Đồ án cô đặc dung dịch sori nối liên tục ;loại ống dài

Đồ án cô đặc dung dịch sori nối liên tục ;loại ống dài

CHƯƠNG 1

Tổng quan

1.1.NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

Thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi, xuôi chiều với các thông số sau :

- Thiết bị cô đặc dạng ống dài thẳng đứng

- Năng suất sản phẩm: 3000 kg/h

- Nồng độ nhập liệu: 10 %

- Nồng độ sản phẩm : 45%

- Aùp suất hơi đốt: 4 at

- Aùp suất hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ: 0.2 at

- Các thông số khác tự chọn

1.2 LỰAC CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1.2.1.Khái quát về cô đặc

- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách tách

1 phần dung môi ở dạng hơi hay kết tinh chất tan

- Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất rắn hoà tan

- Quá trình cô đặc bốc hơi có những đặc điểm sau:

+ thường tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường ( áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác (ví dụ áp suất chân không) người ta dùng thiết bị kín

+ có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn, xuôi chiều hay ngược chiều

+ thường được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị

1.2.2 Phân loại thiết bị cô đặc

Có nhiều cách phân loại nhưng thường phân loại thành 3 nhóm sau:

- Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên → dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dẽ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức→ dùng được cho các dung dịch khá sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng → cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến tính một số thành phần của dung dịch.

⇒ Tuỳ vào một số tính chất của dung dịch, tính hiệu quả cũng như mặt bằng mà có thể thiết kế buồng đốt trong hay ngoài cho thiết bị cô đặc

1.2.3 Khái quát về nguyên liệu

- Sơri (Barbados), tên khoa học Malpighia glaboa, thuộc họ Malpighiacea, là một thứ trái nhỏ, có khía, tròn, màu đỏ (khi chín) và có hương vị đặc trưng

- Trước đến nay sơ ri chỉ dùng để ăn như một số trái cây khác, do tính chất mềm, dễ dập nên phải thường ăn ngay

- Ngày nay, sau khi phân tích về thành phần các chất có trong trái sơ ri, người ta phát hiện nó có hàm lượng vitamin rất cao(đặc biệt là vitamin C), khoáng, đạm…Điều đó có nghĩa là sơ ri có giá trị cao trong việc chế biến một số thức uống: rược vang, nước trái cây có hàm lượng đường vừa đủ, thêm một số vitamin và khoáng chất…

Thành phần tính cho 100g ăn được

1.2.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc

Chọn thiết bị cô đặc chảy màng, ống dài, buồng đốt ngoài, hệ thống hai nồi , xuôi chiều, liên tục

• Ưu điểm:

- Hệ thống cô đặc ở áp suất không cao, nhiệt độ sôi không cao nên thích hợp để cô đặc dung dịch dễ biến tính, tránh hư hỏng sản phẩm phù hợp với dung dịch dung dịch thực phẩm, chứa đường và một số vitamin

- Dùng hệ cô đặc 2 nồi nên đã tiết kiệm được chi phí hơi đốt do tận dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt nồi sau

- Cô đặc dạng màng lưu chất chỉ dàn đều trong ống và bốc hơi nhẹ nhàng Sử dụng ống dài giúp tăng thời gian lưu để bốc hơi được tốt hơn, dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt 2 truyền nhiệt 1 lần nên tránh được tác dụng nhiệt độ lâu làm biến tính dung dịch

- Nồng độ nước sơ ri ở dây thực chất được coi là nồng dộ đường vì sau khi chế biến ép nước

sơ ri nồng dộ đường là lớn nhất, nồng độ các chất khác rất nhỏ coi như mức ảnh hưởng không đáng kể Tuy nhiên việc muốn giữ lại các chất đó sau khi cô đặc xong ta phải quan tâm đến

nhiệt độ quá trình Đồng thời việc chảy xuôi chiều giúp nhiệt độ không cao quá ở phần cuối dế

làm biến tính dung dịch do sự quá nhiêt cục bộ

• Nhượïc điểm:

- Hệ cô đặc nhiều nồi đòi hỏi chi phí cho thiết bị nhiều hơn, cũng như diện tích nhà xưởng lớn hơn, đặc biệt việc chọn buồng đốt ngoài càng làm tốn diện tích

- Cô đặc chân không nên điều kiện an toàn khó khăn, tốn năng lượngvà chi phí vận hành thiết bị

1.3.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1.3.1 Thuyết minh quy trình công nghệ (có sơ đồ đính kèm)

Dung dịch nước sơ ri sau khi qua một số công đoạn ép, lọc, tinh chế trước đó được đưa vào bồn chứa, duy trì ở nhiệt độ 60 0 C nhằm tránh được sự phát triển của vi sinh vật

Sau đó nước sơ ri được bơm lên trên thiết bị gia nhiệt với suất lượng 3000 kg/h Qua trình bơm sẽ có sự điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp với hệ thống tự động điều khiển lưu lượng Thiết bị gia nhiệt được sử dụng là thiết bị gia nhiệt ống chùm dạng vỏ áo, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ được bố trí theo đỉnh tam giác đều Các đầu ống này được giữ cố định nhờ các vỉ ống gắn với thân Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi đốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at Dung dịch được đưa vào cùng chiều dòng hơi để tránh hiện tượng dòng ra bị cháy do tiếp xúc với nhiệt độ quá cao.Ngoài ra việc dung dịch chảy từ trên xuống sẽ tận dụng lực trọng trường nên không tiêu tốn năng lượng Trong thiết bị gia nhiệt có sự trao đổi nhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách ống truyền nhiệt Dòng lỏng sẽ được gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc t =110.210C Việc gia nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ra lúc sau ở thiết bị cô đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi ở buồng đốt là thật sự hiệu quả Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏng sôi và đựơc thoát ra ngoài Ơû thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng để đảm bảo an toàn về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệu quả

Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc Ở đây ta sử dụng thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, ống dài, và hai nồi liên tục xuôi chiều Loại thiết bị này khá thích hợp với việc cô đặc dung dịch thực phẩm do chế độ nhiệt êm dịu và không tăng quá nhanh

Đầu tiên dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1) Thiêùt bị này có cấu tạo như thiết

bị gia nhiệt loại màng có bộ phận phân phối lỏng (là bộ phận có nhiều lỗ nhỏ và những ống ngắn hàn vào đĩa, các ống này có dưòng kính nhỏ hơn ống truyền nhiệt và được đặt đồng tâm, lọt vào ống truyền nhiệt Ở đây dòng lỏng được để ở chế độ chảy màng từ trên xuống trong các ống truyền nhiệt để tận dung lực trọng trường cũng như có thể tạo được màng lỏng mỏng và đều Việc phân phối lỏng như trên được thực hiện nhờ vào đĩa phân phối lỏng Khi lỏng đi vào buồng đốt (phần nắp) sẽ chảy từ từ qua các lỗ nhỏ rồi men theo thành rỗng giữa ống truyền nhiệt và ống ngắn để tạo thành màng mỏng với bề dày theo yêu cầu đặt ra Dòng hơi được sử dụng cũng từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi nước để cấp nhiệt cho dòng lỏng Trong thiết bị này, khác với thiết bị gia nhiệt ở chỗ dòng lỏng không nhận nhiệt để thay đổi nhiệt độ mà đẻ thay đổi entanpi nhằm chuẩn bị cho quá trình bốc hơi sẽ diễn ra ở trong buồng bốc Tưong tự như thiêát bị gia nhiệt dòng hơi ngưng tụ thành lỏng được thoát ra ngoài và ở buồng đốt cũng có ống thoát khí không ngưng Sau khi chảy qua hệ thống ống truyền nhiệt, dung dịch đi xuống thân phụ để chuyển qua buồng bốc Thân phụ giúp

duy trì một vận tốc ổn dịnh cho dòng lỏng Thân phụ nối với bồng bốc nhờ một ống hình chữ nhật đi ra vuông góc với thân phụ và tiếp tuyến với thân buồng bốc để tạo ra dòng chuyển động xoáy giúp xáo trộn tốt hơi và lỏng giúp quá trình bốc hơi dễ dàng hơn.

Ở buồng bốc 1, dung dịch thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận đủ nhiệt để chuyển trạng thái) Hơi nứơc bốc lên với áp suất là 1.47 at và dung dịch còn lại sẽ tăng nồng độ lên là 16.9% Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dòng hơi lôi cuốn các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết bị phía sau do có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt Để khắc phục điều này trong các buồng bốc thường có bộ phận phân ly giọt lỏng Tuỳ vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sự dính ướt hay sự ly tâm Ơû đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướt dạng nón Khi dòng hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lại trên nón và chảy xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, còn hơi thứ tràn qua phần nón đi ra ngoài theo ống dẫn hơi để sang truyền nhiệt cho buồng đốt 2 Còn dung dịch được bơm sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình cô đặc

Ở hệ thống nồi cô đạc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ơ nồi 1 tuy nhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau:

Ở buồng đốt 2, dung dịch sơ ri (lúc này đã có sự giảm mạnh về lưu lượng) cũng được chảy màng từ trên xuống thực hiện chế độ truyền nhiệt êm dịu Hơi đốt lúc này chính là hơi thứ lấy từ buồng bốc 1 Do có sự thay đổi đáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ sôi của dung dịch đã giảm xuống ứng vơi nhiệt độ hiện có của dung dịch Do đó dung dịch cũng chỉ cần nhận nhiệt lượng phục vụ cho việc tăng entanpi để có thể bốc hơi khi sang buồng bốc Nứơc ngưng cùng khí không ngưng cũng được thoát ra ngoài Dung dịch chảy xuống thân phụ được đưa sang buồng bốc

Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện Hơi thứ lúc này có áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.21 at được đi theo ống dẫn hơi đên thiết bị ngưng tụ baromet Trong khi đó dung dịch nước sơ ri sau quá trình bốc hơi đạt đến nồng độ 45 % ở nhiệt độ 61.30C được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho các công đoạn sau đó

Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp dòng lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp 300C sẽ ngưng tụ thành lỏng theo dòng nước đi xuống bồn chứa với nhiệt độ nước ngưng bằng 500C Trong quá trình này có một lượng lớn hơi được ngưng tụ nên áp suất giảm tạo áp suất chân không Chính nhờ điều này mà áp suất trong thiết bị được duy trì ổn định Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưng còn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng Tấm ngăn sẽ làm vật cản để dính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí này rồi sau đó mới cho nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng xâm thực có thể xảy ra làm hư bơm.Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khí không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử dụng bơm hút chân không giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay đỏi trong cả hệ thống

Lượng nước ngưng được thoát ra từ thiết bị gia nhiệt, buồng đốt 1, buồng đốt 2 được gom lại và đi qua tháp giaiû nhiệt hạ đến nhiệt độ thường phục vụ cho những mục đích khác nhau tuỳ

vào độ tinh sạch của nó

Thông số công nghệ

1.3.2.Kiểm soát và điều khiển quá trình

Mục tiêu điều khiển quá trình cô đặc là thu được sản phẩm có nồng độ mong muốn và đảm bảo cân bằng vật chất và năng lượng ở tất cả các thiết bị trong suốt quá trình

1.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc:

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc được chia thành các nhóm sau dựa vào việc ta có thể kiểm soát, điều khiển cũng như có đặt ra yêu cầu kiểm soát và điều khiển hay không đòng thời với vai trò quyết định của chúng đến kết quả của quá trình

Tác động nhiễu cho phép ổn định:

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ của dung dịch nhập liệu

- Lưu lượng hơi đốt

Tác động nhiễu không ổn định:

- Nhiệt lượng tổn thất

- Aùp suất hơi đốt

- Nồng độ dung dịch nhập liệu

- Hệ số truyền nhiệt

Các đại lượng cần điều chỉnh:

- Nồng độ sản phẩm

- Lưu lượng nhập liệu

- Aùp suất hơi thứ trong nồi cuối

- Mức dung dịch trong từng nồi

- Nhiệt dộ của dung dịch nhập liệu

Tác động diều chỉnh:

- Lưu lượng sản phẩm

- Lưu lượng dung dịch vào từng nồi

- Lưu lượng hơi đốt vào nồi một và thiết bị gia nhiệt

- Lưu lượng nước làm nguội ở thiết bị ngưng tụ

Các thông số cần kiểm tra:

- Aùp suất trong các nồi trung gian

- Lưu lượng và nhiệt độ dòng nhập liệu

- Mức chất lỏng trong cùng bồn chứa và nhiệt độ dung dịch

1.3.2.2 Hệ thống điều khiển:

Các thông số công nghệ được ổn định bằng các hệ thống điều khiển tự động một vòng như sau:

STT Thông số cần ổn định Tác động điều chỉnh

1 Nồng độ sản phẩm Lưu lượng hơi đốt cho nồi 1

2 Mức dung dịch trong các nồi Suất lượng tháo liệu ở mỗi nồi

3 Aùp suất hơi thứ nồi cuối Lưu lượng nước ngưng tụ

4 Nhiệt độ nhập liệu vào nồi 1 Lưu lượng hơi đốt cho thiết bị gia nhiệt

Với nồng độ dung dịch được xác định gián tiếp thông qua độ tăng phí điểm của dung dịch sản phẩm Tiến hành đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong buồng bốc II và nhiệt độ hơi thứ ở cùng điều kiện áp suất Tín hiệu đo nhiệt độ được truyền đến bộ tính toán để tính hiệt nhiệt độ và xác định nồng độ sản phẩm

Ngoài ra cũng phải kể đến việc có sự thay đổi áp suất trong phần thân buồng đốt do sự có mặt của khí không ngưng,và ta cũng sẽ có những bộ phận xả khí không ngưng tự động khi có sự tăng áp suất trong thiết bị mà không cần phải kiểm soát

1.3.2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tự động một vòng:

- ĐTĐK: đối tượng điều khiển - CBĐL: cảm biến đo lường

- TBĐC: thiết bị điều chỉnh - BPTH: bộ phận thừa hành

- y: đại lượng điều chỉnh - x: tác động điều chỉnh

- xDC: tín hiệu điều khiển - u: giá trị chủ đạo

1.3.2.4 Dụng cụ đo và điều khiển:

Để đảm bảo an toàn trong sản xuất các cơ cấu thừa hành sử dụng nguyên tắc truyền động bằng khí nén

Dụng cụ đo được chọn như sau:

- Đo áp suất bằng áp kế hộp xếp khí nén có tín hiệt ra dạng khí nén

- Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện cho độ chính xác cao và có thể áp dụng trên một khoảng biến thiên rộng của đại lượng

- Đo mức bằng mức kế thuỷ tĩnh có phao chìm

- Đo lưu lượng bằng lưu lượng kế có độ chênh áp biến thiên

CHƯƠNG 2

Thiết bị cô đặc

2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG

2.1.1.Ký hiệu các đại lượng

∆thi oC Nhênh lệch nhiệt độ hữu ích

∆thi oC Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

2.1.2.Tính cân bằng vật chất và năng lượng:

√ Mục đích : Giúp tính toán hơi đốt hữu ích, Q, ∆thi để tính toán bề mặt truyền nhiệt, từ đó tính kích thước thiết bị

√ Sơ đồ:

1 Chọn tỉ lệ hơi thứ: W1 : W2 = m

2 Tính W1,W2 , G, x

B1: Chọn tỉ lệ hiệu áp suất : ∆p1 : ∆p2 = a

B2: Tính ra áp suất tại mỗi nồi p1, p2, pw1, pw2.

B3: Xác định nhiệt độ tại mỗi nồi t1, t2 , tw1 , tw2.B4 : Xác định nhiệt độ tổn thất cho mỗi nồi B5 : Xác định nhiệt độ sôi của mỗi nồi

B6 : Xác định nhiệt độ chênh lệch hữu ích mỗi nồi

B7 : Kiểm tra điều kiện

% 5 ) , max( 1 2

h h

t t

t t

Nếu điều kiện thỏa thì ngừng, nếu điều kiện không thỏa thì lặp lại từ B1

4 Tính lại W1 , W2 , D theo phương trình cân bằng năng lượng của nồi 1 và nồi 2

5 Kiểm tra điều kiện

tính cọn

tính chọn

w w Max

2.1.2.1 Xác định nồng độ và hơi thứ

- Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống:

X G X

D

D D I C

−

2.1.2.2 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi Theo T105-[1]

- Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

∆P = P1 – P2’

Chọn

2

1 P

P

∆

∆ = a mà ∆P= ∆P1 + ∆P2 => ∆P1, ∆P2

và ∆P1 = P1- P1’ => P1, P2

2.1.2.3 Xác định nhiệt độ tổn thất

-Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ∆’: Theo công thức Tisencô

t 2 '

0

) 273 (

* 2 16

*

Với ∆’o tra bảng III.1-[5]

-Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh ∆’’:

Vì chọn chế độ chảy màng bằng hệ thống ống dài nên xem như dung dịch sôi ở mặt thoáng tức ∆’’= 0 oC

-Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống ∆’’’:

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1°C Nên:

∆’’’1 = ∆’’’2 = 1°C

-Tổn thất chung: ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ (T184-[3]) (8)

2.1.2.4 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi từng nồi Theo T111-[1]

73 2375 342

25100

* 11 18000

* 22 11700

2.1.2.6 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng Theo T181-[3]

- Ta có sơ đồ nhiệt đơn giản sau :

) ''

(

2 2 2

2 2 2

2 1

d

i W i r

d

i c i G c

i W i

W W

D

d

− +

− +

max( 1 1

1 1

chon tính

chon tính

W W

W W

1 2 1

9.0

''

D

d c

r

d i G c i G W i W

(CTTT)

Noài 1 Noài 2

theo Pw

Aån nhieät ngöng tuï rW kJ/kg 2233.5 2355.26

Suất lượng hơi đốt D kg/h 1473.72 2696.5 (17)Chênh lệch nhiệt

Nhiệt lượng có ích Q kJ/h 2395.2 2379.89

2.2 KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH

√ Mục đích : Tính F => số ống n, chiều cao thiết bị H, tính kích thước buồng đốt, buồng bốc

làm cơ sở tính bền

√ Sơ đồ:

Các bước tính toán:

1 Chọn vật liệu ống truyền nhiệt và các thông số về kích thước thiết bị: Hô , dt, dn, n

2 Chọn 2 giá trị chênh lệch nhiệt độ phía hơi đốt ∆t rồi suy ra nhiệt độ vách ngoài tương ứng

3 Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía hơi đốt (αDvà q D)

4 Tính chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của thành ống và chênh lệch nhiệt độ phía dung dịch

5 Chọn số ống truyền nhiệt nchọn

6 Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía dung dịch (αl và αD)

7 Coi cường độ dòng nhiệt phụ thuộc tuyến tính vào ∆t D ,ta dựng hai đường thẳng qD=f(

D L

q q

9 Tính hệ số truyền nhiệt K

10 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi

11 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F

12 Tính lại số ống truyền nhiệt n

13 kiểm tra điều kiện:

% 5

n

n n

n

Nếu điều kiện chưa thoả thì ta điều chỉnh lại các thông số về kích thước thiết bị đã chọn

ở trên Nếu điều kiện thoả, ta làm tròn diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống truyền nhiệt đến thông số chuẩn

2.2.1.Kí hiệu các đại lượng

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

q W/m2 Cường độ dòng nhiệt

MSac Khối lượng phân tử đường saccharose

M Khối lượng phân tử trung bình của dung dịch đường mía

K W/m2.độ Hệ số truyền nhiệt tổng quát

rs kJ/kg Ẩn nhiệt ngưng tụ

g m/s2 Gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s2)

F m2 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

d m Đường kính trung bình ống truyền nhiệt

n ống Tổng số ống truyền nhiệt

m ống Số ống truyền nhiệt trên đường chéo chính

Utt m3/m3.h Cường độ bốc hơi thể tích

f Hệ số điều chỉnh cho cường độ bốc hơi thể tích

α W/m.độ Hệ số cấp nhiệt

λ W/m.độ Hệ số dẫn nhiệt

“L” Ký hiệu ứng với dung dịch đường mía

“n” Kí hiệu bên ngoài ống truyền nhiệt

“t” Kí hiệu bên trong ống truyền nhiệt

“v” Kí hiệu ứng với vách ống truyền nhiệt

“ô” Kí hiệu ứng với ống truyền nhiệt

2.2.2 Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

- Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể được tính theo công thức tổng quát:

2.2.2.1 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi

2.2.2.1.1.Tính nhiệt tải riêng trung bình

- Giả thiết quá trình là liên tục và ổn định

- Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:

qD = α1.(t1 – tw1) = α1.∆t1 (20)

- Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

tw2)(tw1

1

=q

n t

2.2.2.1.2 Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ αD

Khi tốc độ của hơi nhỏ (ω’≤ 10 m/s, chính xác hơn khi ρ’ω’2 ≤ 30) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau:

Hệ số cấp nhiệt phía hơi bão hoà ngưng tụ (V.105-[4])

)(

(15.1

3 2

vn D D o

D S D D

t t H

g r

−

=

µ

λρ

với rs: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hoà tại nhiệt độ tD

Các thông số vật lý khác ( ρn,µn,λn ) là số liệu của nước sôi tại nhiệt độ trung bình phía hơi

- Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể :

q = q1 = q2

2.2.2.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch αL Theo T183-[2]

- Hệ số cấp nhiệt αL từ bề mặt ống vào dung dịch chảy dọc từ trên xuống được tính như sau:

Trong đó:

L t

d n

G

µ

π

3600

4

31

dd

dd dd

dd l

M

O H O

H C

X M

=> Nhiệt tải trung bình: qtb = 1 2

im

i m

i

t Q

t

Q K

2.2.4 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi

Vì ở đây xét thêm dự trữ 10% để đảm bảo an toàn tránh những sự cố có thể xảy ra như về hơi đốt, chân không… Thông thường theo kinh nghiệm lấy lên 20% nhưng tuỳ vào thiết bị chọn cho phù hợp với kết quả tính toán nên ta vẫn có thể chọn nhỏ hơn

=> Số ống truyền nhiệt:

.

F n

d l

π

Với d tính theo phía có α bé hơn hoặc là d trung bình với giá trị α gần nhau

Bảng 2.3: Kết quả tính hệ số truyền nhiệt tổng quát và diện tích bề mặt truyền nhiệt

Đại lượng Kí hiệu Đơn vị Nồi I Giá trị Nồi II Ghi chú

Ống truyền nhiệt

bảng VI.6 – [ 4]

Phía hơi đốt

theo t n

Cường độ dòng nhiệt q 104W/m2 24136.64 24553.2 (20)

Phía lỏng

Suất lượng dung dịch

Nhiệt độ sôi trung

[4]

Kiểm tra điều kiện

Chênh lệch nhiệt độ

Số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt

Như vậy ta chọn thông số chung cho ba nồi:

- Chọn bề mặt truyền nhiệt : F= 29.5m2

- Số ống truyền nhiệt: n = 61 ống ( làm tròn theo bảng V.11 – [ 5 ])

- Chiều cao ống truyền nhiệt: Hô = 5 m

- Chiều cao buồng đốt lấy bằng chiều cao ống truyền nhiệt: Hđ = 5 m

2.2.4 Tính kích thước của buồng đốt và buồng bốc

2.2.4.1 Đường kính buồng đốt

- Đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức sau:

Dt = s.(m – 1) + 4.do (m) ( CT2.85/ 58/ [2])(44)Trong đó: Chọn s = 1.5do

3

4

• Ngoài ra ta còn có thêm thân phụ ở buồng đốt lấy Htp=(70-100%)Dt (46)

2.2.4.2 Kích thước buồng bốc Theo T157-158-[2]

- Gọi chiều cao buồng bốc là: Hb (m)

- Đường kính buồng bốc: Db = 4.

b b

V H

Với: Up = fp Ut (m3/m3.h) (III.24-[1]) (49)Chọn Ut = 1700m3/m3

Chọn fp ( theo đồ thị VI.3-[5])

- Vận tốc lắng: ω0 =

ρρ

3

Re =

h

h

h d w

µ

ρ

Dựa vào những lý luận trên cùng giả thiết ξ = 18, 50,6

Re ta có kết quả sau:

wh =AHb

w0 =B(Hb)0.3

cùng giả sử wh =0.6w0

=> Hb ,Db

Kiểm tra lại: Vì có chọn lại đường kính thiết bị nên ta kiểm tra lại điều kiện Ta có bảng

kiểm tra như sau:

Bảng 2.4 Kích thước buồng đốt & buồng bốc

Nồi I Nồi II

Số ống trên đường xuyên

Đường kính ống truyền

Hơi thứ

Bảng 57-[3]Độ nhớt tuyệt đối µw 10-4pas 0.128 0.106

Dung dịch

Khối lượng riêng ρL kg/m3 1069.62 1205.6 Bảng I.87-[4]

Cường độ bốc hơi thể tích

Đường kính buồng bốc tính D

Đường kính buồng bốc

2.2.5.Kích thước các cửa

(nhập liêu, tháo liệu, hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, nối buồng bốc và buồng đốt)

- Sử dụng công thức và cách chọn theo tài liệu [8], T74

- Chọn vật liệu làm ống dẫn dung dịch là thép không rỉ X18H10T, còn ống dẫn hơi đốt và nước

ngưng là thép CT3

- Công thức chung để tính vận tốc lưu chất:

Trong đó : G: Lưu lượng lưu chất (kg/s)

v: Vận tốc lưu chất (m/s)

ρ: Khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)Từ công thức này ta có thể tính được vận tốc dựa vào giá trị d chọn trước

Bảng 2.5: Đường kính ống dẫn

Đại lượng Nhập liệu Tháo liệu Hơi đốt Hơi thứ ngưng Nước

Hỗn hợp sau khi qua BMTN

riêng Nồi INồi I 10401069.6 1205.6 0.81069.6 2.12 0.80.134 923.39 0.8951.63 0.134

Vận tốc lưu

chất (m/s) Nồi INồi I 0.40.2 0.20.1 10.924.9 5.7531.68 22 17.3559.82

Với d t : theo tiêu chuẩn ống [10]

2.3.TÍNH CƠ KHÍ

√ Mục đích tính toán bề dày thiết bị thoả với điều kiện làm việc của thiết bị

2.3.1.Kýhiệu các đại lượng

Cc m Chiều dày bổ xung quy tròn kích thước

ptt N/m2 Áp suất tính toán

Pn N/m2 Áp suất ngoài

Pt N/m2 Áp suất trong

Pa N/m2 Áp suất khí quyển

Pth N/m2 Áp áp suất tới hạn

Et N/m2 Modun đàn hồi

h

[σ]* Ứng suất cho phép tiêu chuẩn

c k

[ ] [ ] [ ]σu ,σk ,σc Ứng suất giới hạn uốn , kéo , chảy

[σn] N/mm2 Ứng suất cho phép khi nén

x Tỉ số giới hạn đàn hồi của vật liệu

2.3.2 Thân thiết bị buồng đốt và buồng bốc

Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3, trong khi đó buồng bốc thì dùng X18H10T, thiết bị có vỏ cách nhiệt, các công thức và cách chọn được áp dụng theo tài liệu [6] Buồng đốt nối với nắp và thân phụ bằng bích, thân phụ nói với thân buồng bốc bằng ống hình chữ nhật Thân buồng bốc nối với nắp và đáy bằng bích.

2.3.2.1.Thân làm việc điều kiện áp suất trong: Theo TL [6]

• Thông số làm việc:

[ ] h

t P D S

ϕ

σ 2

=> Bề dày thực của thân buồng đốt: Theo T27-[6]

(5.10-[6]) (58)

- Điều kiện 2: áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:

[ ] [ ] ( )

)(

2

a t

a h

C S D

C S P

−+

−

>P (N/mm2) (5.11-[6]) (59)Nếu cả hai điều kiện trên không thoả thì ta tăng bề dày lên rồi kiểm tra lại

2.3.2.2.Thân làm việc điều kiện áp suất ngoài

• Thông số làm việc:

'

*

*

* 18 1 '

D

l E

P D

Vơi l’= H (thân dùng mối ghép bích)

• Kiểm tra điều kiện ổn định của thân khi chịu tác dung của áp suất ngoài

).(

2 3.0

C S E

a t

n

D

C S D

C S l

D E

• Kiểm tra điều kiện ổn định của thân khi chịu tác dung của lực nén chiều trục:

 Xác định lực nén chiều trục:

P ct D t S P n

4

)2

Với kc tra bảng T140 -[6]

 Kiểm tra độ ổn định của thân: t

c

ct a

E K

P C

ct n

C S S D

P

−+

c

C S E