Xoài _ Mangifera indica L. Thuộc họ Đào lộn hột Anacardiaceae. Xoài là loại cây ăn quả nhiệt đới, nguồn gốc cây xoài ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia. Qủa: xoài chín có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon. Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, sấy khô để tiêu thụ nội địa và xuất khẩu 2.2 Thành phần hóa học có trong quả xoài: Quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B, C chiếm từ 2 3%, đường chiếm 20% (là loại đường đơn được hấp thu hoàn toàn), Axitsitric, Caroten (tiền sinh tố A) 15%. Quả chứa nhiều caroten và vitamin B1, B2 và C. Hạch quả chứa nhiều tinh bột, dầu và tanin. Lá chứa tanin và một hợp nhất flavonoid là mangiferin. Vỏ thân chứa 3% tanin và mangiferin. 2.3 Gía trị sử dụng của quả xoài trong cuộc sống: Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO, 1976): nước 86, 5g; glucid 15, 9g; protein 0, 6g; lipid 0, 3g; tro 0, 6g; các chất khoáng: Ca 10mg, P 15mg, Fe 0, 3mg; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0, 06mg, C 36mg; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, làn da và thị
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
Đặc điểm chung về cây xoài
- Thuộc họ Đào lộn hột - Anacardiaceae
- Xoài là loại cây ăn quả nhiệt đới, nguồn gốc cây xoài ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia
- Qủa: xoài chín có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, sấy khô để tiêu thụ nội địa và xuất khẩu
Thành phần hóa học có trong quả xoài
- Quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B, C chiếm từ 2 - 3%, đường chiếm 20% (là loại đường đơn được hấp thu hoàn toàn), Axitsitric, Caroten (tiền sinh tố A) 15%
Quả chứa nhiều caroten và vitamin B1, B2 và C Hạch quả chứa nhiều tinh bột, dầu và tanin
Lá chứa tanin và một hợp nhất flavonoid là mangiferin Vỏ thân chứa 3% tanin và mangiferin.
Gía trị sử dụng của quả xoài trong cuộc sống
- Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO, 1976): nước 86, 5g; glucid 15, 9g; protein 0, 6g; lipid 0, 3g; tro 0, 6g; các chất khoáng: Ca 10mg,
P 15mg, Fe 0, 3mg; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0, 06mg, C 36mg; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, làn da và thị lực; 46% nhu cầu vitamin C.Quả xoài xanh thái mỏng, phơi khô hoặc sấy khô là nguồn vitamin C thiên nhiên dồi dào
III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC
Khái niệm
- Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các quá trình vật lý – hóa lý 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 độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh
- Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh
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 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
Bản chất và tính chất cô đặc
Bản chất : Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc
- Tốc độ cô đặc tùy thuộc các đại lượng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, nhiệt dung riêng,tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ sôi dung dịch, áp suất làm việc của thiết bị
- Các thông số của tác nhân cấp nhiệt cũng ảnh hưởng đến quá trình cô đặc:hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt
- Nhiệt độ sôi của dung dịch tỉ lệ thuận với áp suất làm việc của thiết bị cô đặc
Ứng dụng của sự cô đặc
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
- 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 nguyên chất và đường fructose, glucose 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
3.5.6 Biến đổi của nguyên liệu sản phẩm :
Trong quá trình cô đặc tính chất của nguyên liệu có sự thay đổi a) Biến đổi vật lý:
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 b) Biến đổi hóa học:
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng thủy phân amid của các cấu tử tạo thành acid
- Phân hủy một số Vitamin
- Tăng màu do caramen hóa, phân hủy đường khử c) Biến đổi sinh học:
- 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.
Các thiết bị cô đặc
3.6.1 Phân loại và ứng dụng:
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 các dung dịch khá đặc sệt, độ nhiệt, 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
3.6.2 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: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không
Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế
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.
Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và có ống tuần hoàn trung tâm
Mục đích: Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy Ưu điểm:
• Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ không trong thiết bị
• Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng
• Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch
• Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng
• Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác
• Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
Quy trình sản xuất
-Quá trình xử lí: chuẩn bị cho quá trình ép diễn ra dễ dàng và nhanh
-Ép: Làm giảm kích thước thịt quả để quá chuẩn bị cho quá trình lọc
-Lọc: tách chất rắn không hòa tan ra khỏi dung dịch
-Cô đặc: làm bốc hơi nước xoài ép, tăng nồng độ chất hòa tan trong dung dịch
Các thiết bị và chi tiết
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 phụ:
- 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
Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng phẩm
- 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
- 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.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật chất và năng lượng
Năng xuất nhập liệu : 2500kg/h
- Nồng độ nhập liệu: 15% (khối lượng)
- Nồng độ sản phẩm: 24% (khối lượng)
- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75at
- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa
- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 0 C
Loại thiết bị sử dụng: thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục, ống tuần hoàn trung tâm
- Áp dụng phương trình cân bằng vật chất
Lượng hơi thứ bốc lên ( W )
W: Lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h
Gđ, Gc: Lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h xđ, xc: Nồng độ dung dịch đầu và nồng độ cuối dung dịch, % khối lượng
- Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tỉnh và tổn thất do trở lực đường ống
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Png = 0,25 at Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi ( o C)
Dùng công thức nội suy:
→ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ baromet là tc = 64,2 o C
∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’= 1 o C (trang 295 [3])
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm( P0) – tc = ∆’’’
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)
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ ( o C) Áp suất (at)
Dùng công thức nội suy:
→ Áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,2 o C, P0 = 0,2575 at
1.3.1 Tổn thất do nồng độ Áp dụng công thức Tysenco VI.10 [2] : ∆ ′ = ∆0′ 𝑓 =𝑡𝑠𝑑𝑑 (𝑝0) − 𝑡𝑠𝑑𝑚(𝑝0)
𝑡𝑠𝑑𝑑(𝑝0): Nhiệt độ sôi dung dịch tại áp suất 𝑃0
𝑡𝑠𝑑𝑚(𝑝0): Nhiệt độ sôi dung môi tại áp suất 𝑃0
∆0 ′: là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển
- Tra đồ thị hình VI.2 trang 60 – sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2 [2]
Với nồng độ cuối của dung dịch là 24% thì ∆0 ′≈ 0,48 (Vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (X𝑐) 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 dưới theo đường cong của đường
𝑓 ∶ hệ số hiệu chỉnh và được tính bằng công thức
𝑡 : là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, t = 65,2℃
𝑟 : là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc tại 𝑃𝑐 = 0,25
Tra bảng I.251[1] : Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất Áp suất ( tuyệt đối ) at Nhiệt hóa hơi r hh 10 -3 J/kg
Sau khi tra bảng thì ta có 𝑟 = 2347
Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ ∆ ′ là 0,38℃
1.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh Độ tăng áp suất do thủy tĩnh ∆ ′′ 𝑙à
-𝐻0𝑝: là chiều cao chất lỏng theo ống báo mức, (m)
-𝜌𝑠: Khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sôi bọt (kg/𝑚 3 ) -𝜌𝑠 1
2 khối lượng riêng của dd đặc lúc không có bọt
- dd : khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi nhưng ở trạng thái tĩnh (kg/m 3 )
Ta có ρdd = 1100,92 kg/m 3 (theo bảng I.86 sổ tay quá trình và thiết bị tập1 trang 60 ) ρs = 0,5 1100,92 = 550,46 kg/m 3
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 2 m (bảng VI.6[2])
Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 66 0 C
Tra bảng I.251[1], Ptb = 0,307 at => tsdm(Ptb) ≈ 69,169 o C
Ta có: Δ’’ = tsdm(po + Δp) – tsdm(po) = tsdd(po + Δp) – tsdd(po) i,169 – 65,2 3,969 0 C
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ 0,38+3,969+1=5,349 0 C
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ Áp suất ( tuyệt đối) at Nhiệt độ t, 0 C
=> ΣΔ = 0,38+3,969+1=5,349 o C Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 2,2 at
Theo như bảng trên ta thấy áp suất 2,2 nằm trong khoảng 2at→3at vì vậy nhiệt độ cũng sẽ nằm trong khoảng 119,6℃→132,9℃ (bảng I.251, [1-315])
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δt hi = tD – (tc + ΣΔ)
=> Δt hi = 122,56-(64,2+5,349)S 0 C Tóm tắt cân bằng vật chất
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Năng suất nhập liệu Gđ kg/h 2500
Năng suất tháo liệu Gc kg/h 900
Suất lượng W kg/h 937,5 Áp suất P0 at 0,261
Nhiệt độ Tsdm(P0) ℃ 65,2 Ẩn nhiệt ngưng tụ r kJ/kg 2347
HƠI ĐỐT Áp suất PD at 2,2
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở 𝑃0 Tsdd (P0) ℃ 65,58
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ ℃ 0,38 Áp suất trung bình P tb At 0,307
Nhiệt độ sôi của dung môi ở 𝑃𝑡𝑏 tsdm(Ptb) ℃ 69,169 Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh Δ’’ ℃ 3,969 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở 𝑃𝑡𝑏 t sdd (Ptb) ℃ 66
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ ℃ 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ ℃ 5,349
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi ℃ 53
Do dung dịch đầu Gđcđtđ
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt DφDctD
Nhiệt độ của dung dịch nước ép xoài trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 30 o C tra = tsdd(P0) = 65,58 o C Nhiệt độ của dung dịch nước ép xoài 18% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 70,22 0 C
Nhiệt độ của dung dịch nước ép xoài 24 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2Δ’’
❖ Nhiệt dung riêng của dung dịch nước ép xoài:
Nhiệt dung riêng của dung dịch nước ép xoài do chủ yếu chất hòa tan là đường nên ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.50) [1]/153
C = 4190 – (2514 – 7,542t).x (J/Kg.K) Trong đó: t :là nhiệt độ của dung dịch
Do sản phẩm mang ra Gccctc
Do hơi thứ mang ra W i "
Nhiệt tổn thất Qtt x: nồng độ của dung dịch
1.5 Phương trình cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q
Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W
- Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qs)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang
Qđ=Gđ C tb (ts– tđ) (2) Trong đó:
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ => ∆′0 = 0,2, tra theo đồ thị hình VI•2, [2-60]
Mà ∆ ′ = tsdd− tsdm (tại áp suất P0)
Thay tất cả vào (2), ta được:
Qđ = Gđ Ctb ( ts – tđ) (2)
- Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 937,5 kg/h r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,315at nằm trong khoảng 0,2→ 0,3 nên I.251[1-314] Áp suất (at) Nhiệt hóa hơi
- Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q kn )
Qđht : 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 c ht : nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua
Lập phương trình cân bằng nhiệt :
Nhiệt cô đặc là rất nhỏ, có thể bỏ qua: = 0
Không có hiện tượng quá lạnh nước ngưng, tức là nước ngưng ở trạng thái lỏng sôi, nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: i - Cn tn = r
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp là : QD = D.(i - Cn tn) = D r
Chọn lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: Qtt =0.05D.r
- Nhiệt lượng tổn thất (Q tt )
Thay vào QD= Qđ + Q bh + Qkn + Q tt
Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 733625,6 J/s , 733,624kw
- 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 2,2 at nằm giữa 2 và 3at => r nằm trong khoảng 2208→2171 => r = 2200,6.10 3 J/kg (tra bảng I.251, [1-315])
𝜑: độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn 𝜑 = 0,05 theo [5-295]
- Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
(1 − 0,05).2200,6 10 3 = 0,351(kg s ) Áp suất (at) Nhiệt hóa hơi
𝑘𝑔 ℎơ𝑖 𝑡ℎứ) Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,35 ( kg hơi đốt/ kg hơi thứ)
Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng:
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độvào buồng bốc Tđ 0C 63,58
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Tc 0C 73.518
Nhiệt dung riêng dung dịch 16% C đ
Nhiệt dung riêng dung dịch 32% Cc J/(kg.K) 3705,63
Nhiệt lượng do hơi đốt cung QD W 733625,6
Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 0,351
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d kg/kg 1,35
II Thiết kế thiết bị chính :
2.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:
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 tố độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng( do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 2m), ngưng bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng
W/(m 2 K) Trong đó: α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m 2 K) r: ẩn nhiệt ngưng tụcủa hơi nước bão hòa ở áp suất 2,2 at => r "00,6.10 3 J/kg (tra bảng I.251 [2-315])
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
Giả sự điều kiện làm vệc của phòng đốt thỏa mãn
Thông số ống truyền nhiệt H = 1,5m; dtr = 25 mm
Hơi ngưng tụ trên bề mặt chảy dòng
2.2 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 2,2at
H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 1,5m
A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng [2-29] tm= 1
2(tt1 + tD) Trong đó : tt1 :Nhiệt độ của mặt tường 1 tD :Nhiệt độ của hơi đốt, tD 2,26 0 C tt1 = tD - Δt1= 122,26 - 3,45= 118,81 0 C tm = 1
2 = 120,535 0 C Với tm = 120,535 nằm trong khoảng 120 -> 140 0 C tra bảng [2-29] ta được A= 188,161 nằm trong khoảng 188 -> 194
Nhiệt tải phía hơi ngưng
2.3 Nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến lòng chất lỏng sôi Áp dụng công thức VI.27[2-71]
𝛼 𝑛 : hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
Theo công thức V.91, trang 26, [2], ta có:
P 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, o C
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), J/(kg.K)
Cdm: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm (ptb), J/(kg.K) àdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd (ptb), N.s/m 2 àdm: độ nhớt của nước ở tsdm (ptb), N.s/m 2 ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), kg/m 3 ρdm: khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb), kg/m 3 λdd: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd (ptb), W/(m.độ) λdm
: hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm (ptb), W/(m.độ)
Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314 [1], ta có:
Nồng độ ρ dm C dm à dm λ dm
Các thông số của dung dịch ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, trang 59,60, [1] àdd: tra bảng 9, trang 16, [8]
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch nước khóm
C = 4190 – ( 2514 – 7,542t) x ; J/kg.độ Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch, o C x: nồng độ của dung dịch, % Ở tsdd(ptb) = 69,54 o C, xc = 24% :
Cdd= 4190 – (2514 – 7,542 69,54) 0,24 = 3712,51 J/(kg.K) λdd: Theo công thức I.32, trang 123, [1], ta có:
A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10 -
M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp C6H8O7 và H2O
M = a.M(C6H8O7) + (1 – a).MH2O = a.204 + (1 – a).18; kg/kmol a: phần mol của acid citric (C6H8O7)
Xem nồng độ acid citric (C6H8O7) trong dung dịch là 24% (xc) a 𝑥𝑐 𝑀(C6H8O7) 𝑥𝑐 𝑀(C6H8O7) + 𝑀H2O 1−𝑥𝑐 0,24 204 0,24
= 0,53 𝑊 𝑚 độ⁄ μdd = 0,688 N.s/m 2 (tra bảng I.112, trang 114, [1])
Nồng độ ρ dd C dd à dd λ dd
𝜆+ 𝑟 2 Với: r1: nhiệt trở màng nước, m 2 K/W r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn dày 0,5 mm, m 2 K/W δ: bề dày ống, δ = 2 mm λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [4] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, o C
Tra bảng V.I , [4], trang 4, ta có: r1 = 0.387.10 -3 (m 2 độ/W) r2 = 0,464.10 -3 (m 2 độ/W)
Tiến trình tính các nhiệt tải riêng
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì: q1 = q2 = qv (6)
So sánh sai số giữa q 1 và q 2
Nhiệt tải trung bình là:
2.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc
Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
2.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
822,2.59,5166 = 4,54 𝑚 2 Chọn F = 10 m 2 theo dãy chuẩn trang 276 [3]
III Tính kích thước của thiết bị cô đặc
3.1 Tính kích thước buồng đốt
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III – 49), trang 134, [6], ta có:
𝜋 0,025.1,5= 84,88 ố𝑛𝑔 Với : d = 25 mm: đường kính ống truyền nhiệt ( vì α1 > α2 nên lấy d = dt = 0,025 m) l = Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt
F = 10 m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt
Theo bảng V.11, trang 48, [4] bố trí theo hình lục giác đều Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth): Áp dụng công thức (III.26) trang 121, [7]:
𝜋 = 0,131 m = 131 mm Theo tiêu chuẩn trang 274, [3] chọn Dth = 273 mm
25 = 10,92 ≥ 10 (thỏa) Đường kính buồng đốt (Dt) 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) trang 135, [6]:
Dn = 0,028 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt Ѱ: Hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9, chọn ѱ = 0,8
L = 1,5 m: chiều dài của ống truyền nhiệt
Dnth = 0,273 + 2.0,003 = 0,279: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60 o : góc ở đỉnh của tam giác đều
F = 10 m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt
Theo tiêu chuẩn trang 274 [3] chọn Dt = 600 mm = 0,6 m
Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Theo công thức 3.86, trang 202, [3], ta có:
S: bước ống, m; s = β.dn= 1,4 28 = 39,2 mm d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt m: số ống trên đường chéo
→ Chọn m = 13 ống theo bảng V.11 trang 48, [4]
Tổng số ống trong thiết bị
Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng, theo công thức trang 218, [3]
Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm Chọn m ’ = 3 theo trang 48,
4 (3 2 − 1) + 1 = 7 ố𝑛𝑔 Tổng số ống lắp đầy toàn bộ vỏ thiết bị
→ 𝑛 = ∑ 𝑛 − 𝑛 ′ = 91 − 7 = 84 ố𝑛𝑔: số ống truyền nhiệt còn lại
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
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, trang 394, [4], ta có:
− Số ống truyền nhiệt là 84 ống có kích thước d là 25/28 mm
− Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth = 273 mm
− Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 600 mm
− Chiều cao buồng đốt Hd = 1,5 m
− Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 10 m 2
− Chiều cao đáy nón Hnón = 544 mm
− Thể tích dung dịch ở đáy Vđ = 0,071 m 3
3.2 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 = 0,2575 at
Tra bảng I.251, trang 314 , [1] ta có:
Dùng nội suy ta có:
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
Db là đường kính buồng bốc (m)
Trong đó: ρ’= 979,64 kg/ m 3 : khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m 3 (tra bảng I.249, trang 311, [1]: tra ở nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc tsdm = 66,585 o C) ρ”= ρh = 0,1624 kg/m 3 : khối lượng riêng của hơi thứ ớ áp suất buồng đốt p0 = 0,2575 at d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m tra trang 276, [3] 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 0,2575 at, tra theo hình I.35, trang 117, [1]
0,6 = 8,21 𝐷 𝑏 1,2 Áp dụng điều kiện ωhơi không quá (0,7 ÷ 0,8) ωo, chọn: ωhơi < 0,7 ωo
Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 0,8 m
Vậy đường kính buồng bốc D b = 800 mm
Chiều cao buồng bốc (Hb)
Theo công thức VI.34, trang 72, [4]: 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
Theo công thức VI.32, trang 71, [4]:
W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,2575 at, kg/m 3 ρh = 0,1624 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: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, trang
Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1 at, m 3 /m 3 h
Chọn Utt_(1 at) = 1600 m 3 /m 3 h, theo trang 72, [4]
𝜋 0,8 2 = 2,51 (𝑚) Theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt, ta chọn: Hb = 2,5 m
Vậy chiều cao buồng bốc H b = 2,5 m
Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 40 mm
Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc: Dt = 800 mm
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, trang 394, [4] ta có:
Tính kích thước các ống dẫn
Theo trang 74, [4] , đường kính các ống được tính theo công thức sau:
G: lưu lượng lưu chất, kg/s ω: vận tốc lưu chất, m/s ρ: khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3
Gđ = 575 kg/h = 0,16 kg/s ω = 2 m/s: chất lỏng ít nhớt (trang 74, [4]) ρđ = 1048,31 kg/m 3 (tra xđ = 12%, bảng I.86, trang 58, [1])
Gc= 246,4 kg/h ω = 1m/s: chất lỏng nhớt (trang 74, [4]) ρc = 1119,49 kg/m 3 (tra theo xc = 28% bảng I.86, trang 59 [1])
D = 0,12 kg/s - lượng hơi đốt biểu kiến ω = 40 m/s (trang 74, [4])
PD = 2,5 at → ρ D = 1,3625 kg/m 3 (tra theo bảng I.251, trang 315, [1])
W = 328,6 kg/h = 0,091 kg/s ω = 20 m/s ( chọn theo hơi quá nhiệt, trang 74, [4])
P0 = 0,2575 at ρhơi thứ = 0,1626 kg/m 3 (tra theo bảng I.250, trang 312, [1])
− Ống xả khí không ngưng:
Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng
Tổng kết về kích thước
Căn cứ vào bảng XIII.26, trang 409, [4] ta có bảng sau:
Bảng 3.2.1: 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)
3.3 Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc
➢ Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1500 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 = 0,147 N/mm 2 Lấy áp suất tính toán bằng áp suất làm việc, do đó Pt = Pm = 0,147 N/mm 2
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 129,25 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 129,25 + 20 = 149,25 0 C Theo hình 1.2, trang 16, [8], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [8]) Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[σ] = η [σ]* = 0,95.116 = 110,2 N/mm 2 Tra bảng 2.12, trang 34, [8]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 1,92.10 5 N/mm 2
2.110,2.0,95 = 0,42 mm Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [8], hàn 1 phía)
Dt = 600 mm – đường kính trong của buồng đốt
Pt = 0,147 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt
Dt = 600 mm → Smin = 3 mm > 0,42 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [8])
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 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [4])
→ Hệ số bổ sung bề dày là:
− Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [6]:
600 = 0,007 < 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, trang 162, [8]): dmax =3,7 3 √𝐷 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) ; mm Trong đó:
Dt = 600 mm – đường kính trong của buồng đốt
S = 6 mm – bề dày của buồng đốt k – hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑡 𝐷 𝑡
So sánh: Ống dẫn hơi đốt dt = 70 mm < d max Ống xả nước ngưng dt = 10 mm < d max Ống xả khí không ngưng dt = 10 mm < d max
→ Không cần tăng độ cứng cho lỗ của hơi đốt vào
Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800 mm, chiều cao Ht = 2500 mm
Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa 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 0,2575 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:
Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,2575 = 1,7425 at = 0,1708 N/mm 2 Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (Po) = 66,585 o C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: ttt = 66,585 + 20 = 86,585 o C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt) Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [8], hàn 2 phía)
Theo hình 1.2, trang 16, [8], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [6])
→ Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[σ] = η.[σ]* = 0,95.125,7 = 119,415 N/mm 2 Tra bảng 2.12, trang 34, [8]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 1,97.10 5 N/mm 2
Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [8])
→ Ứng suất chảy của vật liệu là
𝜎 𝑐 ′ = [σ] nc = 119,415 1,65 = 197,03 N/mm 2 Khối lượng riêng của dung dịch nước khóm 28% ở tsdd (ptb)là ρdd = 1119,49 kg/m 3 Áp dụng công thức 5-14, trang 98, [8]:
Dt = 800 mm – đường kính trong của buồng bốc
Pn = 0,1708 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng bốc l = 2500 mm – chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích
Dt = 800 mm → Smin = 3 mm < 5,60 mm ⇒ chọn S’ = 5,60 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [6]) 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 = 0,6 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [4]).
Hệ số bổ sung bề dày là:
− Kiểm tra bề dày buồng bốc:
800 = 3,125 Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [8]:
0,249 ≤ 3,125 ≤ 6,030 (thỏa) Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [6]:
− 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, trang 99, [8]:
− Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Lực nén chiều trục lên buồng bốc:
1,97.10 5 0,0356 = 0,0312 < 0,155 Điều kiện thoả mãn độ ổn định của thân (5-32, trang 103, [8]):
11 ≥ 2,1718 (thỏa) Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [8]:
𝜋.(900+12).(12−1) = 3,246 N/mm 2 Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [8]:
− 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, trang 107, [8]:
Vậy bề dày buồng bốc là 12 mm
→ Đường kính ngoài buồng bốc:
− Tính bền cho các lỗ Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [8]): dmax = 3,7 3 √𝐷 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) ; mm Trong đó:
Dt = 800 mm – đường kính trong của buồng bốc
S = 12 mm – bề dày của buồng bốc k – hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑛 𝐷 𝑡
So sánh Ống nhập liệu dt = 10 mm < d max
→ Không cần tăng độ cứng cho ống nhập liệu
3.4 Tính cho đáy thiết bị
Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 600 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 = 544 mm
Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,071 m 3 Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc Tổng thể tích ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:
4 1,5 = 0,155 m 3 Thể tích của phần đáy nón:
Với đường kính trong của ống nhập liệu là 10 mm, tốc độ nhập liệu được tính lại là:
𝜋 0,0102 4 1048,31 = 1,94 (m/s) Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm
0,273 2 = 0,0026 (m/s) 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 = 0,29 – 0,155 – 0,071 = 0,064 (m 3 ) Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgo = 40mm
Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:
4 0,04 = 0,011 (m 3 ) Thể tích phần hình nón cụt
VC =V3 – Vgo = 0,064 - 0,011 = 0,053 m 3 Chiều cao của phần hình nón cụt:
Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
H’ = Hc + Hgc + Hđ + Hbđ = 165 + 40 + (40 + 544) + 1500 = 2289 mm = 2,289 m
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 Áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị: ptt = ρdd g.H’ 19,49.9,81.10 -6 2,289 = 0,0251 N/mm 2 Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là p0 = 0,2575 at nên chịu áp suất ngoài là:
Pm = 1,7425 at = 0,1708 N/mm 2 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 = 0,1708 + 0,0251 = 0,1959 N/mm 2 Các thông số làm việc:
Dt = 600 mm p0 = 0,2575 at = 0,252 N/mm 2 tm = tsdd (po + 2Δp) = 68,3864 o C
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 (công thức 6-29, trang 133, [8])
𝑐𝑜𝑠30 = 624,7 mm Trong đó dtl = 10 mm là đường kính lỗ tháo sản phẩm
Pn = 0,1957 N/mm 2 ttt= 68,3864 + 20 = 88,3864 o C (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
Các thông số cần tra và chọn:
[σ]* = 123,5 N/mm 2 − ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt (hình 1-2, trang 16, [8]) η = 0,95 – hệ số hiệu chỉnh (đáy có bọc lớp cách nhiệt)
[σ] = η.[σ]* = 0,95.123,5 = 117,325 N/mm 2 - ứng suất cho phép của vật liệu
Et = 1,97.10 5 N/mm 2 – module đàn hồi của vật liệu ở ttt (bảng 2-12, trang 34, [8]) nc = 1,65 – hệ số an toàn khi chảy (bảng 1-6, trang 14, [8])
𝜎 𝑐 𝑡 = nc [σ]* = 1,65.123,5 = 203,775 N/mm 2 – giới hạn chảy của vật liệu ở tt (công thức 1-3, trang 13, [8])
Chọn bề dày tính toán đáy S = 12 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc
− 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), trang 162, [8]: 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
D’: đường kính tính toán của đáy; mm
So sánh Ống tháo liệu dt = 10 mm < dmax
→ Không cần tăng độ cứng cho lỗ
3.5 Tính cho nắp thiết bị
Chọn nắp buống đốt là ellipse theo tiêu chuẩn có Dt = 800 mm
4 = 200 mm và Rt = Dt = 800 mm Nắp có gờ và chiều cao gờ là hgo = 50mm
Nắp có lỗ để gắn ống tuần hoàn đưa dung dịch vào buồng bốc
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T
Nắp có áp suất tuyệt đối bên trong giống như buồng bốc là p0 = 0,2575 at nên chịu áp suất bên ngoài là Pn = 1,7425 at = 0,1708 N/mm 2
Nhiệt độ tính toán của nắp giống như buồng bốc là ttt = tD + 20 = 66,585 + 20 = 8,585 o C (nắp có bọc lớp cách nhiệt)
Chọn bề dày tính toán nắp S = 12 mm, bằng với bề dày thực của buồng bốc
− Kiểm tra bề dày nắp:
𝐸 𝑡 = 1,97 10 5 𝑁/𝑚𝑚 2 : hệ số modul đàn hồi của vật liệu làm nắp
𝜎 𝑐 𝑡 =nc.[𝜎] ∗ = 1,65.123,5 = 203,775 giới hạn chảy của vật liệu
𝜎 𝑛 = [𝜎] ∗ 𝜇 3,5.0,95 = 117,325 N/mm 2 ứng suất nén cho phép của vật liệu x = 0,7 :với thép không gỉ n c= 1,65 hệ số an toàn khi chảy
Vậy bề dày của nắp elip là 12 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), trang 162, [6]: 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 = 200 mm < dmax
→ Không cần tăng độ cứng cho ống dẫn hơi thứ
➢ 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, trang 417, [4])
Các thông số cơ bản của mặt bích:
Dt : Đường kính trong; mm
D : Đường kính ngoài của mặt bích; mm
Db : 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 Dt = 600 mm Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,147 N/mm 2 Áp suất tính toán của buồng bốc là 0,1708 N/mm2
Chọn dự phòng áp suất thân là PY = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân
Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 419, [4]
Bảng 3.6.1: Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 mm Mm Mm cái mm
− Mặt bích nối buồng đốt và đáy:
Buồng đốt và đáy nối với nhau theo đường kính buồng đốt Dt = 600 mm Áp suất tính toán của buồng đốt là 0,147 N/mm 2 Áp suất tính toán của đáy là 0,1957 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất thân là PY = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân
Bảng 3.6.2: Số liệu nối của buồng đốt - đáy
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 mm mm mm cái mm
− Mặt bích nối buồng bốc và nắp:
Buồng bốc và nắp được nối với nhau theo đường kính buồng bốc Dt = 800mm Áp suất tính toán giữa buồng bốc và nắp cùng là 0,1708 N/mm 2
Chọn dự phòng áp suất thân là PY = 0,6 N/mm 2 để bích kín thân
Bảng 3.6.3: Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp
Kích thước nối Kiểu bích
N/mm 2 mm mm mm cái mm
➢ 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 = 129,25 o C Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [𝜎] 𝑢 ∗ = 119,5 N/mm 2 (hình 1-2, trang 16, [8]) Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 1
→ 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 8-47, trang 181, [8]:
Dt = 600 mm: Đường kính trong của buồng đốt
P0 = 0,147 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- 48, trang 181, [8]:
0 : Hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ 𝜑 0 = 𝐷 𝑛 −∑ 𝑑
Dn: Đường kính vỉ ống, mm
∑d: Tổng số đường kính các lỗ trong vỉ, mm
∑d = dth + n dt-ống = 273 + 6.25 = 423 mm Trong đó: dt-ống: đường kính trong của ống truyền nhiệt mm 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), trang 183, [8]:
Trong đó: dn = 28 mm: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
Vậy vỉ ống ở trên buồng đốt dày 12 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 12 mm (cũng bằng bề dày mặt bích)
Các bước làm giống xác định bề dày cho vỉ ống trên buồng đốt
3.8 Khối lượng và tai treo
➢ Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ
Khối lượng tại treo cần chịu: m = mtb + mdd