên liệu rau quả có cấu tạo mềm, dễ bị giập nát Do đó, ta sử dụng máy rửa thổi khí (ngoài ra có thể sử dụng máy rửa băng chuyền)

- Cà chua sau khi rửa:

• Cà chua rửa xong phải sạch, không bị dập nát à như vậy sẽ tạo điều kiện cho các vi sinh vật xâm nhập và phát triển sau này

• Cà chua ít bị tổn thất chất dinh dưỡng, hạn chế mất mát vitamin C… do chúng là thành phần dễ hòa tan trong nước sẽ khuếch tán vào trong nước rửa

- Ngoài ra muốn đạt chất lượng của công đoạn rửa cao thì nước rửa phải có phẩm chất tốt, đạt tiêu chuẩn nước uống

Mục đích: Xé tơi phần thịt quả, hỗ trợ cho công đoạn đun nóng lúc sau

Cách tiến hành: cà chua được xé tơi trên máy xé tơi kiểu lưỡi dao cong, kiểu trục đinh hoặc kiểu đĩa quay

• Giảm phế liệu từ 12% xuống 3.5 – 4%, vì khi đun nóng protopectin chuyển thành pectin hòa tan nên vỏ quả khi chà không dính thịt quả

• Hạn chế hiện tượng phân lớp sản phẩm, nhất là với cà chua cô đặc có độ khô thấp, vì lượng pectin hòa tan tăng

• Làm cho cà chua chóng sôi và ngăn ngừa hiện tượng khê cháy trong khi cô đặc

• Bài khí trong thịt quả cà chua để vitamin đỡ bị tổn thất và hạn chế hiện tượng tạo bọt khi cô đặc Nếu cà chua nâng nhiệt lên 80 – 100oC thì lượng caroten bị tổn thất giảm đi nhiều so với cà chua chỉ đun nóng ở 60oC và chưa bài hết không khí

• Vô hoạt enzyme pectinase để giữ cho sản phẩm không bị tách nước, bên cạnh đó enzyme oxy hóa cũng bị vô hoạt

• Tiêu diệt vi sinh vật Nếu cà chua đã xé tơi và không đun nóng trong 10 phút, cơ chất men phân hủy tới 70% pectin trong nguyên liệu

Cà chua sau khi xé tơi được đun nóng ở 85oC trong thời gian 10 phút trên thiết bị truyền nhiệt kiểu ống chùm hoặc ống bọc ống

• Loại bỏ phần nguyên liệu có giá trị dinh dưỡng thấp hoặc không ăn được: vỏ, hạt

• Làm cho nguyên liệu cà chua đồng nhất về trạng thái và thành phần để chế biến được thuận lợi và nâng cao chất lượng thành phẩm

• Mức độ mịn của cà chua khi chà ảnh hưởng nhiều đến qúa trình cô đặc: cà chua càng mịn, độ nhớt càng thấp à thời gian cô càng ngắn

Cà chua sau khi được đun nóng sẽ được chuyển vào máy chà cánh đập để được chà nhỏ

• Tăng nồng độ chất khô trong sản phẩm tới nồng độ yêu cầu (làm tăng độ sệt đặc trưng cho sản phẩm), làm tăng độ sinh năng lượng của thực phẩm

• Kéo dài thời gian bảo quản (vì hạn chế vi sinh vật phát triển do ít nước, áp suất thẩm thấu cao)

• Giảm được khối lượng vận chuyển

• Ta lựa thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi vì: tiết kiệm hơi vì dùng được hơi thứ và tổn thất ít hơi, chất lượng sản phẩm tốt vì cô đặc liên tục, nhiệt độ sôi thấp, thời gian cô nhanh, năng suất cao

• Cà chua sau khi được chà sẽ chuyển qua thiết bị cô đặc chân không hai hoặc ba nồi

• Quá trình cô đặc được thực hiện trong điều kiện chân không khoảng 600 – 650 mmHg Trong điều kiện chân không này nhiệt độ sôi của dung dịch rất thấp khoảng 55 – 60oC

• Cô đặc đến nồng độ khoảng 30%

• Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị, và cường độ bốc hơi của sản phẩm

• Hệ số truyền nhiệt của cà chua có nồng độ chất khô từ 15 – 30% là 1395 – 1745 W/m.độ

• Cường độ bay hơi của cà chua có nồng độ chất khô có nồng độ chất khô từ 16 – 35%: 118kg/m2

Chú ý các biến đổi trong quá trình cô đặc

Dung dịch cà chua là một hệ của nhiều chất hòa tan như đường, acid, còn chứa cả các chất không tan như tinh bột, cellulose ở trạng thái huyền phù Khi cô đặc, dung môi bay hơi, nồng độ chất hòa tan tăng dần, nhiệt độ sôi, độ nhớt, khối lượng riêng tăng, và hệ số truyền nhiệt giảm, hàm lượng không khí còn lại trong gian bào và hòa tan trong sản phẩm cũng giảm

• Phản ứng caramel xảy ra ít do quá trình cô đặc được thực hiện trong nồi chân không với nhiệt độ thấp (50 – 60oC)

• Đồng thời với nhiệt độ thấp này thì cấu trúc pectin không bị phá vỡ nên giữ được độ sệt của tương cà chua Ngoài ra các thành phần khác cũng ít bị biến đổi nhất là vitamin

• Sắc tố của cà chua chủ yếu thuộc họ carotenoid (licopen) nên ít bị biến đổi (bền nhiệt)

• Sản phẩm có thể xám đen do phản ứng giữa tannin với kim loại là do phản ứng oxy hóa tannin dưới tác dụng của men peroxydase và polifenolxydase, điều kiện của phản ứng này là nhiệt độ tăng từ từ và tiếp xúc nhiều với không khí Nhưng do sản phẩm đã được đun nóng à đã vô hoạt enzyme Và do được cô đặc trong môi trường chân không (p134)

Kiểm tra chất lượng bao bì:

• Loại trừ các hộp bị lỗi như xước trên mặt thiếc, xước lớp vecni, vecni bị nổ…

• Chọn hộp theo xác xuất để kiểm tra độ kín Phương pháp đơn giản nhất là cho vào hộp một lượng nhỏ chất lỏng (khoảng 0.5 – 1.5 ml) có nhiệt độ sôi thấp như ete chẳng hạn, rồi ghép mí kín Khi cho hộp vào nước nóng có nhiệt độ khoảng 85 – 90oC, ete sẽ sôi và chuyển sang trạng thái hơi, trong hộp sẽ xuất hiện áp suất lớn Nếu hộp không kín thì ở các mí ghép sẽ có các bóng khí nhỏ sủi ra trong nước

• Các hộp đủ tiêu chuẩn được vận chuyển từ nơi gia công hay bảo quản trong kho bao bì Chúng sẽ được ngâm trong nước, rồi xối lại lại bằng tia nước nóng hay phun hơi nóng, cũng có thể rửa lại hai lần bằng nước nóng

• Việc dùng nước nóng hay hơi nóng để vệ sinh hộp vừa dễ dàng, vừa có tác dụng làm lượng nước còn đọng lại ở bao bì bay hơi nhanh chóng

• Đảm bảo khối lượng tịnh và các thành phần của hộp đúng theo tỷ lệ quy định

• Có hình thức trình bày đẹp

• Đảm bảo hệ số truyền nhiệt và có điều kiện thuận lợi để thanh trùng và bảo quản

• Không lẫn các tạp chất khác

Thiết bị cô đặc

1.4.1 Phân loại và ứng dụng ( khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt )

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên)

Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)

Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho

15 các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng

Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt 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 thức thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

Cô đặc áp suất chân không: Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quy trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc Nước trái cây sôi trong điều kiện chân không đạt được ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ ở điều kiện khí quyển bình thường

Cô đặc nhiều nồi: Khi cô đặc một nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế Mặt khác, hơi thứ vẫn còn mang một nhiệt lượng lớn, tốn nước để ngưng tụ Quá trình cô đặc nhiều nồi tận dụng hơi thứ làm hơi đốt Do đó hạ thấp được chi tiêu hao hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kỹ thuật

Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, nước trái cây được đun sôi theo một trình tự các giai đoạn, mỗi giai đoạn được giữ ở áp suất thấp hơn giai đoạn cuối cùng Vì nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất giảm, hoặc tốc độ bốc hơi tăng khi diện tích bề mặt tăng lên, hơi được đun sôi từ nồi trước có thể được sử dụng để làm bay hơi nồi tiếp theo và chỉ nồi đầu tiên cần cung cấp nguồn nhiệt từ bên ngoài

Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

1.4.2 Các thiết bị và chi tiết

 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

Hình 1 4 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

1.Phòng bốc, 2.Phòng đốt, 3.Ống truyền nhiệt, 4.Ống tuần hoàn

Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:

+ Ống nhập liệu, ống tháo liệu

+ Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

+ Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp

+ Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

+ Thiết bị ngưng tụ baromet

+ Bơm nguyên liệu và bồn cao vị

+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

Mục đích: dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng, cặn Ưu điểm: cấu tạo đơn giản dễ sữa chữa và làm sạch

Nhược điểm: năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ, thường không quá 1,5 m/s vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

Phân bố hơi đều Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng

 Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài:

Hình 1 5 Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài1.Buồng đốt

5.Ống tuần hoàn ngoài Ưu điểm: Năng suất cao, do chiều dài ống truyền nhiệt lớn và ống tuần hoàn không bị đổ nóng nên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc hơi cao

Nhược điểm: Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo

 Thiết bị cô đặc màng cưỡng bức:

Hình 1 6 Thiết bị cô đặc màng cưỡng bức

6 Bộ phận tách giọt Ưu điểm: cô đặc tuần hoàn cưỡng bức cũng tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện

Nhược điểm: tốn năng lượng để bơm, thương ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn Ưu điểm: áp suất thủy tinh nhỏ do đó tổn thất thủy tĩnh ít

Nhược điểm: khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực chất lỏng thay đổi, không cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn và dung dịch kết tinh

 Thiết bị cô đặc màng

Hình 1 7 Thiết bị cô đặc màng

5 Ống tuần hoài ngoài Ưu điểm: áp suất thủy tinh nhỏ do đó tổn thất thủy tĩnh ít

Mô tả nguyên lý hoạt động

1.5.1 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch cà chua có nồng độ 7% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm vào thiết bị gia nhiệt được đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 1,5 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà 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 được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài

1.5.2 Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi

1.5.3 Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượ ng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượ ng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu

Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng 1.5.4

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

Cân bằng vật chất và năng lượng

Nồng độ nhập liệu xđ = 7 % (khối lượng)

Nồng độ sản phẩm xc = 62 % (khối lượng)

Năng suất nhập liệu Gc "0 kg/mẻ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,8 at Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,8 = 0,2 at

Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P=1,5 at

Vậy Pdư = 1,5 at Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,5 = 2,5 at

Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30 o C

Suất lượng nhập liệu ( Gđ)

Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:

Tổng lượng hơi thứ bốc lên

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ pc = 0,2 at

Tra bảng I.251, [1], trang 314 ta có: tc = 59,7 0 C

Vậy, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 59,7 0 C

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’= 1 0 C, theo [10], trang 184

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

Trong đó tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng)

Mà tsdm( P0) =∆ ’’’ + tc = 1+tc (theo chứng minh trên) tsdm( P0) = 59,7 +1 = 60,7 0 C

Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:

Nhiệt độ ( 0 C) Áp suất (at)

Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 60,7 0 C

2.1.3 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’)

Theo công thức Tisenco (V.10, [2], trang 59) ta có:

∆ ’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc

∆ 𝒐 ′ : tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển f : hệ số hiệu chỉnh f = 16,14 𝑇

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 bảng VI.251, trang 314, [1] ta có: Áp suất(at) R

Ta có: P0 = 0,21 ta nội suy ra: r = 2355,8 x 10 3 (J/kg)

Hình 2.1 Biểu đồ hình VI.2, trang 60

Với nồng độ cuối của dung dịch là 62% thì ∆ 0 ′ ≈ 3 (Vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (𝑥 𝑐 ) do đó ∆ 0 ′ lấy theo nồng độ cuối dung dịch Vì cấu tử hòa tan ở đây chủ yếu là đường nên giá trị

∆ 0 ′ được dò trong đồ thị ở trên theo đường cong của đường

Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ ∆ ′ là 2,28℃

2.1.4 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh Độ tăng áp suất do thủy tĩnh ∆ ′′ 𝑙à

𝐻 0𝑝 : là chiều cao chất lỏng theo ống báo mức, (m)

𝜌 𝑠 : Khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sôi bọt (kg/𝑚 3 )

2 khối lượng riêng của dd đặc lúc không có bọt  𝜌 𝑠 = 0,5 𝜌 𝑑𝑑

𝜌 𝑑𝑑 : khối lượng riêng thực của dd đặc lúc không có bọt (kg/𝑚 3 )

Ta có ρdd = 1138,61 kg/m 3 (tra bảng I.86, [1] , trang 6) ρs = 0,5 1300,59 = 650,295

Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd – ρdm)].ho Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 2 m (bảng VI.6, [5] trang 80)

Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 70 o C

Tra bảng I.249 [1], trang 311, ρdm = 977,8 kg/m 3

Tra bảng I.251[1, trang 314], Ptb = 0,2562 at => tsdm(Ptb) ≈ 64,76 o C

Ta có: Δ’’ = tsdm(po + Δp) – tsdm(po) = tsdd(po + Δp) – tsdd(po) = 64,76 – 60,7 = 4,02 o C

Sai số khoảng 3% được chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 70 o C

Sản phẩm được lấy ra tại đáy ⇒ tsdd(po + 2Δ’’) = 62,98 + 2.4,02 = 71,02 o C

Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2,5 at, tra bảng I.251, trang

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ)

=> Δthi = 126,25 – ( 59,7+7,3 ) = 59,25 0 C Áp suất ( Tuyệt đối) at Nhiệt độ t, ℃

Bảng 1 2 Tóm tắt cân bằng vật chất

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Năng suất nhập liệu 𝐺 đ kg/mẻ 1948,57

Năng suất tháo liệu 𝐺 𝑐 kg/mẻ 220

Suất lượng W kg/mẻ 1728,57 Áp suất 𝑃 0 at 0,21

Nhiệt độ 𝑡 𝑠𝑑𝑚(𝑃 0 ) ℃ 60,7 Ẩn nhiệt ngưng tụ r kJ/kg 2355,8

HƠI ĐỐT Áp suất 𝑃 𝐷 at 2,5

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở 𝑃 0 𝑡 𝑠𝑑𝑑(𝑃 0 ) ℃ 62,98

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ ℃ 2,28 Áp suất trung bình Ptb At 0,2562

Nhiệt độ sôi của dung môi ở 𝑃 𝑡𝑏 tsdm(ptb) ℃ 64,76

Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh Δ’’ ℃ 4,02

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở 𝑃 𝑡𝑏 tsdd(ptb) ℃ 70

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ ℃ 1

Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ ℃ 7,3

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi ℃ 59,25

Cân bằng năng lương

Do dung dịch đầu Gđcđtđ

Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt D φD c tD

Do sản phẩm mang ra Gccctc

Do hơi thứ mang ra W i w "

 Nhiệt độ của dung dịch cà chua trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 30 o C tra = tsdd(po) = 62,98 o C

Nhiệt độ của dung dịch cà chua 7% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 62,98 o C

Nhiệt độ của dung dịch cà chua 62 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 62,98 + 2.4,02 = 71,02 o C

 Nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua:

Nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua chủ yếu chất hòa tan là đường nên ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.50,[1])

C = 4190 – (2514 – 7,542t).x (J/Kg.K) Trong đó: t :là nhiệt độ của dung dịch x: nồng độ của dung dịch

2.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt:

Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc 𝑸 𝑫

𝑄 đ : nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W

𝑄 𝑏ℎ : nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W

𝑄 𝑡𝑡 : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

- Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (𝑄 𝑆 )

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:

𝐶 𝑡𝑏 : nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ

Theo sổ tay QTTB tập 1, trang 153:

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ => ∆′ 0 = 0,1, tra theo đồ thị hình VI-2,

2 = 3496,635 J/kg độ Thay tất cả vào (2) ta được:

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,21 at nằm trong khoảng 2,0 3,0 tra theo bảng I.251,[1] , trang 314:

Nhiệt lượng dùng để khử nước (𝑸 𝒌𝒏 )

Theo công thức VI-4, [2] ,trang 57:

𝑄 ℎ𝑡 đ : nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W

𝑄 ℎ𝑡 𝑐 : nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W Thường 𝑄 𝑘𝑛 rất bé nên có thể bỏ qua

𝑄 𝐷 = 0,279.10 9 +4,1.10 9 + 0 + 4% 𝑄 𝐷 Áp suất (at) Nhiệt hóa hơi 𝒓 𝒉𝒉

Vậy lượng nhiệt hấp thụ cho cô đặc: 1266666 J/s

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc (D)

Do không có quá lạnh sau khi ngưng tụ nên

𝑖 ′′ 𝐷 − 𝑐𝜃 = 𝑟 Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 2,5 at nằm giữa 2,0 và 3,0 at => r nằm trong khoảng 2208 2171 => r !89,5.10 3 J/kg (tra bảng I.251, [1], trang 314)

𝜑: độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn 𝜑 = 0,05 theo [5, trang 295]

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,27 (kg hơi đốt/kg hơi thứ) Áp suất (at) Nhiệt hóa hơi 𝒓 𝒉𝒉

Thiết kế thiết bị chính

2.3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1

Giai đoạn 2: dẫn nhiệt qua thành ống

Giai đoạn 3: nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 và nhiệt tải riêng q2

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 2 m), ngưng hơi bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng

Bảng 1 3 Tóm tắt cân bằng năng lượng

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ vào buồng bốc Tđ 0C 62,98

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Tc 0C 71,02

Nhiệt dung riêng dung dịch 7% Cđ J/(kg.K) 4029,8583

Nhiệt dung riêng dung dịch 62% Cc J/(kg.K) 3496,635

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 1266666

Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 0,608

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d kg/kg 1,27

4 , W/(m 2 K) Trong đó: α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m 2 K r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at => r = 2189,5.10 3 J/kg tra bảng I.251, [1], trang 314

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)

A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

Với tD, tt1: nhiệt độ hơi đốt và tường phía hơi ngưng

A: tra ở sổ tay quá trình thiết bị tập 2, trang 29

 Nhiệt tải phía hơi nước bão hòa

Trong đó: α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng; W/m 2 K r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at

Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314: có r = 2189,5 10 3 J/kg H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 2 m

A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng

Trong đó: tt1: Nhiệt độ của mặt tường 1 tD: Nhiệt độ của hơi đốt;

Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tt1 = 121,5 0 C

Với tm = 123,875 nằm trong khoảng 120140℃ tra bảng sổ tay QTTB ta được A 189,16 nằm trong khoảng 188194

Nhiệt tải phía hơi ngưng

 Nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến lòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức VI.27, [2], trang 71:

Trong đó: αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi bọt nên αn được tính theo công thức V.91,sổ tay QTTB tập 2, trang 26

Với: p = 0,21 at = 20593,96 N/𝑚 2 Δt = Δt2 = tt2 – tsdd(ptb) tt2 = tt1 - Δtt

Trong đó: Δt2: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống Δtt: Hiệu số truyền nhiệt giữa 2 mặt ống truyền nhiệt

∆𝑡: Hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi Δ𝑡 𝑡 = Q1 Σr Σr: Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

   r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn 2 phía tường

Tra ở bảng 31, sổ tay quá trình và thiết bị tập 10,trang 419, ta có: r1 = 1

1759 = 0,569.10 -3 m 2 K/W, Nhiệt trở của cặn bẩn r2 = 1

3500 = 0,286.10 -3 m 2 K/W, Nhiệt trở của nước sạch

Tra bảng VI.6, sổ tay quá trình và thiết bị tập 2, trang 80:

Chọn ống truyền nhiệt có bề dày δ = 2mm = 0,002m

Tra bảng XII.7, sổ tay quá trình và thiết bị tập 2, trang 313 với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T

Vật liệu thép OX18H10T có λ = 16,3 W/m.K

Tại tsdd(ptb) = 70 ( o C) và tsdm(ptb) = 64,76 ( o C) ta có

Cdm, àdm, λdm, ρdm: Tra bảng I.249, sổ tay quỏ trỡnh và thiết bị tập 1, trang 311 ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, Sổ tay 1, trang 59,60 àdd: tra bảng I.112, trang 114

Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch, 0 C x: nồng độ của dung dịch, % λdd: Được tính theo công thức I.32, [1], trang 123

A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết A = 3,58.10 -8

M: Khối lượng mol của hỗn hợp, ở đây là hỗn hợp dung dịch đường sacharose ( 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 11 ) và 𝐻 2 𝑂

M = a.𝑀 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 11 + (1- a).𝑀 𝐻 2 𝑂 = a.342 + (1- a).18 a: là phần mol của 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 12 x: là nồng độc cuối của sản phẩm

So sánh sai số giữa 𝑄 1 và 𝑄 2 ta có:

Nhận xét: ta thấy 𝜀 = 2,82 % < 5% Chấp nhận sai số

2.3.2 Nhiệt tải riêng trung bình

2.3.3 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

2.3.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

710,04.59,25 = 30,11 (𝑚 2 ) Chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt chuẩn là F = 50 (𝑚 2 ), theo [5], trang 276.

Tính kích thước của thiết bị cô đặc

2.4.1 Tính kích thước buồng đốt

 Số ống truyền nhiệt tính theo công thức III.49,trang 134, thiết bị truyền nhiệt và truyền khối:

Vì 𝛼 1 > 𝛼 2 => Sử dụng đường kính là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

 Chọn loại ống truyền nhiệt loại có đường kính dtr = 25 mm, 𝛿 = 2𝑚𝑚 (Bảng VI.6 STQTTB tập 2) tức là:

Dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m

𝑑 𝑛 = 𝑑 𝑡𝑟 × 2𝛿 = 0,025 + 2 × 0,002 = 0,029(𝑚) H: chiều cao của ống truyền nhiệt; H = 1,5 m

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; F = 50 m 2 theo dãy chuẩn sổ tay QTTB tập 5, trang 276:

𝜋 1,5 0,029= 365,87 (ố𝑛𝑔) Quy chuẩn theo bảng V.11, [2], trang 48 chọn số ống truyền nhiệt n = 517 ống, bố trí theo hình lục giác đều

Số hình lục giác: 12 hình

Số ống trên đường xuyên tâm: 25 ống

Tổng số ống không kể các ống trên hình viên phân: 469 ống

Số ống trong hình viên phân: Dãy 1 8 ống

Dãy 2 0 ống Tổng số ống trên tất cả các hình viên phân: 48 ống

Tổng số ống truyền nhiệt: 517 ống

 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) Áp dụng công thức III.26, [7] , trang 121:

Theo sổ tay thiết kế hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng , trang 274 có tỉ số

𝐹 𝐷 : tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt

𝑓 𝑡 : Tiết diện ngang của ống tuần hoàn

𝐷 𝑡ℎ : đường kính của ống tuần hoàn trung tâm

𝜋 = 0,319m = 319 mm Theo tiêu chuẩn [5], trang 274 chọn Dth = 325 mm = 0,325 m

25 = 13 > 10 (thỏa) vì đối với ống tuần hoàn trong phải chọn đường kính ống tuần hoàn khoảng ≥ 10 đường kính ống truyền nhiệt của buồng đốt

 Đường kính buồng đốt (D th ) Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức III-52, [5] , trang 135:

Chọn β = 1,4 theo sổ tay QTTB tập 5, trang 202:

Dn = 0,029 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

40 Ѱ:Hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9, chọn ѱ = 0,8

L = 2,0 m: chiều dài của ống truyền nhiệt

Dnth = 0,325 + 2.0,002 = 0,329 m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60 o : góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 50 m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt

Chọn đường kính chuẩn cho vỏ buồng đốt Dt = 1600 mm (Theo trang 275, [5] )

 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

 Số ống truyền nhiệt danh nghĩa

Là số ống nằm trong lòng ống tuần hoàn trung tâm

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Để tính số ống truyền nhiệt danh nghĩa ta xem đường kính ống tuần hoàn là đường kính trong của 1 thiết bị trao đổi nhiệt, khi đó:

Theo công thức V.140, sổ tay QTTB tập 2, trang 49:

Dth = t(b – 1) + 4.dng, m t: bước ống, m Thường chọn t = 1,2 ÷ 1,5.dn , [2], trang 49 dng= 29 mm: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

Chọn t = 1,4.dn = 1,5.0,029 = 0,0406 m b: số ống trên đường chéo của hình lục giác đều

Chọn b = 13 , ứng với số ống truyền nhiệt danh nghĩa là 127 ống, theo V.11, [2], trang

Số ống còn lại: n’ = 517 - 127 = 390 ống

Số ống này vẫn đảm bảo đủ bề mặt truyền nhiệt, vậy ta lắp đặt 390 ống

 Bề mặt truyền nhiệt thực tế

𝐹 𝑡𝑡 = 𝜋 𝑛 ′ 𝑑 𝑛𝑔 𝑙 + 𝜋 𝐷 𝑡ℎ 𝑙 = 𝜋 390.0,029.1,5 + 𝜋 0,325.1,5 = 54,83 m 2 n’: là số ống truyền nhiệt còn lại do lắp ống tuần hoàn l: Chiều dài ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn, m

 Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt

Hiệu số giữa bề mặt truyền nhiệt thực tế và bề mặt truyền nhiệt lý thuyết nhỏ hơn 5%

Nếu > 5% thì phải xác định lại

𝐹 𝑡𝑡 : là bề mặt truyền nhiệt thực tế (gồm ống tuần hoàn)

𝐹 𝑙𝑡 : là bề mặt truyền nhiệt lý thuyết (chưa kể ống tuần hoàn)

𝐹 𝑡𝑡 = 54,83 > 𝐹 𝑙𝑡 = 50 (thõa) Theo bảng VI.6, trang 80, sổ tay QTTB tập 2 - ta chọn F = 50 m 2

Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt được chọn là F = 50m 2 và số ống truyền nhiệt là 390 ống

 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 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, [2], trang 394, ta có:

Số ống truyền nhiệt là 390 ống có kích thước d là 25/29 mm

Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth = 325 mm Đường kính vỏ buồng đốt Dt = 1600 mm

Chiều cao buồng đốt Hd = 2,0 m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 50 m 2

Chiều cao đáy nón Hnon = 1450 mm

Thể tích dung dịch ở đáy Vđ = 1,207 m 3

2.4.2 Tính kích thước buồng bốc

 Đường kính buồng bốc (Db)

- Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h) ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,21at

Tra bảng I.251, [1], trang 314: Áp suất Khối lượng riêng

=> Nội suy ta được ρh = 0,134 kg/m 3

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc: tra theo công thức VI.41, [2], trang 74

𝐷 𝑏 2 𝑚 𝑠⁄ Trong đó: Db là đường kính buồng bốc (m)

Trong đó: ρ’= 980,6 kg/ m 3 : khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m 3 (tra bảng I.249,[1], trang

311): tra ở nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc tsdm = 60,7 0 C) ρ”= ρh = 0,134 kg/m 3 : khối lượng riêng của hơi d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m tra theo [5], trang 276 g = 9,81m/s 2 : gia tốc trọng trường ξ: hệ số trở lực, tính theo Re

𝐷 𝑏 2 Với μ là độ nhớt của hơi thứ ở áp suất 0,21 at, tra theo hình I.35, [1], trang 117

0,6 = 4,9 𝐷 𝑏 1,2 ωhơi không quá 70 - 80% ωo, chọn: ωhơi < 80% ωo

→ 𝐷 𝑏 > 1,84 m Chọn theo dãy chuẩn sổ tay QTTB tập 5, trang 277: lấy Db = 2,0 m

Vậy đường kính buồng bốc D b = 2000 mm

 Chiều cao buồng bốc (Hb)

Theo công thức VI.34, [2], trang 72:

Chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:

Db: đường kính buồng bốc, m

VKGH: thể tích không gian hơi, m 3

W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,21 at, kg/m 3

Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích nước bay hơi trên 1 đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian)

Với: f = 1,4: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, [2], trang 72)

Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at, m 3 /m 3 h

Theo [2], trang 72: chọn Utt_(1 at) = 1600 m 3 /m 3 h

→ Do trong thiết bị có hiện tượng dung dịch sôi tràn cả lên phần buồng bốc do đó đòi hỏi chiều cao của thiết bị cao hơn so với tính toán

→Vậy chiều cao buồng bốc H b = 2 m

 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 25 mm

Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc:

Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10, [2], trang 382 ta có:

2.4.3 Tính kích thước các ống dẫn

Theo [2], trang 74, đường kính các ống được tính theo công thức sau:

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)

Từ công thức trên ta suy ra được đường kính của các ống được tính theo công thức:

Gđ = 1948,57 kg/mẻ = 0,54 kg/s ω = 2 m/s: chất lỏng ít nhớt (sổ tay QTTB tập 2, trang 74) ρđ = 1027,70 kg/m 3 (tra xđ = 7%, bảng I.86, [1], trang 58)

→ Chọn d t = 20 (mm), d n = 25 (mm) ( tra theo [6], trang 144)

Gc= 220 kg/mẻ = 0,06 kg/s ω = 1m/s: chất lỏng nhớt (sổ tay [2], trang 74) ρc = 1300,59 kg/m 3 (tra theo xc = 62% bảng I.86, [1], trang 61)

→ Chọn d t = 25 (mm), d n = 32 (mm) ( tra theo [6], trang 144)

D = 0,108 kg/s: lượng hơi đốt biểu kiến

47 ω = 40 m/s ( sổ tay [2], trang 74 _ hơi bão hòa)

𝜌 𝐷 = 2,5at => 𝜌 𝐷 = 1,3625 kg/m 3 (tra theo bảng I.251, [1], trang 314)

→ Chọn d t = 50 (mm), d n = 57 (mm) ( tra theo bảng 7.1, [6], trang 144)

W= 1728,57 kg/mẻ = 0,48 kg/s ω = 40 m/s (chọn theo hơi quá nhiệt, tra theo [2], trang 74)

P0 = 0,21 at  ρhoi thu = 0,134 kg/m 3 (tra theo bảng I.250, [1], trang 312)

→ Chọn d t = 350 (mm), d n = 377 (mm) ( tra theo bảng 7.1, [6], trang 144)

→ Chọn d t = 10 (mm), d n = 14 (mm) ( tra theo bảng 7.1, [6], trang 144)

 Ống xả khí không ngưng

Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng

→ Chọn d t = 10 (mm), d n = 14 (mm) ( tra theo bảng 7.1, [6],trang 144)

Bảng 1 4 Tổng kết về đường kính các ống dẫn

Loại ống Đường kính tính toán (mm)

Chọn đường kính trong (mm)

Chọn đường kính ngoài (mm)

Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc

Sơ lược về cấu tạo

Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1600 mm, chiều cao Ht = 2000 mm

Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 2,5 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là: pm = pD – pa = 2,5 – 1 = 1,5 at = 0,1471 N/mm 2 Áp suất tính toán là: Pt = pm + ρgH = 0,1471+ 1259,76 9,81 2.10 -6 = 0,17 N/mm 2 Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 126,25 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 126,25 + 20 = 146,25 0 C

Theo hình 1.2, [6], trang 16 , ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

=> [σ]* = 117 N/mm 2 Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt), ( theo [6], trang 17) Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η [σ]* = 0,95.117 = 111,15 N/mm 2 Tra bảng 2.12,([6], trang 34 ): module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.10 5 N/mm 2 Xét theo [6], trang 96, ta có:

2.111,15.0,95 = 1,28 mm Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, [6], trang 19, hàn 1 phía)

Dt = 1600 mm – đường kính trong của buồng đốt

Pt = 0,17 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt

Dt = 1400 mm nằm trong khoảng (1000 ÷ 2000)mm → Smin = 4 mm > 1,28 mm Do đó, chọn S’ = S min = 4 mm (Theo bảng 5.1, [6], trang 94 )

Hệ số bổ sung bề dày: theo CT 1-10, [6], trang 20:

 Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường (mm)

 Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường (mm)

 Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp (mm)

 Co: hệ số bổ sung để quy tròn đường kính (mm)

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 0 mm

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Giả sử vật liệu tiếp xúc với một trường có độ ăn mòn từ 0,05 đến 0,1mm/năm Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, [2], trang 364)

Hệ số bổ sung bề dày là:

 Kiểm tra bề dày buồng đốt Áp dụng công thức 5-10, [6], trang 97 :

1600 = 0,003 < 0,1 (thỏa) Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:

Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm Đường kính ngoài của buồng đốt

 Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, [6], trang 162 ): dmax =3,7 3 √𝐷 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) ; mm Trong đó:

Dt = 1600 mm - đường kính trong của buồng đốt

S = 5 mm - bề dày của buồng đốt k: hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑡 𝐷 𝑡

So sánh: Ống dẫn hơi đốt dt = 50 mm < d max Ống xả nước ngưng dt = 10 mm < d max Ống xả khí không ngưng dt = 10 mm < d max

Buồng bốc có đường kính trong là Db= 2000 mm, chiều cao Hb = 2000 mm

Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sữa chữa và 2 kính quan sát Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài

Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,21 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,21= 1,79 at = 0,175 N/mm 2

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (po) = 60,7 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt = 60,7 + 20 = 80,7 0 C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1 – 8, [6], trang 19, hàn 2 phía)

Theo hình 1.2, [6], trang 16 , ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

=> [σ]* = 123 N/ mm 2 Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt), theo [6], trang 17 Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η.[σ]* = 0,95.123= 116,85 N/mm 2 Tra bảng 2.12, [6] , trang 34 : module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.10 5 N/mm 2

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 vì áp suất dư 𝑃 𝑑ư = 1,5 𝑎𝑡 = 0,147𝑁

1 - 6, [6] , trang 14) Ứng suất chảy của vật liệu là

𝜎 𝑐 ′ = [σ]*.nc = 123 1,65 = 202,95 N/mm 2 Khối lượng riêng của dung dịch cà chua ở tsdd (ptb) là ρdd = 1300,59 kg/m 3 Áp dụng công thức 5-14, [6] , trang 98:

Db = 2000mm - đường kính trong của buồng bốc

Pn = 0,175 N/mm 2 - áp suất tính toán của buồng bốc l = 2000 mm - chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích

E = 2,05.10 5 - Modum đàn hồi của vật liệu thân ở nhiệt độ làm việc của nó, N/mm 2

Dt = 2000 mm nằm trong khoảng (1000 ÷ 2000)mm → Smin = 4 mm < 8,8 mm Do đó, chọn S’ = 6,49 mm (Theo bảng 5.1, [6] , trang 94 )

Hệ số bổ sung bề dày: theo CT 1-10, [6], trang 20:

 Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường (mm)

 Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường (mm)

 Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp (mm)

 Co: hệ số bổ sung để quy tròn đường kính (mm)

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm)

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,2 mm (theo bảng XIII.9, [2], trang

Hệ số bổ sung bề dày là:

 Kiểm tra bề dày buồng bốc

2000 = 1 Kiểm tra công thức 5-15, [6], trang 99:

 0,14 ≤ 1,0 ≤ 10,54 (thỏa) Kiểm tra công thức 5-16, [6], trang 99:

 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 5-19, [6], trang 99:

 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục

Lực nén chiều trục lên buồng bốc:

2,05.10 5 0,102 = 0,088 Điều kiện thoả mãn độ ổn định của thân (theo 5-32,[6], trang 103)

 9 ≥ 0,99 (thỏa) Ứng suất nén được tính theo công thức 5 – 48, [6], trang 107:

𝜋.(2000+10).(10−1) = 9,87 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, [6], trang 103:

 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục

Kiểm tra điều kiện 5-47, [6], trang 107:

Vậy bề dày buồng bốc là 10 mm

56 Đường kính ngoài buồng bốc:

 Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, [6] , trang 162): dmax = 3,7 √𝐷 3 𝑏 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) ; mm Trong đó:

Db = 2000mm - đường kính trong của buồng bốc

S = 10 mm - bề dày của buồng đốt k - hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑛 𝐷 𝑏

So sánh: Ống nhập liệu dt = 70 mm < d max

=> Không cần tăng cứng cho ống nhập liệu

Tính cho đáy thiết bị và phần nón giữa buồng đốt và buồng bốc

Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1600 mm Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 60 0

Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 1450 mm

Thể tích của đáy nón là Vđ = 1,207 m 3 Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T Ở giữa buồng đốt và buồng bốc được nối bằng một hình chóp cụt có gờ với Hgo 50mm

 Chiều cao hình nón cụt nối buồng đốt và buồng bốc H c :

Chiều cao hình nón cụt nối với buồng đốt ở đáy là:

- Tổng thể tích ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:

- Thể tích của phần đáy nón:

- Với đường kính trong của ống nhập liệu là 20 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại là:

- Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm

- Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị : Τ = 𝑙+𝑙 ′

Vnl: tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu

Dnl: đường kính trong của ống nhập liệu

Dth: đường kính trong của ống tuần hoàn l: chiều dài của ống truyền nhiệt l ’ : chiều dài hình học của đáy

- Thể tích của dung dịch đi vào thiết bị

2 : khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị; kg/m 3

- Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:

V3 = ∑V – V1 – V2 = 2,74 – 0,67 – 1,207 = 0,863 (m 3 ) Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là HgcPmm

- Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:

- Thể tích phần hình nón cụt

- Chiều cao chất lỏng của phần hình nón cụt:

Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:

H’ = Hc + Hgc + Hđ + Hbđ= 300 + 50 + (40 + 1450 ) + 1500 = 3340 mm = 3,340 m Trong đó:

Hc: chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt; m,

Hgc: chiều cao của chất lỏng trong phần gờ nối với buồng đốt; m

Hđ: chiều cao của chất lỏng trong đáy nón; m

Hbđ: chiều cao cột chất lỏng trong buồng đốt; m

59 Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị: ptt = ρdd g.H’ 00,59 9,81 10 -6 3,340 = 0,04 N/mm 2 Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,21 at nên chịu áp suất ngoài là

Ngoài ra, đáy còn chịu áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị Như vậy, áp suất tính toán là:

Pn = pm + ptt = 0,175 + 0,04 = 0,215 N/mm 2 Các thông số làm việc:

Dt = 1600 mm p0 = 0,21 at = 0,0206 N/mm 2 tm = tsdd (po + 2Δp) = 71,02 0 C

Các thông số tính toán: l’ – chiều cao tính toán của đáy; m l’ = H = 1450 mm

D’ – đường kính tính toán của đáy; m (công thức 6-29, [6], trang 133)

𝑐𝑜𝑠30 = 1666,46 mm Trong đó: dt = dy = 25 mm là đường kính cửa tháo sản phẩm

Pn = 0,215 N/mm 2 ttt = 71,02 + 20 = 91,02 0 C (đáy có bọc lớp cách nhiệt)

Các thông số cần tra và chọn:

[σ]* = 121 N/mm 2 - ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt (hình 1-2, [6], trang

16) η = 0,95 - hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)

[σ] = η.[σ]* = 0,95.121 = 114,95 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu

Et = 2,05.10 5 N/mm 2 - module đàn hồi của vật liệu ở ttt = 91,02(bảng 2-12, [6], trang

162) nc = 1,65 - hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, tính toán thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, trang 14)

𝜎 𝑐 𝑡 = nc [σ]* = 1,65.121 = 199,65 N/mm 2 - giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-

Chọn bề dày tính toán đáy S = 10 mm

 Kiểm tra bề dày đáy

1666,46 = 0,87 Kiểm tra công thức 5-15, [6], trang 99:

 0,15 ≤ 0,87 ≤ 9,47 (thỏa) Kiểm tra công thức 5-17, [6], trang 99:

 Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của áp suất ngoài

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, [6], trang 99:

 Kiểm tra độ ổn định của đáy khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục

Lực tính toán P nén đáy:

Dn – đường kính ngoài của buồng đốt ; mm

Pn – áp suất tác dụng lên đáy thiết bị; N/mm 2

Lực nén chiều trục cho phép:

Kc – hệ số phụ thuộc vào tỷ số 𝐷 𝑡

62 Điều kiện ổn định của đáy:

Vậy bề dày của đáy nón là 10 mm

 Tính bền cho các lỗ

Vì đáy chỉ có lỗ để tháo liệu nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3), [6], trang 162: dmax = 2.[( 𝑆− 𝐶 𝑎

S: bề dày đáy thiết bị; mm

S’: bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồng đốt)

Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn; mm

D’: đường kính tính toán của đáy; mm

So sánh: Ống tháo liệu dt = 25 mm < dmax= 353,15

=> Cần tăng cứng cho lỗ.

Tính cho nắp thiết bị

Chọn nắp buống bốc là ellipse theo tiêu chuẩn có Db = 2000 mm

4 = 500mm và Rb = Db = 2000 mm Nắp có gờ và chiều cao gờ là hg = 25mm

Nắp có lỗ để gắn ống tuần hoàn đưa dung dịch vào buồng bốc

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

 Bề dày thực S Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,21 at nên chịu áp suất ngoài là

Pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,21= 1,79 at = 0,175 N/mm 2 Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là ttt = 60,7 + 20 = 80,7 0 C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn bề dày tính toán nắp S = 10 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc

 Kiểm tra bề dày nắp

𝐸 𝑡 = 2,05 10 5 𝑁/𝑚𝑚 2 : hệ số modul đàn hồi của vật liệu làm nắp

𝜎 𝑐 𝑡 = nc [𝜎] ∗ = 1,65.123 = 202,95: giới hạn chảy của vật liệu

𝜎 𝑛 = [𝜎] ∗ 𝜇 3.0,95 = 116,85N/mm 2 ứng suất nén cho phép của vật liệu x = 0,7 :với thép không gỉ nc = 1,65 hệ số an toàn khi chảy

Vậy bề dày của nắp elip là 10 mm

 Tính bền cho các lỗ

Vì nắp chỉ có lỗ để gắn ống tuần hoàn nên đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được tính theo công thức (8-3),[6], trang 162: dmax = 2.[( 𝑆− 𝐶 𝑎

S - bề dày đáy thiết bị; mm

S’ - bề dày tính toán tối thiểu của đáy; mm (chọn theo cách tính của buồng bốc)

Ca - hệ số bổ sung do ăn mòn; mm

Dt - đường kính trong của nắp; mm

So sánh: Ống dẫn hơi thứ dt = 350 mm > dmax

=> 𝐾ℎô𝑛𝑔 cần tăng độ cứng cho ống dẫn hơi thứ

Tính mặt bích

2.8.1 Sơ lược về cấu tạo

Bulong và bích được làm từ thép CT3

Mặt bích ở đây được dùng để nối nắp của thiết bị với buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị

Chọn bích liền bằng thép, kiểu 1 (bảng XIII.27, sổ tay QTTB tập 2, trang 417)

Các thông số cơ bản của mặt bích:

Dt: Đường kính trong; mm

D: Đường kính ngoài của mặt bích; mm

Dbl: Đường kính vòng bu lông; mm

D1: Đường kính đến vành ngoài đệm; mm

D0: Đường kính đến vành trong đệm; mm db: Đường kính bu lông; mm

Z: Số lượng bu lông; cái h: chiều dày mặt bích; mm

 Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt

Buồng bốc và buồng đốt nối với nhau theo đường kính buồng đốt 𝐷 𝑡 = 1600 mm Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,17 N/mm 2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,175 N/mm 2

Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, [2], trang 419

Bảng 1 5 Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm Mm Mm cái mm mm

 Mặt bích nối buồng đốt và đáy

Buồng đốt và đáy được nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 1600 mm Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,17 N/mm 2 Áp suất tính toán của đáy là 0,175 N/mm 2

Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm 2 để bích kín than tra bảng XIII.27, sổ tay [2], trang 419:

Bảng 1 6 Số liệu nối của buồng đốt – đáy

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm Mm Mm cái mm mm

 Mặt bích nối buồng bốc và nắp

Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 2000mm Áp suất tính toán của buồng bốc và nắp cùng là 0,175 N/mm 2

Chọn dự phòng áp suất trong thân là Py = 0,6 N/mm 2 để bích kín than tra bảng XIII.27, sổ tay [2], trang 421

Bảng 1 7 Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp

Kích thước nối Kiểu bích

N/mm 2 mm mm mm cái mm Mm

Tính vỉ ống

2.9.1 Sơ lược về cấu tạo

Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất

- Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong

- Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

- Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là tt = tD = 126,25 0 C Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [𝜎] 𝑢 ∗ = 120 N/mm 2 (hình 1-2, [6], trang 16) Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 1

67 Ứng suất uốn cho phép của vật liệu tt là:

 Tính cho vỉ ống phía trên buồng đốt

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống ℎ 1 ′ được xác định theo công thức

K nằm trong khoảng 0,028-0,360  chọn K= 0,3 (tự chọn)

Dt = 1600 mm : Đường kính trong của buồng đốt

P0 = 0,17 N/mm 2 : Áp suất tính toán ở trong ống ( bằng với áp suất tính toán của buồng đốt)

Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức 8

0 : Hệ số làm yếu vỉ ống do khoan l

𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑡 = 1600: Đường kính vỉ ống mm

∑d: Tổng số đường kính các lỗ trong vỉ mm

∑d = dth + n dt-ống = 325 + 6.25 = 475 mm dth: đường kính trong của ống tuần hoàn: 325mm dt-ống: đường kính trong của ống truyền nhiệt: 25mm n: số ống bố trí theo đường kính của vỉ

 Kiểm tra độ bền của vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức 8-53, [6], trang 183:

Trong đó: dn = 29 mm: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt t = 1,4.dn = 1,4.0,029 = 0,0406 m: bước ống

Vậy vỉ ống ở trên buồng đốt dày 36 mm

 Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt

Chọn bề dày của vỉ ống phía dưới bằng chiều dày của vỉ ống phía trên và bằng 30mm Các bước làm giống xác định bề dày cho vỉ ống trên buồng đốt.

Khối lượng và trai treo

Khối lượng cần chịu: m = mtb + mdd

Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb= mđ + mn + mbb + mbđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + mbích + mbu lông + mốc

69 mđ - khối lượng thép làm đáy; kg mn - khối lượng thép làm nắp; kg mbb - khối lượng thép làm buồng bốc; kg mbđ - khối lượng thép làm buồng đốt; kg mc - khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt; kg mống TN - khối lượng thép làm ống truyền nhiệt; kg mống TH - khối lượng thép làm ống tuần hoàn trung tâm; kg

Khối lượng riêng của thép không gỉ OX18H10T là 𝜌 = 7900 kg/m

Khối lượng riêng của thép CT3 là 𝜌 = 7850 kg/m 3

Khối lượng thép làm buồng đốt

4 (1,610 2 − 1,6 2 ) = 0,05 𝑚 3 mbđ = ρ Vbd = 7900.0,05 = 395 kg Trong đó:

H: Chiều cao buồng đốt (bằng chiều cao ống truyền nhiệt, m)

Dd, n, Dd, t : Đường kính ngoài và trong của buồng đốt; m

Buồng bốc được làm bằng thép không gỉ OX18H10T

Thể tích thép làm buồng bốc:

4 (2,020 2 − 2,0 2 ) = 0,06 𝑚 3 Khối lượng thép làm buồng bốc:

Mbb = ρ Vbb = 7900.0,06 = 474 kg Trong đó:

Dnbb = 2020 mm - đường kính ngoài buồng bốc

Dtbb = 2000 mm - đường kính trong buồng bốc

Hbb = 2000 mm- chiều cao buồng bốc

2.10.3 Phần Hình Nón Cụt Giữa Buồng Bốc Và Buồng Đốt

Hình nón cụt được làm bằng thép không gỉ OX18H10T Đường kính trong lớn bằng đường kính buồng bốc Dtb= 2000mm Đường kính trong nhỏ bằng đường kính buồng đốt Dtt = 1600 mm

Bề dày của phần hình nón cụt (không tính gờ) bằng với bề dày buồng bốc S = 10 mm

Bề dày của phần gờ nón cụt bằng với bề dày buồng đốt S = 10 mm

Chiều cao của phần hình nón cụt (không tính gờ) là Hc = 300 mm

Chiều cao của phần gờ nón cụt là Hgc= 50 mm

Thể tích thép làm phần hình nón cụt:

12[(D nb 2 + D nb D nt + D nt 2 ) − (D tb 2 + D tb D tt + D tt 2 )]H C +𝜋

4(1,610 2 − 1,6 2 ) 0,05 = 0,014 (𝑚 3 ) Khối lượng thép làm phần hình nón cụt: mc =1 Vc = 7900 0,014 = 110,6 (kg)

2.10.4 Đáy Nón Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60 0 , có gờ cao 40 mm

Tra bảng XIII.21, sổ tay QTTB tập 2, trang 394:

Khối lượng thép làm đáy nón: mđ = 1,01.365 = 368,65 kg

Thể thích ở phần đáy: 𝑉 đ = 1,207 𝑚 3 tra ở [2], trang 394

Nắp ellipse được làm bằng thép không gỉ OX18H10T Nắp ellipse tiêu chuẩn có:

Tra bảng XIII.11, sổ tay QTTB tập 2, trang 384: Khối lượng thép làm nắp ellipse: mn = 1,01.364 = 367,64 kg

2.10.6 Ống Truyền Nhiệt Và Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T

Thể tích thép làm ống:

Trong đó: dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m dt - đường kính trong của ống truyền nhiệt; m

Dnth - đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m

Dtth - đường kính trong của ống tuần hoàn trung tâm; m

H - chiều cao của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm; m

Khối lượng thép làm ống: mong = 1Vong = 7900.0,136 = 1074,4 (kg)

Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt nối nắp và buồng bốc, 2 mặt nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt nối buồng đốt và đáy Các mặt bích phía buồng đốt có vỉ ống Mặt bích được làm bằng thép CT3

 Thể tích thép làm hai mặt bích

 Thể tích thép làm hai vỉ ống có mặt bích

D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc - buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy

Dt - đường kính trong của buồng đốt; m dn - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; m

Dnth - đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm; m

 Thể tích thép làm mặt bích nối nắp và buồng bốc

D, Z, db, h là những thông số của mặt bích nối nắp - buồng bốc

Dt - đường kính trong của buồng bốc; m

Tổng thể tích thép làm mặt bích:

Tổng khối lượng thép làm phần hình nón cụt: mbích = 2 Vbích = 7850 0,277 = 2174,45 (kg)

Bu lông và ren được làm bằng thép CT3

 Dùng cho bích nối buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt – đáy

D = 1,3.db= 1,3.30 = 39 mm - đường kính bu lông

H = 0,5.db= 0,5.30 = 15 mm - chiều cao phần bu lông không chứa lõi h’ = 0,6.db= 0,6.30 = 18 mm - chiều cao đai ốc h’’ = 32 mm - chiều cao phần lõi bu lông h’’’ = 0,25 𝑑 𝑏 = 0,25.30 = 7,5 mm - kích thước phần ren trống

 Dùng cho bích nối buồng bốc – nắp

D = 2.db = 2.30 = 60 mm - đường kính bu lông

H = 2,5.db = 2,5.30 = 32,5 mm - chiều cao phần bu lông không chứa lõi h’ = 0,9.db= 0,8.30 = 27 mm - chiều cao đai ốc h’’ = 45 mm - chiều cao phần lõi bu lông h’’’ = 0,25.𝑑 𝑏 = 0,25.30 = 7,5 mm - kích thước phần ren trống

2.10.9 Đai Ốc Đai ốc được làm bằng thép CT3

 Dùng cho buồng bốc – buồng đốt và bích nối buồng đốt với đáy

H’ = 0,6.db= 0,6.30 = 18 mm - chiều cao đai ốc dt = 1,5.db = 1,5.30 = 45 mm - đường kính trong của đai ốc dn = 2.dt = 2.45 = 90 mm - đường kính ngoài của đai ốc

 Dùng cho bích nối nắp và buồng bốc

H’ = 0,8.db= 0,8.30 = 24 mm - chiều cao đai ốc dt= 2.db = 2.30 = 60 mm - đường kính trong của đai ốc dn = 2,2.dt = 2,2.60 = 132 mm - đường kính ngoài của đai ốc

4 0,024 = 0,01 (𝑚 3 ) Tổng thể tích thép làm bu lông, ren và đai ốc:

∑ 𝑉= 𝑉 1 ′ + 𝑉 2 ′ + 𝑉 1 ′′ + 𝑉 2 ′′ = 0,0046 + 0,0071 + 0,0069 + 0,01 = 0,0286 (𝑚 3 ) Tổng khối lượng thép làm bu lông, ren và đai ốc: m bulong + m đai ốc = 7850 0,0286 = 224,51 (kg)

2.10.10 Vỉ Ống Được làm bằng thép không gỉ OX18H10T

Thể tích thép làm vỉ ống:

Dtd = 2000 mm - đường kính trong của buồng đốt dn = 29 mm - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

Dnth = 329 mm - đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

S = 36 mm - chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống

Khối lượng thép làm vỉ ống: mvi = 1Vvi = 7900.0,201 = 1587,9 (kg) mvi = 1Vvi = 7900.0,201 = 1587,9 (kg)

Bảng 1 8 Tổng kết khối lượng thép

Chi tiết Loại thép Khối lượng; kg

Phần hình nón cụt OX18H10T 110,6 Đáy nón OX18H10T 368,65

Nắp ellipse OX18H10T 367,64 Ống truyền nhiệt & ống tuần hoàn trung tâm OX18H10T 1074,4

Bu long, Ren, Đai ốc CT3 224,51

 Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch trong thiết bị

Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch là khối lượng riêng ở nồng độ 62% và nhiệt độ tsdd(Po) = 62,98 o C => ρ = 981,59kg/m 3 sổ tay QTTB tập 1, trang 311

Thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt:

Thể tích dung dịch trong thiết bị:

Db: đường kính trong buồng bốc; m

Dđ: đường kính trong buồng đốt; m

Hc: chiều cao hình nón cụt không tính gờ; m

Hgc: chiều cao gờ hình nón cụt; m

𝑉 ố𝑛𝑔 𝑇𝑁 : thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt; m 3

𝑉 ố𝑛𝑔 𝑇𝐻 : thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm; m 3

Vđ: thể tích dung dịch trong đáy; m 3

Khối lượng lớn nhất có thể: m ddmax = ρ 𝑉 𝑑𝑑 = 981,59 2,21 = 2169,31 𝑘𝑔 Tổng trọng tải trong thiết bị:

M = mtb + mddmax = 6777,15 + 2169,31 = 8946,46 kg Tải trọng cho tai đỡ ( G ):

Chọn chân đỡ tai treo:

Chọn vật liệu là thép CT3

Chọn thiết bị gồm 2 tai treo

Tải trọng ở mỗi chân đỡ tai treo: 2,5.10 4 N

Tra bảng XIII.36, sổ tay QTTB tập 2, trang 438 ta có các kích thước tai treo, chân đỡ:

G.10 4 N F.10 4 m 2 q.10 -6 N/m 2 L B B1 H S L a d Khối lượng tai treo, kg

Tính toán thiết bị phụ

4 , W/(m 2 K) Trong đó: α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m 2 K r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at => r = 2189,5.10 3

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)

A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

Với tD, tt1: nhiệt độ hơi đốt và tường phía hơi ngưng

A: tra ở sổ tay quá trình thiết bị tập 2, trang 29

 Nhiệt tải phía hơi nước bão hòa

Trong đó: α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng; W/m 2 K r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at

Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314: có r = 2189,5 10 3 J/kg

H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 2 m

A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng

77 tt1: Nhiệt độ của mặt tường 1 tD: Nhiệt độ của hơi đốt;

Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 121,3 0 C

Với tm = 123,775 nằm trong khoảng 120140℃ tra bảng sổ tay QTTB tập 1 ta được A

Nhiệt tải phía hơi ngưng

 Nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến lòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức VI.27, [2], trang 71:

Trong đó: αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi bọt nên αn được tính theo công thức V.91, [2], trang 26

Với: p = 0,21 at = 20593,96 N/𝑚 2 Δt = Δt2 = tt2 – tsdd(ptb) tt2 = tt1 - Δtt

Trong đó: Δt2: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống

78 Δtt: Hiệu số truyền nhiệt giữa 2 mặt ống truyền nhiệt

∆𝑡: Hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi Δ𝑡 𝑡 = Q1 Σr Σr: Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

   r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn 2 phía tường

Tra ở bảng 31, [10] , trang 419, ta có: r1 = 1

1800 = 0,556.10 -3 m 2 K/W, Nhiệt trở của cặn bẩn r2 = 1

4000 = 0,255.10 -3 m 2 K/W, Nhiệt trở của nước sạch

Chọn ống truyền nhiệt có bề dày δ = 2mm = 0,002m

Tra bảng XII.7, [2], trang 313 với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T Vật liệu thép OX18H10T có λ = 16,3 W/m.K

=>  n  0,145 p 0,5  t 2,33 = 0,145 20593,96 0,5 12,62 2,33 = 7650,79 (W/m 2 k) Tại tsdd(ptb) = 70 ( o C) và tsdm(ptb) = 64,76 ( o C) ta có

Cdm, àdm, λdm, ρdm: Tra bảng I.249, [1], trang 311 ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, [1], trang 59,60 àdd: tra bảng I.112, trang 114

Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch, 0 C x: nồng độ của dung dịch, % λdd: Được tính theo công thức I.32, sổ tay QTTB tập 1, trang 123

A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết A = 3,58.10 -8

M: Khối lượng mol của hỗn hợp, ở đây là hỗn hợp dung dịch đường sacharose ( 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 11 ) và 𝐻 2 𝑂

M = a.𝑀 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 11 + (1- a).𝑀 𝐻 2 𝑂 = a.342 + (1- a).18 a: là phần mol của 𝐶 12 𝐻 22 𝑂 12 x: là nồng độc cuối của sản phẩm

So sánh sai số giữa 𝑄 1 và 𝑄 2 ta có:

Nhận xét: ta thấy 𝜀 = 1,88 % < 5% Chấp nhận sai số

 Nhiệt tải riêng trung bình

 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

744,06.59,25 = 28,73 (𝑚 2 ) Chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt chuẩn là F = 40 (𝑚 2 ), theo sổ tay QTTB tập 5, trang

 Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức III–49,[4], trang 134 l d n F

F = 40 m 2 - diện tích bề mặt truyền nhiệt l = 2 m - chiều dài của ống truyền nhiệt d - đường kính của ống truyền nhiệt

Vì 𝛼1 > 𝛼2 nên ta chọn d = dt = 25 mm

Số ống truyền nhiệt là: n = 40

Theo bảng V.11, trang 48, [2], trang 48, chọn số ống n = 301 và bố trí theo hình lục giác đều Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức V.140, [2], trang 49:

81 dn = dt + 2.S; m - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt t = β.dn = 1,4.0,029 = 0,0406 m - bước ống b =√ 4

3 (301 − 1) + 1 = 21 - số ống trên đường xuyên tâm của lục giác

Thể tích bình gia nhiệt:

Tính thiết bị ngưng tụ baromet

2.12.1 Chọn thiết bị ngưng tụ

Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:

- Dung môi dễ bay hơi

Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất

Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng)

Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn tách lỏng

Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển

2.12.2 Tính thiết bị ngưng tụ baromet

 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ

Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ không khí trung bình ở TPHCM là t = 27,2

Nhiệt độ bầu ướt được chọn là tư = 26 0 C

Nhiệt độ đầu của nước lạnh được chọn là t2d = 26 + 4 = 30 0 C

Theo công thức VI.51, [2], trang 84:

Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s

W: lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s

3600 = 0,48 𝑘𝑔/𝑠 i: nhiệt dung riêng của hơi tứ tại áp suất ngưng tụ 0,2at (bảng I.251, [1], trang 314), i = 2607.10 3 J/kg

𝑡 2𝑐 , 𝑡 2𝑑 : nhiệt độ cuối, đầu của nước làm nguội, lấy 𝑡 2𝑑 = 30 o C

𝑡 𝑛𝑔 : nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ, o C

𝐶 𝑛 : nhiệt dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiệt độ trung bình

 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị

Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet được tính theo công thức VI.47,

Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s

W : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s Đổi với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức VI.50, [2], trang 84: tkk= t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 30 + 4 + 0,1.(66,02 – 30) = 37,602 o C

Tra giản đồ không khí ẩm : png = 0,2at = 1,96133.10 4 áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ ph = 0,067at = 6570,45: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk (tra ở Bảng 56, [4], trang 45)

Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị tính theo VI.49, [2], trang 84:

2.12.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet

 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ

Theo VI.52, [2], trang 84, ta có đường kính trong thiết bị ngưng tụ:

W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W = 0,48 kg/s

h: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, chọn h = 35 m/s (vì ở áp suất làm việc 0,2at thì h = 3515m/s ) [2, trang 85].

h: khối lượng riêng của hơi, tra bảng I.25, [1], trang 314 và nội suy : ở 0,067 at được h = 0,04 kg/m 3

Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là 800 mm

 Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ

: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 48,01 0 C là 988,89

Thường có dạng viên phân để đảm bảo làm việc tốt

Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53, [2], trang 85 b = 𝐷 𝑡𝑟

Có nhiều lỗ nhỏ được đúc trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ chọn là 2mm

Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ:

- Theo sổ tay QTTB tập 2, trang 85, bề dày tấm ngăn (): chọn  = 4 mm

- Theo sổ tay QTTB tập 2, trang 85, chọn nước sông (ao, hồ) để ngưng tụ hơi thứ thì đường kính lổ d = 5 mm

- Theo sổ tay QTTB tập 2, trang 85 chọn chiều cao gờ tấm ngăn là: 40 mm Chọn tốc độ tia nước là 0,62 m/s

Mức độ đun nước nóng:

Trong đó: tbh = 93℃ nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ khi áp suất ngưng tụ pc = 0,8 at

Tra bảng VI.7, [2], trang 86 với d = 2mm và P = 0,58 (Giá trị gần với 0,57 nhất), suy ra:

- Khoảng cách giữa các ngăn h = 400mm

- Thời gian rơi qua một bậc t = 0,41s

Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần

Vậy khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50mm cho mỗi ngăn:

- Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400mm (có 4 ngăn)

- Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300mm

- Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đấy thiết bị là 1200mm

- Chiều cao phần gờ của nắp là 50mm

- Chiều cao phần nắp đấy nón là 175mm

- Chiều cao phần nắp ellipse là 125mm

Vậy chiều cao của thiết bị ngưng tụ là :

 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet

Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet

Ký hiệu các kích thước Ký hiệu Kích thước Đường kính trong của thiết bị Dtr 800

Chiều dày của thành thiết bị S 5

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị A 1300 Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị P 1200

Bề rộng của tấm ngăn B 550

Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi

Chiều cao của hệ thống thiết bị H 5080

Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 2350 Đường kính của thiết bị thu hồi D1 500

Chiều cao của thiết bị thu hồi h1 (h) 1700 Đường kính của thiết bị thu hồi D2 400

Chiều cao của thiết bị thu hồi h2 1350

Khoảng cách giữa các ngăn a1 200 a2 260 a3 320 a4 3800 a5 440 Đường kính cửa ra và vào

Hổn hợp khí và hơi ra d3 125

Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 125

Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi d6 80

Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d7 70 Ống thông khí d8 25

Theo công thức VI.58, [2], trang 86, ta có:

87 h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số trong áp suất khí quyển và trong thiết bị ngưng tụ h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống

Theo công thức VI.60, [2], trang 86:

760 = 2,066𝑚 Trong đó: b: áp suất chân không trong thiết bị, mmHg Với b là áp suất chân không trong thiết bị ngưng tụ b = 0,2at = 0,2.760 mmHg

Theo công thức VI.61, [2], trang 87:

Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống 𝝃1=0,5 và khi ra khỏi ống 𝜉2 = 1 thì công thức sẽ có dạng:

 : hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, (W/m.độ)

H: chiều cao tổng cộng trong ống baromet, m g= 9,81 m/s 2

𝜔: tốc độ nước chảy trong ống (𝜔 thường trong khoảng 0,5 → 0,6) Chọn 𝜔 = 0,6 Chuẩn số Re:

=> Dòng nước trong ống baromet ở chế độ chảy xoáy Trong đó:

: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 48,01

=> n = 988,89 kg/m 3 à = 0,569 độ nhớt động lực nước lấy ở nhiệt độ trung bỡnh 48,01 0 C

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám  = 0,2mm

Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]

Ren được tính theo công thức II.62, [1], trang 379:

 Regh < Re < Ren (khu vực quá độ) 16096,17 < 208553,25 < 521702,21

Hệ số ma sát λ theo công thức II.64, [1], trang 380

Mà ta có chiều cao ống baromet

10900𝐻 + 0,5 Giải phương trình ta được : H = 3,65m

Chiều cao của thiết bị :

H thiết bị = H TB ngưng tụ + H ống baromet = 5,65 + 3,65 = 9,3 m

Bảng 1 9 Tổng hợp thông số thiết bị ngưng tụ Baromet

Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị

Nhiệt độ tc ℃ 71,02 Áp suất Po at 0,2

Nhiệt dung riêng Cn J/(kg.K) 4178

Lưu lượng khối lượng nước lạnh Gn Kg/s 7,43

Lưu lượng thể tích khối nước lạnh Vn m 3 /s 0,00751 Áp suất hơi bão hòa ph at 0,067

Lưu lượng khối lượng kk được hút Gkk Kg/s 0,005 Lưu lượng thể tích kk được hút Vkk m 3 /s 0,034

Nhiệt độ tkk ℃ 37,602 Đường Kính Trong Thiết Bị Ngưng Tụ

Khối lượng riêng của hơi thứ 𝜌 ℎ Kg/m 3 0,04

Tốc độ của hơi thứ 𝜔 ℎ m/s 35 Đường kính trong Dtr mm 0,80

Chiều rộng tấm ngăn b mm 450 Đường kính lỗ trên tấm ngăn d mm 2

Bề dày tấm ngăn 𝛿 mm 4

Chiều Cao Thiết Bị Ngưng Tụ

Mức độ đun nóng nước P 0,57

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị a mm 1300

Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến nắp thiết bị an mm 1200

Tốc độ nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống

Chiều cao của cột nước bằng với (Pkq-Pc) h1 m 2,066

Hệ số trở lực nước vào 𝜉 1 0,5

Hệ số trở lực nước ra 𝜉 2 1

Khối lượng riêng của nước lạnh và nước ngưng

𝜌 𝑛 Kg/m 3 988,89 Độ nhớt động lực 𝜇 𝑛 Ns/m 2 0,569

Chiều cao thiết bị ngưng tụ HTB ngưng tụ m 5,65

Bồn cao vị

Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhập liệu bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm thắng được các trở lực của đường ống và cao hơn so với mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc Áp dụng phương trình Bernoulli với hai mặt cắt là 1-1 (mặt thoáng của bồn cao vị), 2-2 (mặt thoáng của nồi cô đặc)

Trong đó: v1 = v2= 0 m/s p1 = 1 at p2 = p0 = 0,21 at ρ 27,7: sổ tay QTTB tập 1, trang 58 khối lượng riêng của dung dịch đường mía 20% μ = 0,769.10 −3 N.s/m 2 - độ nhớt động lực học của dung dịch đường mía 20% ở ttbb,98 o C z2: khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc đến mặt đất;m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 1,5 + 2 + 0,05 + 0,3 = 4,85m

Z’= 1m : khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất

Hđ = 1,450 + 0,05 = 1,5 m: chiều cao của đáy nón.(có gờ)

Hbđ = 2m: chiều cao của buồng đốt

Hgc = 0,05m: chiều cao của gờ nón cụt

Hc = 0,3m: chiều cao của phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 25mm = 0,025m

Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buống bốc là l = 20m

Tốc độ của dung dịch ở trong ống:

0,769×10 −3 = 35748,99 > 4000( chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, [1], trang 381)

Ta có độ nhám tuyêt đối là ε = 0,2mm

Regh được tính theo công thức II.60, [1], trang 378:

Ren được tính theo công thức II.62, [1], trang 379:

=> Regh < Re < Ren ( khu vực quá độ) 1158,42 < 35748,99 < 39122,15

Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, [1], trang 380: λ = 0,1(1,46 𝜀

35748,99) 0,25 = 0,035 Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực cục bộ Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1 Đầu ra ξ ra 1 1

∑𝜉 = 0,5 + 1 + 6.1 + 2.1,5 = 10,5 Tổng tổn thất trên đường ống h1-2= 𝑣 2 2𝑔(𝜆 𝑙

0,025+ 10,5) = 2,24 𝑚 Khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất: z1= z2+ 𝑝 2 −𝑝 1

Dung dịch đường mía 7% luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi có độ cao từ 7,089 m trở lên

Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 8m

Bơm

Bơm là máy thủy lực dùng để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng Các đại lượng đặc trưng của bơm là năng suất, áp suất, hiệu suất, công suất tiêu hao và hệ số quay nhanh

Công suất của bơm chân không là:

𝑛 𝐶𝐾 : hệ số hiệu chỉnh 𝑛 𝐶𝐾 = 0,8 m : chỉ số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 , chọn m = 1,62

𝑝 1 : áp suất khí lúc hút

𝑝 2 : áp suất khí quyển bằng áp suất khí lúc đẩy, chọn 𝑝 2 = 1at = 9,81.10 4 N/m 2

𝑝 𝑘𝑘 : áp suất không khí trong thiết bị ngưng tụ

𝑝h: áp suất của hơi nước trong hỗn hợp ở tkk

𝑉 𝑘𝑘 :lưu lượng thể tích không khí cần hút

Suy ra công suất của bơm chân không là :

Tốc độ hút ở 0 o C và 760 mmHg là S = 0,034.60 = 2,04 𝑚 3 /phút

Ta chọn bơm có ký hiệu là PMK – 2 với các thông số: tra theo [1], trang 513

Năng suất ở độ chân không tính theo

Công suất theo yêu cầu (KW)

Công suất động cơ điện

Kích thước (mm) Khối lượng (kg)

2.14.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ

- Công suất bơm: ( theo bảng I.189, [1], trang 439)

H - cột áp của bơm; m η - hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75

𝜌 = 995,7 kg/m 3 - khối lượng riêng của nước ở 30 o C (tra bảng I.249, trang 310, [1])

Q - lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3 /s

995,7 = 7,46 10 −3 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể nước) và 2 –

2 (mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ):

95 p 2 = 0,8 atm μ = 0,000805 Ns/m 2 - độ nhớt động lực của nước ở 30 o C (bảng I.249, [1], trang

310) z 1 = 2 m - khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất z 2 = 1,2-0,45+10+1 = 11,75m - khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất

 Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến đáy thiết bị: 1,2m

 Khoảng cách ngăn dưới cùng: 0,45m

 Khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất: 1 m

Chọn dhút = dđẩy = đường kính của nước vào bằng 200 mm = 0,200 m => v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là 1,3 m

Tốc độ của dung dịch ở trong ống:

0,000805 = 58628,79 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) v: tốc độ của dung dịch ở trong ống d: đường kính của nước vào

𝜌 = 995,7: khối lượng riêng của nước ở 30 o C(tra bảng I.249,trang 310, [1])

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, [1], trang 381)

=> Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm

Regh được tính theo công thức II.60, [1], trang 378:

Ren được tính theo công thức II.62, [1], trang 379:

=> Regh < Re < Ren ( khu vực quá độ) 16096,17 < 58628,79 < 521702,21

Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, sổ tay QTTB tập 1, trang 380: λ = 0,1.(1,46 𝜀

58628,79) 0,25 = 0,024 Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1 Đầu ra ξ ra 1 1

Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2=

1000×0,75 = 0,559 kW Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán:

𝑁 𝑡𝑡 = 𝛽 𝑁 𝑙𝑡 = 1,5.0,559 = 0,8385 kW (với 𝛽 = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, [1], trang 440),

– Chọn bơm piton 1 cấp thẳng đứng M- 193 ([1], trang 451)

2.14.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị

H - cột áp của bơm; m η - hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75

𝜌 = 1027,70 kg/m 3 - khối lượng riêng của dung dịch cà chua 7 % ở 30 o C (bảng I.86, [1],trang 58)

Q - lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 7 % được bơm vào bồn cao vị; m 3 /s

𝜌 1728,57 3600 1027,7 = 0,00047m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 – 2 (mặt thoáng của bồn cao vị):

2 𝑔 + ℎ 1−2 Trong đó: v 1 = v2 = 0 m/s p 1 = 1 atm p 2 = 1 atm μ = 1,504,10 -3 Ns/m 2 – độ nhớt động lực của dung dịch cà chua 20 %, ở nhiệt độ

30 0 C => Nội suy từ bảng I.112, [1], trang 114 z 1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất z 2 = 3,5 m - khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất

Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m => vhút = vđẩy = v

Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị là 7 m

Tốc độ của dung dịch ở trong ống:

0,001504 308,01 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, [1], trang 381) => Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm

Re gh được tính theo công thức II.60, [1, trang 378]:

Re n được tính theo công thức II.62, [1, trang 379]:

=> Re gh < Re < Re n (khu vực quá độ) 1158,42 < 30208,01 < 39122,15

Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, [1, trang 380]: λ = 0,1(1,46 𝜀

30208,01) 0,25 = 0,036 Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1 Đầu ra ξ ra 1 1

Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2= 𝑣 2 2𝑔(𝜆 𝑙

𝑁 𝑡𝑡 = 𝛽 𝑁 𝑙𝑡 = 1,5.0,024 = 0,036kW (với 𝛽 = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, [1- trang 440])

Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn Ký hiệu bơm là K

H - cột áp của bơm; m η - hiệu suất của bơm Chọn η = 0,75

𝜌 = 1027,7 kg/m 3 - khối lượng riêng của dung dịch cà chua 7 % (bảng I.86, [1- trang 60])

Q - lưu lượng thể tích của dung dịch cà chua 7% được tháo ra khỏi nồi cô đặc; m 3 /s

𝜌 1728,57 3600 1027,7 = 0,00047 m 3 /s Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón) và 2 – 2 (mặt thoáng của bể chứa sản phẩm):

H: Chiều cao đáy nón 𝐻 đ = 1,024 + 0,05 = 0,775 (có gờ) μ = 0,003249 Ns/m 2 - độ nhớt động lực của dung dịch cà chua 20% (bảng I.112, [1-114]) z 1 = 1 m - khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất z 2 = 2 m - khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất

Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m => vhút = vđẩy = v

Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến ống tháo liệu là l=5 m

Tốc độ của dung dịch ở trong ống:

0,001504 = 20362,671 ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, [1- trang 381])

=> Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm

Regh được tính theo công thức II.60, [ 1- trang 378]:

Ren được tính theo công thức II.62, [sổ tay QTTB tập 1- trang 379]:

=> Regh< Re< Ren ( khu vực quá độ) 1158,42 < 20362,671 < 39122,14702

Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, [1- trang 380]: λ = 0,1(1,46 𝜀

- Các hệ số trở lực cục bộ:

Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1

Tổng tổn thất trên đường ống: h1-2 =

1000.0,75 = 0,04 kW Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán:

𝑁 𝑡𝑡 = 𝛽 𝑁 𝑙𝑡 = 1,5.0,04 = 0,06 kW (với 𝛽 = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, [1- trang 440])

Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn Ký hiệu bơm là K.

Lớp cách nhiệt

Vật liệu chế tạo là amiante carton

Bề dày lớp cách nhiệt của buồng đốt được tính theo công thức VI.66, [ sổ tay quá trình và thiết bị tập 2- trang 92]:

𝑡 𝑇1 - nhiệt độ của lớp cách nhiệt tiếp giáp với bề mặt thiết bị; 0 C

Vì nhiệt trở của thành thiết bị rất nhỏ so với nhiệt trở của lớp cách nhiệt nên có thể

𝑡 𝑇2 - nhiệt độ của bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí, vào khoảng từ 40 0 C đến

𝑡 𝐾𝐾 - nhiệt độ của không khí; 0 C Chọn 𝑡 𝐾𝐾 = 32,892 0 C (bảng VII.1, [2- trang 97])

𝛼 𝑛 - hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí; W/(𝑚 2 K), được tính theo công thức VI.67, [2- trang 92]:

𝛼 𝑛 = 9,3 + 0,058 𝑡 𝑇2 = 9,3 + 0,058.(45 + 273) = 27,744 W/(𝑚 2 K) λ 𝑐 = 0,144 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của amiante carton ở 100 0 C

27,744.(45−32,892) = 0,035 Để thuận tiện trong chế tạo, chiều dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc và buồng đốt được chọn là 35 mm.

Cửa sửa chữa

Vật liệu chế tạo là thép CT3 Đường kính của cửa sửa chữa là D = 500 mm

Cửa được bố trí sao cho mép dưới của nó cao hơn mặt thoáng của dung dịch trong buồng bốc để chất lỏng không chảy ra ngoài Chọn khoảng cách từ mép dưới cửa đến mặt thoáng của dung dịch là 0,45 m

=> Khoảng cách từ mực chất lỏng đến tâm của cửa sửa chữa:

Kính quan sát

Vật liệu chế tạo là thép CT3 và thuỷ tinh Đường kính ngoài của kính quan sát là D = 230 mm Đường kính trong của kính quan sát là D 0mm

Kính được bố trí sao cho mực chất lỏng có thể được nhìn thấy Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc, tạo thành góc 180.