Ngoài ra bộ môn này góp phần nào tớikĩ sư các ngành kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sảnxuất công nghiệp liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc
TỔNG QUAN
Đặc điểm của nguyên liệu
Dứa hay thơm hay khóm, tên khoa học Ananas comosus, là một loại quả nhiệt đới được trồng chủ yếu ở châu Mỹ La – Tinh, nhiều nhất ở Brazil Sau khi tìm ra châu Mỹ, khóm được đem trồng ở hầu hết các nước nhiệt đới và một số nước Á nhiệt đới có mùa đông ấm như HaWai (chiếm 33% sản lượng thế giới), Thái Lan
Cây khóm được phát hiện đầu tiên vào năm
1943 khi ông Chritophe Colomb và các đồng đội đổ bộ xuống đảo Guadeloupe trong Thái Bình Dương Đến thế kỷ XVI, khóm được trồng rộng rãi ở nhiều nước sự phát triển của khóm gắn liền vớ sự phát triển ngành hàng hải của người Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha Ở Việt Nam, đến cuối năm 1989 có 35.338 ha trồng khóm, trong đó miền Bắc có 6.482 ha, miền Nam có 28.856 ha Vùng ĐBSCL có diện tích dứa rất lớn, chiếm 72,45% diện tích trồng dứa trong cả nước Riêng Kiên Giang có 13.000 ha, chiếm 36,8% diện tích (Đường Hồng Dật, 2003).
Khóm là loại quả đứng số một trong ba loại quả chủ lực: khóm, cam,chuối ở nước ta Khóm không chỉ được trồng và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam mà còn phổ biến trên thế giới (Bartholomew et al., 2003) Hơn 70% sản lượng khóm sau khi thu hoạch ở các nơi trên thế giới được sử sụng để ăn tươi, phần còn lại được sử dụng trong chế biến các sản phẩm xuất khẩu Xuất khẩu dưới đến 7% tỷ trọng quốc doanh khóm thích hợp với điều kiện nhiệt độ và ẩm độ cao, sợ rét và sương muối Trong điều kiện thích hợp có thể sinh trưởng quanh năm Khóm là loại cây ăn quả không kém đất (Chan et al.,2003).Ở đồng bằng sông cửu long,khóm là cây tiên phong đi mở đường cho các loại hoa màu và các cây trồng khác như mía, chuối, cam, đậu,…Trên đất phèn Mặt khác, khóm còn có những ưu điểm:
Cây khóm sợi có hợp chất Saponin chống cháy
Khóm có tính giải khát, khóm làm cơ thể chống béo, ít béo phì
Rễ cây khóm còn có tác dụng lợi niệu cao được lưu truyền trong dân gian như vị thuốc dùng để chữa bệnh sỏi đường tiết niệu
Khóm còn là thực phẩm dễ chế biến, xào nấu trong các bữa ăn nhất là các món chua ngọt
Lá khóm dùng để lấy sợi (lá có 2 – 2,5% cellulose) sử dụng trong công nghiệp dệt
Thân khóm chứa 12,5% tinh bột, là nguyên liệu dùng để lên men, chuyển hóa thành môi trường nuôi cấy nấm và Vi Khuẩn
Trong khóm còn có enzyme bromelin là loại enzyme giúp tiêu hóa rất tốt Người ta đã biết chiết xuất và tinh chế thành những chế phẩm bromelin dùng trong công nghiệp thực phẩm, thuộc da, vật liệu làm phim Sản Phẩm phụ của công nghiệp chế biến khóm được dùng làm nguyên lieu lên men để chế biến thành thức ăn gia súc.
* Khóm được chia làm 7 nhóm trong đó có 3 nhóm chính là: nhóm
Cayenn, nhóm Queen, nhóm Spanish
+ Nhóm Cayenn: Quả có dạng hình trụ, mắt nông Quả bình thường nặng 1,2-2 kg, thích hợp cho chế biến làm đồ hộp, chứa nhiều nước và vỏ mỏng + Nhóm Queen: Quả có nhiều mắt, mắt nhỏ, lồi cứng nên dễ vận chuyển. Thịt quả vàng, ít nước, màu sắc và vị thơm hấp dẫn Quả bé, khối lượng trug bình 500-700 g/trái.
+ Nhóm Spanish: Quả ngắn, kích thước to hơn nhóm quả Queen Khối lượng xấp xỉ 1 kg Hình dạng cân đối hơi hình trụ Thịt vàng trắng không đều, mắt sâu, vị chua (Đường Hồng Dật, 2003)
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của khóm
Tổng quan về quá trình cô đặc
- Qúa trình cô đặc là quá trình làm mất nước (dung môi) trong dung dịch (dung dịch là hỗn hợp giữa dung môi và chất rắn hòa tan trong dung môi) để thu được dung dịch có nồng độ chất rắn cao.
- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:
Cô đặc chân không dung cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ phân hủy bởi nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dung cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dung mà thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế
- Trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc Đặc điểm của cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch sẽ không bay hơi do vậy nồng độ dung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất trong chưng cất thì các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ.
- Hơi của dung môi được tách ra khỏi dung dịch được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dung để đun nóng thiết bị khác Nếu dung hơi thứ để đun nóng một thiết bị khác ngoài thiết bị cô đặc thì được gọi là hơi phụ.
- Qúa trình cô đặc có thể diễn ra trong một nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạn hoặc liên tục Qúa trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy từng vào yêu cầu kĩ thuật Khi dùng ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dung thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì nó có ưu điểm : khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm theo khi đó độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi buồng đốt và dung dịch tăng do diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm.
- Cô đặc nhiều nồi là sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt nên nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Hơi đốt của nồi thứ nhất sử dụng hơi từ nồi hơi, hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi sau bao giờ cũng thấp hơn nồi trước, bởi vậy mà người ta thường cô đặc dung dịch ở nồi thứ nhất với áp suất dư còn các nồi sau đều ở áp suất chân không Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi dung dịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi tiếp theo, qua mỗi nồi dung môi bay hơi đi một phần, nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuối cùng nồng độ dung dịch đạt được như yêu cầu thì người ta tháo dịch vào thùng chứa.
1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc
1.2.3.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng)
Dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái dung dịch dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên bề mặt chất lỏng
Khi hạ thấp nhiệt độ đén một mức nào đó thì các cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết itnh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất của cấu tử và ap suất tác dụng lên mặt thoáng mà ta tiến hành ở nhiệt độ cao hay thấp có khi dung đến máy lạnh.
Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm thay đổi không ngừng.
- Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất hòa tan sẽ tăng, do đó tính chất của dung dịch sẽ thay đổi Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi.
- Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch giảm Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất do nồng độ sẽ tăng.
- Thay đổi pH của môi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấu tử tạo thành axit.
- Đóng cặn, do số muối canxi hòa tan rất chậm trong nồng độ cao, do phân hủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa.
- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất.
- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất.
- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữa đường khử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito.
- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)
- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao
Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
- Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụng lên bề mặt thoáng phải lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do vậy ta cần cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng để thực hiện quá trình này.
- Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa các phân tử trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Ứng dụng của cô đặc
- Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.
Mục đích để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoăc đưa dung dịch qua trạng thái bão hòa để kết tinh.
- Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính …
Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
1.3.1 Phân loại và ứng dụng
1.3.1.1 Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dung dịch 1,5- 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm tăng hệ số truyền nhiệt, độ nhớt cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếp xúc quá lâu làm biến chất sản phẩm.
1.3.1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình
- Cô đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi áp suất không đổi Thường dung cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định và thời gian cô đặc ngắn.
- Cô đặc áp suất chân không dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không
- Cô đặc nhiều nồi mục đích là tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra Do sử dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao.
- Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định
- Giảm tổn thất chất khô
- Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi
- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt
1.3.3 Yêu cầu về thiết bị
Về cấu tạo, thiết bị cô đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phận chính sau:
Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống
Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chưa cả dung dịch nên phải có không gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt
Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi
Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cô đặc: Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cô đặc: độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại,…
Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm mạnh.
Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ lấy nhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.
Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ống của giàn ống. Đảm bảo tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơi bên trong các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn)
1.3.4 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống
- Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực
- Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điều kiện chân không
- Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bị cuối làm việc ở áp suất chân không.
1.3.5 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
1.3.5.1 Thiết bị chính Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Buồng đốt , buồng bốc Đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không;
Thiết bị ngưng tụ Baromet;
Thiết bị đo và điều chỉnh.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ
Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Cô đặc là quá trình sử dụng một nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho dung dịch để làm bốc hơi dung dịch cần cô đặc thu được dung dịch có nồng độ cao hơn.
Cô đặc chân không là quá trình cô đặc mà thiết bị cô đặc hoạt động ở áp suất chân không, thấp hơn áp suất khí quyển, mục đích làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất do nhiệt độ cao.
Ngoài ra quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về năng lượng do chênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp.
Hệ thống cô đặc cũng rất đa dạng, có thể là hệ thống đơn chiếc một nồi cô, hặc hệ thống nhiều nồi và tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồi khác giúp giảm rất nhiều chi phí năng lượng
Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cô đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánh khuấy vì một số lí do như:
Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)
Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành
Dễ dàng vệ sinh thiết bị
Phù hợp với các loại dung dịch nước quả hoặc dung dịch có độ nhớt cao,
Cánh khuấy được thiết kế sẽ có tác dụng khuấy trộn dung dịch, tránh hiện tượng dung dịch bị đóng cặn trong quá trình cô đặc
Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc chân không nồi hai vỏ có cánh khuấy
1.Thùng chứa nguyên liệu; 2 Bơm nguyên liệu; 3 Cửa dẫn hơi đốt; 4. Cửa nhập liệu; 5.Buồng bốc hơi; 6 Qủa cầu CIP; 7 Ống dẫn hơi thứ; 8 Thiết bị đo áp suất; 9 Thiết bị ngưng tụ; 10 Ống thoát khí không ngưng; 11 Cánh khuấy;
12 Buồng đốt; 13 Van; 14 Cốc tách nước ngưng; 15 Buồng chứa sản phẩm; 16. Cốc tách nước ngưng; 17 Bể chứa nước ngưng; 18 Thiết bị chứa nước ngưng;
19 Ống thủy; 20 Bơm chân không; 21 Bình tách lỏng
2.2.2 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý
Khởi động bơm chân không đến áp suất P = 0,2 at.ck
Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu
(1) vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồng bốc hơi (5) trong thiết bị cô đặc, sau khi nhập đủ 1200,01 kg thì dừng.
Khi đã nhập liệu đủ 1200,01 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at), tại đây dung dịch nước dứa được đun nóng tới nhiệt độ sôi, dung dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng – hơi (phần hơi sẽ đi lên trên buồng bốc (5)). Dung dịch trong buồng bốc hơi được gia nhiệt bởi hơi đốt trong buồng bốc. Dung dịch trong buồng bốc sẽ sôi và bốc hơi, hơi thứ và khí không ngưng bốc ra được dẫn vào ống dẫn hơi thứ (7) vào thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm (9) ( thiết bị ngưng tụ này gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và được ngưng tụ bằng nước lạnh đi bên ngoài ống ), sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa (18), còn phần khí không ngưng sẽ được bơm hút chân không hút ra ngoài ống. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng rồi được xả ra ngoài thùng chứa nước ngưng (16)
Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 60% thì ngưng cấp hơi đốt, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa (15).
CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật chất
Các số liệu ban đầu
- Dung dịch nước dứa có:
+ Nồng độ đầu là 10 Bx
+ Nồng độ cuối là 60 Bx
- Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at
- Áp suất ngưng tụ: P = 0,2atck
Cô đặc gián đoạn với năng suất 200 kg/mẻ
3.1.1 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Trong đó: G , G : lượng dun dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg)đ c
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg) x , x : nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn (%)đ c
Gđ.xđ, Gc.xc : khối lượng đường trong dung dịch (kg)
Lượng hơi thứ ta tính theo hai giai đoạn
- Giai đoạn 2: 35% đến 60% a Giai đoạn 35% đến 60%
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
Bảng 3.1 Bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Khối lượng dung dịch (kg) 1200,01 342,86 200
Lượng hơi thứ đã bốc hơi
Cân bằng năng lượng
Áp suất thiết bị ngưng tụ P = 0,2 ato
=> Nhiệt độ hơi thứ ở nhiệt độ ngưng tụ t = 59,7 Cngt o
Chọn tổn thât nhiệt đọ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ ''' 0,5 o C
=> Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t = 59,7 + 0,5 = 60,2ht oC. Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch t = 60,2 Csdm o
=> Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P = 0,2031 at1
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống co đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tinh va tổn thất do trở lực đường ống.
3.2.1.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ :
+ o ’ : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường, °C
(Đồ thị VI.2 tráng 61 tài liệu [2])
+ f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc với áp suất khác áp suất thường
+ T : nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thìm bằng nhiệt độ hơi thứ, K T = 60,2°Cm
+ r: ấn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dich), J/kg r = 2358.10 J/kg 3
Bảng 3.2 Bảng tổn thất nhiệt độ do nồng độ cao x (%) 10 35 60
3.2.1.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh '' Đây là tổn thât nhiệt do sự chênh lệch độ sôi của lớp chất lỏng trên đáy buồng bốc hơi so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình (thường lấy nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở giữa buồng bốc)
Mà áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
Hay P = P + ( h + h/2) g tb 1 r dds (at) với P = ( h + h/2) g r r dds (at)
Trong đó: t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất Ptb tb t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P trên mặt1 1 thoáng,t `,2°C1
P : áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dich (N/m ) P1 2
1=0,2031 rh : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ đáy buồng bốc hơi đến mặt thoáng của dung dịch (m) Thường chọn h = 0,5mr h : chiều cao buồng đốt (m); h=1,5m
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), = 0,5dds dds g : gia tốc trọng trường (m/s2) Thường chọn g= 9,81 m/s2
Bảng 3.3 Bảng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh x (%) 10% 35% 60%
(kg/m 3 ) 1039,98 1153,31 1288,73 dds (kg/m 3 ) 519,99 576,655 644,365 rP (at) 0,065 0,072 0,081
3.2.2 Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn
Cân bằng nhiệt lượng: nhiệt vào = nhiệt ra
- Nhiệt lượng vào gồm có:
+ Do dung dịch đầu: G , c , tđ đ đ
- Nhiệt lượng ra gồm có:
+ Sản phẩm mang ra: G , c , tc c c
Phương trình cân bằng nhiệt
.D.c + D.(1- ) + Gn.cn.tn = Gc.c tc c + W.I”w + D.c + Q t
D: lượng hơi đốt sử dụng, kg
= 5% : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo
: nhiệt độ nước ngưng, °C c: nhiệt dung riêng nước ngưng ở °C, J/kg.độ c ,cđ c: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg.độ t ,tđ c: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, °C i”D: entanpi của hơi đốt, J/kg i”w: entanpi của hơi thứ, J/kg
Qt: nhiệt lượng tổn thất, J
Qcđ: nhiệt lượng cô đặc, J
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)
Q = D (1-D ).(i” – c.D ) = D.(1- ).r r = i” – c.D : nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ
Nhiệt dung riêng của dung dịch
Bảng 3.4 Bảng nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg.độ 3988,25 3485,53 2986,01
Chọn hơi đốt có áp suất: P = 3at => t = 132,9°Cđ đ
Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at r = 2171.10 J/kg 3 (Bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1])
= 2632,2 10 J/kg 3 (Bảng 1.250 trang 312 Tài liệu [1])
Xem nhiệt cô đặc Q là không đáng kể cđ
3.2.2.1 Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 20°C đến 65,83°C
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Lượng hơi đốt sử dụng
3.2.2.2 Giai đoạn dung dịch từ 10% đến 35%
G = 1200,01 kg; cđ = 3988,25 J/kg.độ; tđ = 65,83°Cđ
G = 342,86 kg; cc = 3485,53 J/kg.độ; tc = 66,46°Cc
Nhiệt dung tiêu tốn cho quá trình
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Lượng hơi đốt sử dụng: D = 2 = 979,42 kg
3.2.2.3 Giai đoạn đưa dung dịch từ 35% đến 60%
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thát nhiệt)
Lượng hơi đốt sử dụng
Driêng = = 1,25 kg hơi đốt/kg hơi thứ
Bảng 3.5 Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 106,67 979,42 164,85
Tính thiết kế thiết bị chính
3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
3.3.1.1 Các kí hiệu và công thức
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m K 2
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m K 2
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m 2
: nhiệt tải riêng phái dung dịch sôi, W/m 2
: nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, W/m 2
: nhiệt độ trung bình vách ngoài buồng đốt, °C
: nhiệt độ trung bình vách trong buồng đốt, °C
: nhiệt độ dung dịch sôi, °C
: nhiệt độ màng nước ngưng, °C
3.3.1.2 Phía hơi đốt tới thành thiết bị q = 1 (1)
Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
Bảng 3.6 Bảng thể hiện A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm, °C 40 60 80 100 20 40 160 180 200
: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/mm 3
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mKm
: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pasm r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 10D 3 J/kg
3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch q = 2 (3)
Theo công thức VI.27 tráng 71 Tài liệu [2]
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m 3 ), nhiệt dung riêng (J/kg.độ), độ nhớt (Pas) của nước
: các thông số của dung dịch theo nồng độ
: hệ số cấp nhiệt tượng ứng của nước, W/m K 2
(5), (công thức V90 trang 26 Tài liệu [2])
Với q : nhiệt tải riêng, W/m 2 p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m 2 p = p = 0,2031 at = 19924,11 N/m1 2
Các thông số của nước (Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2]) t = 60,2°Csdm
Các thông số của dung dịch tra bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] (ở 40°C) tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
Với x : nồng độ dung dịch a : c và dd xác định theo nồng độ
Bảng 3.7 Tóm tắt các thông số theo nồng độ
Nồng độ dung dịch, % 10 35 60 tsdd, °C 65,83 66,46 67,27
3.3.1.4 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch q = v (6)
= 2mm: bề dày vách buồng đốt
= 17,5 W/mK : hệ số dẫn nhiệt qua vách
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau
4 – Tính theo công thức (6) với q = q => v 1
5 – Tính theo công thức (5) với q = q1
9 – Xác định sai số ss Nếu ss > 5% thì chọn lại và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
3.3.2 Tính K cho các giai đoạn
Tương tự như ở 10% ta tính được
Bảng 3.8 Bảng tóm tắt hệ số truyền nhiệt
3.3.3 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 20°C đến 65,83°C
Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu , , q1, q2, qv, tv1, tv2, t , tD dd, , ,
Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng t theo bảngm
: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/mm 3
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mKm
: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pasm r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 10D 3 J/kg
Trong đó: Nu = C.(Gr.Pr) n
Pr Gr C và n phụ thuộc vào Pr vs Gr như sau
Gr.Pr = 10 -> 500 thì Nu = 1.18.(Gr.Pr) -3 0,125
Gr.Pr = 500 -> 2.10 thì Nu = 0,54.(Gr.Pr) 7 0,25
Gr.Pr > 2.10 thì Nu = 0,135.(Gr.Pr) 7 0,33 l: chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1,5m
, , , , : lần lượt là khối lượng riêng (kg/m ), hệ số dãn nở thể tích (K ), hệ số dẫn nhiệt (W/mK), độ 3 -1 nhớt (Pa.s), nhiệt dung riêng (J/kg.độ) của dung dịch lấy ở nhiệt độ màng t = m
8: Tính ss Nếu ss > 5% thì chọn lại và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
Ta thấy Gr.Pr > 2.10 => Nu = 0,135 (Pr.Gr) = 15778,14 7 0,33
Vậy hệ số truyền nhiệt giại đoạn này
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính kích thước buồng đốt
4.1.1 Tính thể tích vật liệu Đối với thiết bị làm việc gián đoạn, lượng nguyên liệu ban đầu nạp vào thiết bị là G kg, nguyên liệu có khối lượng riêng là đ kg/m , thì thể tích của3 nó là V m , được tính theo công thức: nl 3
Nếu trong quá trình gia công cần có nước thì thể tích có ích V , chínhc bằng tổng thể tích nguyên liệu đầu và thể tích của nước V :n
Do trong quá trình cô đặc ta không sử dụng thêm nước nên ta có:
Lại có: Thể tích của thiết bị V phụ thuộc vào thể tích có ích V , và hệc số chứa đầy : V : là hệ số chứa đầy, nó phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu có tạo bọt hay không tạo bọt, phụ thuộc vào thiết bị nằm đứng hay nằm ngang
Tra trong bảng I-2 tài liệu [4], trang 24 ta chọn giá trị của 0,804
=> V 4.1.2 Tính đường kính và chiều cao buồng đốt
Từ thể tích của thiết bị V, ta dễ dàng tính được đường kính D và chiều cao H của vỏ trong thiết bị (chưa kể chiều dày của vỏ) Đường kính vỏ trong của thiết bị hai vỏ hình trụ đặt đứng được xác định như sau:
K = = 0,7 lấy theo cấu tạo thiết kế
= 0,071 là tỉ số phụ thuộc vào hình dạng của đáy,
(Tra bảng I-1 trang 22, tài liệu 4 với hình dạng đáy thiết kế hình cầu)
Chiều cao của vỏ trong đặt thẳng đứng là H được tính từ công thức:
Ta có kích thước của buồng đốt:
Theo bảng thực nghiệm – trag 379 – tài liệu [1], ta chọn đáy hình bầu dục với chiều cao h = = = 330 mm
Chọn chiều cao đáy là 330mm
Với yêu cầu công nghệ tiêu chuẩn ta chọn bề dày của thiết bị trao đổi nhiệt là dt = 3mm Do vậy độ dày của vách truyền nhiệt là: = 3mm
Trên thành buồng đốt, với lớp vỏ thiết bị bên ngoài đường kính trong của vỏ ngoài lớn hơn đường kính ngoài của vỏ trong khoảng từ 60 120mm.
Ta chọn khoảng cách này bằng 100mm. Đường kính ngoài của vỏ trong bằng: 1320 3.2 = 1326mm Đường kính trong của vỏ ngoài khi đó: 1326 100 = 1426mm
Chọn chiều dày vỏ ngoài là 5mm (Do ngăn cản quá trình truyền nhiệt ra khỏi môi trường) Đường kính ngoài của vỏ ngoài là: 1426 5.2 = 1436mm Đối với đáy buồng đốt, khoảng cách giữa hai đáy của vỏ trong và vỏ ngoài là từ 30 60 mm Ta chọn khoảng cách này là 40mm.
Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt
Khi đó ta tính được bề mặt truyền nhiệt theo công thức:
= t – t là hiệu số nhiệt độ có ích ( °C )hd ht
D = 1250,94 kg: tổng lượng hơi đốthđ i = 651,6 kcal/kg tra theo nhiệt độ hơi đốt t 2,9°Chđ
♦ Tính hệ số truyền nhiệt K
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
♦ Tính hiệu nhiệt độ có ích
Trong quá trình truyền nhiệt từ buồng đốt vào dung dịch, ta gặp phải tổn thất do nồng độ (đã tính ở trên), tổn thất thủy tĩnh ( ) và tồn thất thủy lực ( ) Do vậy, hiệu số nhiệt độ có ích:
Dựa vào số liệu thực nghiệm trang 246 và trang 255 – tài liệu 1, ta có = 1°C và = 3°C
♦ Thay các giá trị vào ta tính được diện tích truyền nhiệt là
• Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc
Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT dQ = K.F.(T-t).dT
Gỉa sử đến cuối quá trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt
=> F.dT Lấy tích phân ta được
T2 : thời gian cô đặc (không kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 65,83°C), s
Q: nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình này, J
* Ta tính tích phân (1) bằng đồ thị Cần xác định Q, ở từng thời điểm
Bảng 4.1 Gía trị của nhiệt lượng tiêu tốn tương ứng với từng nồng độ
Vẽ đồ thị: trục hoành: Q 10 8 trục tung: 10 -5
Hình 4.1 Đồ thị xác định thời gian cô đặc và bề mặt truyền nhiệt
Từ việc tính tích phân đồ thị ta có
Tổng quá trình cô đặc từ 10% đến 60%
Bề mặt trao đổi nhiệt là:
=> Thơi gian cô đặc là: T = 3065s = 51 phút
=> Thời gian của các giai đoạn
* Thời gian gia nhiệt ban đầu
T Với Q: nhiệt lượng dùng cho gia nhiệt, Q = 2,32 10 J 8
K: hệ số truyền nhiệt cho quá trình gia nhiệt W/m K, K= 1090,12 2 W/m K 2
* Chọn thời gian nhập liệu 15 phút
Thời gian tháo sản phẩm 10 phút
* Tổng thời gian cô đặc 1 mẻ là
Tính kích thước không gian bốc hơi
Kích thước không gian bốc hơi đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo
4.3.1 Tính bán kính buồng bốc hơi (D ) hh
Dựa vào mục 5 – trang 289 – tài liệu 1 ta có:
Năng suất tính theo thể tích hơi thứ:
Trong đó: W là năng suất hơi thứ: W = 1000,01 [kg.h ] -1 v = 1,02 [mht 3.kg -1 ] – thể tích riêng hơi thứ tại 60,2°C
(theo bảng 1.5 – trang 11 – tài liệu 1)
Ta tính được năng suất tính theo thể tích là:
Tốc độ hơi đi trong buồng hơi (chọn đường kính buồng hơi bằng đường kính buồng đốt)
Theo mục 6.25 – trang 263 – tài liệu 1, vận tốc lắng hạt lòng tính theo công thức: w = 1 [m.s ]-1
Trong đó: – Khối lượng riêng của chất lỏng và của hơi thứ [kg.m-3]
– Hệ số lực trở phụ thuộc vào chế độ làm việc (phụ thuộc vào chuẩn số Re) wh – vận tốc hơi thứ trong buồng hơi, vận tốc này phải nhở hơn vận tốc lắng w [m.s ]1 -1 v – độ nhớt động của hơi thứ; v = 0,2.10 [mht -6 2.s ] -1
Tra bảng 1.5 – trang 11 – tài liệu 2, ta có khối lượng riêng hơi thứ là = 0,98 [kg.m ] -3
Khôi lượng riêng của dịch tại 60Bx là: = 1288,73 [kg.m ] -3 Chuẩn số Re được tính theo công thức:
Re Thay các giá trị trên, ta tính được chuẩn số Re là:
Vận tốc lắng của hạt là: w = 1 = 2,32 (m.s ) -1 Vậy vận tốc hơi thứ bé hơn vận tốc lắng của hạt nên ta không cần tính lại đường kính buồng bốc hơi
Chọn D = 1320 [mm]để đảm bảo tính cân đối của thiết bị cũng nhưbh đảm bảo khả năng bốc hơi.
4.3.2 Tính chiều cao buồng bốc hơi
Chiều cao buồng đốt hơi được tính phụ thuộc vào thời gian hơi thứ đi trong đó đủ để các hạt lỏng lắng xuống và đồng thời tính đến tính chất tạo bọt của dung dịch Để đảm bảo các yêu cầu trên, chiều cao buồng bốc hơi thường bằng 1,2 3,0 lần buồng đốt Ta chọn hệ số 3 suy ra:
4.3.3 Tính chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị
Chiều dày thân được tính theo công thức chiều dày của hình trụ ngắn chịu áp suất ngoài:
Trong đs: D = 1320 [mm] – đường kính trong buồng bốc hơi.bh
H = 1848 [mm] – chiều cao buồng bốc hơi.
E = 2,2 10 [N.mm-2] – mô đun đàn hồi thép làm thân 4
C = 2 [mm] – hệ số do ăn mòn, bào mòn và dung sai m = 1 – hệ số ổn định
P = 760 – 150 = 610 mmHg = 0,08 [N.mm-2] – áp suất ngoài Thay các giá trị trên vào công thức ta tính được
Tính kích thước nắp thiết bị
Ta chọn nắp hình bầu dục (elip) vì nó có các ưu điểm như: sự phân bố ứng suất điều hòa hơn bình vòm và kích thước gọn hơn hình bán cầu.
Theo công thức 9.14 – trang 378 – tài liệu 4, chiều dày thiết bị được tính theo công thức: s = + C [mm]
Trong đó: P = 0,08 [N.mm ]– áp suất tác động lên thành nắp thiết bị -2
D = 1320 [mm]– đường kính trong của buồng hơi.t
C = 1 3 [mm]– hệ số dư do gia công, ăn mòn Chọn C = 2 [mm] y – hệ số phụ thuộc tỷ số e với h là chiều cao nắp thiết bị = 0,08 0,95 – hệ số an toàn mối hàn Chọn = 0,90
[ ] = 5,2 [N.mm ] - ứng suất bền cho phép của thép (SUS -2 304)
Theo bảng thực nghiệm – trang 379 – tài liệu 4, ta chọn y = 1,0 với tỷ số e
= 2 khi h Thay lần lượt các giá trị áp suất tác động buồng hơi (P ); đường kínhbh trong của buồng hơi (D ) ta tính được chiều dày, chiều cao nắp (s , hbh nap nap). snap = + C + 2 = 8,4 [mm]
Chọn s = s = 8 [mm]nap bh h = nap = = 330 [mm]
Bảng 4.2 kích thước thiết bị chính Đường kính trong (mm) Đường kính ngoài (mm)
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
Mối ghép bích
5.1.1 Bích nồi nắp với thân thiết bị
- Áp suất trong thiết bị P = 0,18 N/mm 2
- Đường kính trong bích D = 1300 mm
- Chọn bích liền bằng thép để nối thiết bị
Tra bảng XIII.27 trang 420, tài liệu [2], bích kiểu 1, ta được các thông số
Bảng 5.1 Bích nối nắp với than thiết bị
Dt D Db D1 Dn Bulong Chiều cao db z h
Ta chọn đệm amiang-carton
- Áp suất lớn nhất chịu được 0,6 N/mm 2
- Nhiệt độ lớn nhất chịu được 500°C
5.1.2 Bích nối buồng đốt với thân thiết bị
Chọn theo bảng XIII.27 trang 420, tài liệu [2] Bích liền bằng thép, kiểu 1, ta được bảng:
Bảng 5.2 Bích nối buồng đốt vs thân thiết bị
Dt D Db D1 Dn Bulong Chiều cao db z h
5.1.3 Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ
Chọn theo bảng XIII.27 trang 420 Tài liệu [2] Bích liền bằng thép,kiểu 1, ta được bảng dưới
Bảng 5.3 Bích nối nắp với thân thiết bị ngưng tụ
Dt D Db D1 Dn Bulong Chiều cao db z h
Các đường ống dẫn cửa
5.2.1 Ống và cửa nhập liệu
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống w = 1,5 m/s (trang 74 Tài liệu [2])
Vậy đường kính ống nhập liệu d = nl = = 0,027 = 27mm
Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 trang 435, tài liệu [2]
5.2.2 Ống và cửa tháo liệu
Lựa chọn thảo liệu V = tl = 8,33 10 m-5 3/s
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống w = 1,5 m/s (trang 74 Tài liệu [2])
=> Đường kính ống tháo liệu d = t = 0,0084 = 8,4 mm
Lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu 857,15 kg
Vậy lưu lượng hơi thứ
Chọn vận tốc hơi đi trong ống v = 20 m/sht
=> đường kính ống dẫn hơi thứ dht = = = 0,23 m = 230 mm
Khối lượng riêng hơi đốt ở 3 at kg/m 3
Chọn vận tốc hơi đốt v = 20 m/shđ
=> Đường kính ống dẫn hơi đốt d = hđ = = 0,1m 0mm
Khối lượng riêng nước ngưng ở 132,9°C
Chọn vận tốc nước ngưng chảy trong ống v = 1,5m/s nn
=> Đường kính ống dẫn nước ngưng d = nn = = 9,35.10 m = 9,35mm-3
Bảng 5.4 Tóm tắt thông số của các đường ống dẫn và cửa Ống Đường kính trong, mm Bề dày, mm Chiều dài, mm
Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm
♦ Cần bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Với: Q : nhiệt ngưng tụ, kWnt
G : lượng hơi ngưng tụ (kg/s) = 1000,01/3600p r : ẩn nhiệt ngưng tụ = 2358 10 (J/kg) p 3
(theo bảng 1.252, trang 314, tài liệu
♦ Lưu lượng nước lạnh cần thiết
G : lượng nước cần cung cấp, kgn
W: lượng hơi thứ cần ngưng, kg i : entanpi của hơi thứ ở áp suất ngưng tụ 0,2031 at, J/kg i = 2608.10 J/kg (bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1]) 3 c : nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độn c = 4178 J/kg.độ n t , t : nhiệt độ vào và ra của nước, °C n1 n2 t = 25°Cn1 t = 45°Cn2
Chọn kết cấu của bề mặt truyền nhiệt bình ngưng là chùm ống trơn bằng thép dài 1,2m, đường kính ngoài d = 25 mm và đường kính trong d = 20n tr mm
- Tác nhân làm mát là nước lạnh, nhiệt độ nước vào 25 °C, nhiệt độ nước râ 45 °C
- Nhiệt độ hơi thứ tại thiết bị ngưng tụ 59,7 °C
- Tính hiệu nhiệt độ trung bình
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều
+ Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: = 59,7 – 25 = 34,7 °C
+ Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: = 59,7 – 45 = 14,7 °C
Hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi thứ và nước
Nhiệt độ trung bình của nước trong thiết bị: t = t - ∆t = 59,7 – 23,29 = 36,41°Cntb n TB
- Hệ số cấp nhiệt phía trong ống
Các thông số của nước tại nhiệt độ 36,41°C (Theo bảng I.102 trang 94, bảng I.139 trang 133, bảng I.149 trang 168 – tài liệu [2])
+ Nhiệt dung riêng C = 4179,2 J/kg.độ
+ Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,628 W/m.độ
Chuẩn số Prandtl của nước:
Chuẩn số Nusselt của nước được tính theo phương trình với nhiệt độ trung bình của lưu thể:
Khi tính đối với chất tải nhiệt lỏng hoặc khí ta luôn phải chọn chế độ chảy xoáy (Re > 10 ) để đảm bảo 4 lớn Ngoài ra khi chọn chế độ chảy xoáy sẽ xoáy (Re>10 ) thuậ tiện cho việc truyền nhiệt xảy ra 4
Chọn Re = 10000 εk là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài ống và đường kính ống.
Chọn εk = 1 (tra Bảng V.2 trang 15 tài liệu [2])
Thay số liệu ta được
Hệ số cấp nhiệt phía nước α2
Hệ số cấp nhiệt phía hơi
Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
Nhiệt độ tường phía nước:
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và ống nước:
(tra bảng I.102 trang 95 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
168 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
(tra bảng I.129 trang 133 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 1 sau đó nội suy kết quả)
Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước là
Nhiệt tải riêng phía nước là:
Hệ số truyền nhiệt K = 854,14 W/m2.độ
=> Chọn 61 ống Chọn các sắp xếp vỉ ống theo đỉnh lục giác đều có số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 9
Bước ống t lấy bằng khoảng từ (1,2 ÷ 1,5) dn t= 1,5 0,025 = 0,0375 (m)
Xác định đường kính trong của vỏ thiết bị ống chùm
Vỏ trong của thiết bị được xác định bởi:
Xác định độ dày của vỏ ngoài thiết bị
Theo cơ sở tính roán thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức:
P – áp suất bên trong vỏ, bằng áp suất khí quyển: 0,1 (N/mm ) 2
D – đường kính trong của vỏ: D = 200 (mm)t t
= 101 N/mm - ứng suất kéo cho phép của thép 2
– hệ số bến mối hàn giáp mối bằng máy; φ = 0,8;
C – hệ số bổ sung: C = 2 (mm); Để đảm bảo độ bền cơ học chọn độ dày vỏ thiết bị là δ = 6 (mm)v
Xác định kích thước vỉ ống
Chọn vỉ ống làm bích luôn cho thiết bị nên các kích thước của vỉ ống được tra theo bảng XIII.26 (trang 416) – Sách sổ tay hóa công tập 2 ta có các kích thước là: Đường kính ngoài: D = 460 (mm)vỉ Đường kính tâm lỗ bulong: 266 (mm) do lấy 2 đệm làm kín nên chọn đường tròn đi qua lỗ bulong có đường kính là 232 (mm) Độ dày của vỉ là δ = 24(mm)vỉ
Tính bền cho vỉ theo kết cấu cứng được xác định theo công thức:
[σu] - ứng suất uốn của thép: [σu] = 6.107 (N/m ) 2
dl - hệ số do đục lỗ
Chọn δ = 24 (mm) là thỏa mãn độ bền về kết cấu cứng.vỉ
Xác định số lối ống
Lượng nước cần để ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ là coi lượng nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường là 5%
Vận tốc của nước đi trong ống:
Vậy số lối cần chia là:
Số lối chia là n = 4 (lối)
Tính lại chuẩn số Reynolds sau khi chia lối
Thỏa mãn chế độ chảy rối
Tính đường kính trong của ống dẫn nước lạnh vào và ra
Vận tốc nước đi vào trong ống thiết bị chọn là v = 2 (m/s) Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước:
Ta lấy đường kính trong của ống dẫn nước ra là d = 0,015 (m) = 15n2
Xác định đường kính trong của ống tháo thứ ngưng Đường kính trong của ống dẫn hơi vào thiết bị
Chọn vận tốc hơi vào thiết bị là v = 10 (m/s) với lưu lượng G = 0,146h1 h1
(kg/s) thì lưu lượng thể tích hơi thứ tương ứng là:
Chọn ống DN90 theo tiêu chuẩn ASTM
Chọn vận tốc thứ lỏng ra khỏi thiết bị là v = 1,5 (m/s) thì đường kínhh2 trong của cửa ra thứ lỏng là:
Chọn đường kính ống cửa hơi ra là ống DN8 theo tiêu chuẩn ASTM
Kích thước nắp thiết bị
-Nắp thiết bị chọn là hình elip cho phải chia thành nhiều lối, chọn nắp elip để giảm trở lực thủy lực hơn nắp phẳng Nắp elip dễ chế tạo hơn nắp hình bán cầu.
- Chiều cao của nắp thiết bị: h = 0,25.D = 0,25.200 = 50 (mm).b
- Chọn chiều cao nắp thiết bị là 135 (mm).
- Chọn độ dày của nắp là 6mm
Tính toán chọn tai treo
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3
Tai treo được hàn vào thiết bị, chọn số gân là 2
Khối lượng riêng của thép CT3; ρx50 kg/m 3
Khối lượng riêng của thép không rỉ X18H10T :ρy00 kg/m 3
Khối lượng tổng cộng: M= MTB+Mdd
- Khối lượng buồng bốc hơi
- Khối lượng nắp S= 9 mm, D = 1320mmt
Tra bảng X.III.11 STQTTB T2/tr 384
- Khối lượng đáy S=6 mm, D = 1436 mmt
- Khối lượng động cơ và cánh khuấy
- Khối lượng các chi tiết phụ khác
5.4.2 Tính khối lượng dung dịch cô đặc
Vậy tổng khối lượng nồi cô đặc là : M = 2281 kg
Chọn 4 tai treo Tải trọng cho mỗi tai treo:
Tra bảng X.III.36 STQTTB T2/tr 438 thông số tai treo cho TB thẳng đứng
Chọn đệm
Đệm để làm kín mối ghép bích, nó được làm bằng các vật liệu mềm dễ biến dạng Chọn đệm paronit có bề dày S = 3 mm
Chọn kính quan sát
Vật liệu chế tạo là thép 12MX và thủy tinh. Đường kính quan sát là 250 mm.
Kính được bố trí sao cho mực chất lỏng có thể nhìn thấy Do đó, có 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc tạo thành góc 180
Tính toán chọn cánh khuấy
Đối với dung dịch nước dứa là dung dịch đặc, có độ nhớt cao nên ta sử dụng cánh khuấy mái chèo, tốc độ chậm.
Vật liệu: Trục ở đây được chọn thép C45 để chế tạo [σ]= 600MPa ứng suất uốn cho phép, [τ] N/mm ứng suất xoắn cho phép Đường kính sơ bộ trục được xác định theo [3, công thức 10.4, trang 351]: d mm
Với - công suất động cơ (P = 1,5 kW)�1 1 n- số vòng quay (n= 80 v/ph)
Thay vào ta được: d ≥ = 39,99mm
Vậy để đảm bảo an toàn ta chọn d = 60 mm
Chọn cánh khuấy mái chèo Kích thước cánh khuấy
- Đường kính trục lắp cánh khuấy d = 110 mmt
- Tốc độ motor điện 1400 (4 cực điện- 4 poles tua chậm)
- Đường kính cốt (trục) của motor 25 mm
- Cường độ dòng điện lúc chưa có tải là 7.8-8.3 Ampe
- Hệ số bảo vệ bụi và nước IP 54,cấp chịu nhiệt F, chế độ làm mát toàn phần
- Nguyên liệu: tôn silic xanh cán nguội, dây đồng cách điện (dây ê may)
- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế dọc trục 140 mm
- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế ngang trục 160 mm
- Tổng chiều dài thân mô tơ 425 mm
- Tổng chiều cao thân mô tơ 250 mm
Tính toán chọn bơm chân không
Ta chọn bơm cho hệ thống là bơm pít-tông tác dụng đơn (một chu kì hút đẩy) Theo 1.1 – trang 5 – tài liệu 3, năng lượng cần thiết để dịch chuyển lượng khí cần thiết ra khỏi thiết bị được tính theo công thức:
[J.m ] -3 Trong đó: P = 20000 [N.m ], P = 100000 [N.m ] – Áp suất không khí tại1 -2
2 -2 đầu vào và ra của bơm.
[kg.m ] – khối lượng riêng không khí -3 g = 10 [m.s ] – gia tốc trọng trường -2
H = H = 13.6 [m] – chiều cao tại đầu vào và ra của bơm so với1 2 điểm hút.
C1 = 0 [m.s-1], C = 10 [m.s-1] – Vận tốc khí đầu vào và ra của2 bơm.
Thay số vào công thức ta có:
Lượng khí cần hút ra W = 8 [mkh 3.h -1 ] = 2,3.10 [m -3 3 s ] -1
Suy ra công suất theo lý thuyết của bơm là:
Công suất thực tế cần: bom tt
Với là hệ số hiệu dụng tổng.
Hệ số hiệu dụng tổng: Q P m
- hệ số hiệu dụng thể tích, chọn Q 0,90
P 0,75 0,96 - hệ số hiệu dụng áp suất, chọn P 0,75
m 0,92 0.98 - hệ số hiệu dụng cơ học, chọn m 0,92 (theo 3.21 – trang 24 – tài liệu 3)
Thay số vào ta có:
Công suất thực tế cần:
Vậy ta chọn bơm chân không pít-tông tác dụng đơn, công suất 0,3 [kW]
Về phương pháp tính toán, phần tính toán sử dụng dựa trên các tài liệu đáng tin cậy của các tác giả có nhiều năm kinh nhiệm giảng dạy và thực tế Các thông số về kích thước cơ bản đã được tính một cách rõ ràng và logic Các số liệu sau khi tính toán đã được sự góp ý của giảng viên hướng dẫn để phù hợp hơn với thực tế.
Về phương diện thiết kế, bản vẽ đã trình bày rõ về hình dạng cũng như các kích thước cơ bản của thiết bị; phóng to một số các kết cấu quan trọng như: các kết cấu ghép của các mặt bích,…
Tuy nhiên, phần tính toán thiết kế vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót như: chưa vẽ và làm rõ kết cấu của bơm chân không pít-tông, động cơ cánh khuấy. Ngoài ra, do kinh nghiệm thiết kế cũng như thực tế còn thiếu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót không đáng có Vì vậy, trong thời gian tới, em sẽ tiếp tục học hỏi các kiến thức và kĩ năng cần thiết để phần tính toán thiết kế thêm đầy đủ, hoàn thiện và sát hơn với thực tế.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới Thầy TS Phan Minh Thụy đã cho em những gợi ý, những lời khuyên và những kiến thức thực tế hữu ích để em có thể hoàn thành tốt đồ án chuyên ngành của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
