Đồ án cô đặc nước mía

Đồ án cô đặc nước mía

TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG

I Giới thiệu chung:

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển cộng nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu…

Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ vàkhông chế biến kịp thời

Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, … nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất

Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường

Một vài số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn):

1945-1946 1952-1953 1965-1966 1977-1978 1978-1979 1979-1980 1980-1981 1981-1982 Sản lượng 19934 35486 63097 92280 91858 88920 91000 97900

II Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường:

1 Đặc điểm nguyên liệu:

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

− Dung môi: nước

− Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng

2 Đặc điểm sản phẩm:

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

− Dung môi: nước

− Các chất hoà tan: có nồng độ cao

3 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 biến đổi không ngừng

a Biến đổi tính chất vật lý:

Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi:

− Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt

− Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi

b Biến đổi tính chất hoá học:

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid

Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hoà tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa

Phân hủy chất cô đặc

Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid

Phân hủy một số vitamin

c Biến đổi sinh học:

Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao

4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa:

− Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.

− Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu

− Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi

III Cô đặc và quá trình cô đặc:

1 Định nghĩa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đó là các quá trình vật lý - hóa lý

2 Các phương pháp cô đặc:

− Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

− Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăngnồng 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 phải dùng đến máy lạnh

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử:

− Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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 phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

− Bên cạnh đó, sự bay hơi 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) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc

4 Ứng dụng của sự cô đặc:

Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính,các dung dịch nước trái cây…

Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc:

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá 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 chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy thì 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 Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

IV Các thiết bị cô đặc nhiệt:

1 Phân loại và ứng dụng:

a Theo cấu tạo:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

− Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

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

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt 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,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…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

b Theo phương pháp thực hiện quá trình:

− Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

− Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.

− Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

− Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

2 Hệ thống cô đặc chân không gián đoạn:

a 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

b Ưu điểm:

− Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị, nhập liệu theo từng mẻ một

− Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dể dàng

− Có thể cô đặc dung dịch đến các nồng độ khác nhau theo phương pháp gián đoạn từng mẻ hoặc liên tục

c Nhược điểm:

− Làm việc ở trạng thái không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian cô đặc

− Thiết bị phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không

− Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác

3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc:

Thiết bị chính:

− Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

− Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

− Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…

Thiết bị phụ:

− Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

− Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

− Thiết bị gia nhiệt

− Thiết bị ngưng tụ Baromet

− Các loại van

− Thiết bị đo

4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng:

− Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

− Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ

− Đơn giản, dể sữa chữa, tháo lắp, dể làm sạch bề mặt truyền nhiệt

− Phân bố hơi đều

− Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

− Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

− Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất

− Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dể dàng

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I Sơ đồ hoạt động của hệ thống cô đặc 1 nồi gián đoạn:

1 Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc:

Nguyên liệu được nhập liệu vào truyền nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi mới cho vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các ống truyền nhiệt sẽ trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống nhiệt trở lên trên Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt

Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm lại về sau Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu

Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy Do đó, ta dùng biện pháp khác là tăng đường kính ống truyền nhiệt

2 Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet:

Hơi thứ ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị truyền nhiệt đun nóng cho nguyên liệu đạt đến nhiệt độ sôi Sau đó được dẫn vào ống vào phía dưới TBNT Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia Hơi trao đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài

3 Hoạt động của hệ thống:

a Nhập liệu:

Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300C được đun nóng đến nhiệt độ cận sôi và đưa vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu

Ban đầu nhập đủ 2,5 m3 thì tiến hành cô đặc, nguyên liệu vẫn tiếp tục nhập vào đề bù lượng hơi thứ bốc lên cho đến khi đủ thể tích nguyên liệu cho

1 mẻ thì chấm dứt nhập liệu

Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình gia nhiệt cho 2,5 m3 nguyên liệu của mẻ sau

b Quá trình cô đặc:

Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m3, quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp

Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 at Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng.

Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài

Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc ) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra

Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm

II Thao tác vận hành:

1 Chuẩn bị:

− Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu

− Kiểm tra độ kín của hệ thống

− Đóng các van

− Tắt bơm

2 Vận hành:

− Khởi động bơm chân không cho hệ thống đạt điều kiện chân không( khi lần đầu hoạt động) Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên Đợi cho đến khi quá trình ổn định

− Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp

− Mở từ từ van hơi đốt

− Bơm nước vào TBNT

− Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất, sẵn sàng ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra

− Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt

− Ngưng cấp hơi đốt

− Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng van

− Chấm dứt một mẻ cô đặc

− Ta bắt đầu các thao tác cho một mẻ mới

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Dữ kiện ban đầu:

− Dung dịch đường mía

− Nồng độ đầu xđ = 8 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC

− Nồng độ cuối xc = 75%

− Năng suất Gc = 1000 kg/mẻ

− Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đốt là 3 at

− Aùp suất ở thiết bị ngưng tụ: nhằm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, đảm bảo yêu cầu sản phẩm Giai đoạn đầu nồng độ dung dịch thấp áp suất ở thiết bị ngưng tụ là P = 0,4 at, khi nồng độ dung dịch tăng áp suất ở thiết bị ngưng tụ là P = 0,2 at

II Cân bằng vật chất:

1 Suất lượng nhập liệu (G đ ):

Theo công thức 5.16, QT và TBTN T5, tr184:

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):

Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5, tr184:

W = Gđ – Gc = 9375 - 1000 = 8375 kg/mẻTrong đó: Gc – suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /mẻ

3 Quá trình biến đổi vật chất trong quá trình cô đặc:

Theo quy trình công nghệ, quá trình biến đổi vật chất trong nồi cô đặc được chia ra làm 3 giai đoạn sau:

− Giai đoạn 1: từ lúc bắt đầu nhập liệu, tiến hành cô đặc cho đến khi chấm dứt nhập liệu, lượng nguyên liệu trong nồi cô đặc là 2,5 m3, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at

− Giai đoạn 2: từ lúc kết thúc giai đoạn 1 cho đến khi mức dung dịch trong nồi cô đặc chạm miệng trên của ống truyền nhiệt, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at

− Giai đoạn 3: từ lúc kết thúc giai đoạn 2 cho đến khi đạt nồng độ yêu cầu, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at

Các quá trình biến đổi vật chất trong quá trình cô đặc được tóm tắt như sau:

Thể tích nguyên liệu, m3 9,086 2,5 1,113 0,724

Khối lượng nguyên liệu, kg 9375 2787 1444 1000

Khối lượng riêng, kg/m3 1031,8 1114,8 1254,04 1381,4

III Cân bằng năng lượng:

1 Chế độ nhiệt độ :

Aùp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC

Gọi ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo QT và TBTN T5, tr184, chọn ∆’’’ = 1 oK

a Giai đoạn 1:

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(Po):

Tsdm(Po) - Tc =∆ ’’’ = 1K ⇒ Tsdm(Po) = Tc +1 = 75,4 +1 = 76,4 oCAùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 76,4oC là 0,42 at

b Giai đoạn 2 và 3:

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(Po):

Tsdm(Po) - Tc =∆ ’’’ = 1K ⇒ Tsdm(Po) = Tc +1 = 59,7 +1 = 60,7 oCAùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 60,7oC là 0, 21 at

2 Các tổn thất nhiệt độ :

a Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆ ’ ):

Theo công thức 5.3, QT và TBTN T5, tr174:

∆’ =∆o’.f Trong đó:

∆o’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển Tra từ đồ thị

f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:

r

T f

2

* 14 , 16

=

b Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆ ”):

Theo VD và BT T10, tr184:

∆ ” = Tsdd(Po+∆ p) - Tsdd(Po)Trong đó:

Tsdd(Po) - nhiệt độ sôi dung dịch ở mặt thoáng

Tsdd(Po+∆ p) - nhiệt độ sôi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng, đặt là tstb

ρhh = 0,5*ρdd, ρdd - khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đang xét, không kể lẫn bọt hơi, kg/m3

g= 9,81 m/s2

Po = 0,42 at

Hop -chiều cao lớp lỏng sôi(theo kính quan sát chỉ mức ), mVới Hop = [0,26 + 0,0014*( ρdd –ρdm)]*Ho, m

Ho - chiều cao ống truyền nhiệt, chọn Ho = 2 m

ρdd - khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, kg/m3

ρdm - khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 76,4oC

Ta có ρdm = 975 kg/m3.Tính lần lượt ở các nồng độ khác nhau của dung dịch đường, ta được các giá trị Po + ∆ P Sau đó, tra bảng 57, VD và BT T10, tr443: ta được nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (tstb)

Quan hệ nhiệt độ sôi và áp suất theo nồng độ dung dịch:

3 Cân bằng nhiệt lượng :

a Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc ( QD):

Theo công thức VI.3, Sổ tay tập 2, trang 52:

QD = Qđ+ Qbh + Qkn + Qtt = 19,41.109 +1,75.109 + 4%.QD

⇒ QD = 20,97.109 JTrong đó:

Qđ - nhiệt lượng để đun nóng đến nhiệt sôi, J

Qbh - nhiệt lượng làm bốc hơi nước, J

Qtt - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, J

b Nhiệt lượng dùng để đun nóng đến nhiệt độ sôi:

Theo Sổ tay tập 2, trang 52:

Qđ = Gđ*Ctb*(tsoi - tđ) = 9375*4020,99*(76,44 - 30) = 1,751.109 JVới: Gđ = 9375 kg/mẻ

Ctb - nhiệt dung riêng của dung dịch

Theo Sổ tay tập 1, tr153:

c Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh):

Theo Sổ tay tập 2, trang 57:

Qbh = W*r = 8375*2318,8.103 = 19,41.109 JTrong đó:

W - lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 8375 kg

r – ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,42 atTra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: r = 2318,8.103 J/kgNhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn):

Theo Sổ tay tập 2, trang 53: Qkn =Qhtđ - Qhtc

Trong đó:

Qhtđ, Qhtc lần lượt là nhiệt hoà tan tích phân của dung dịch đường ở nồng độ đầu và cuối của quá trình cô đặc Thường Qkn rất bé có thể bỏ qua

d Nhiệt lượng tổn thất (Qtt): theo QT và TBTN T5, tr186: chọn Qtt = 4%*QD

4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc (D):

Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, tr182:

2171

* ) 05 , 0 1 (

10 97 , 20

QD - tổng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc, QD = 20,97.109 J

ϕ - độ ẩm của hơi, ϕ = 0,05 ( VD và BT T10, trang 182)

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất là 3 at

Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: r = 2171.103 J/kg

5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, trang 182:

159 , 1 8375

68 ,

D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 9707,68 kg/mẻ

W - lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 8375 kg/mẻ

TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:

1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 ):

Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28:

) 1 (

*

*

*

* 04 ,

25 , 0 1

1 q t

t H

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at

Tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 447: r = 2170.103 J/kg

H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m

A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2

A tra ở sổ tay tập 2, trang 28

với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

α1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2K

7 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 ):

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi Quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch

Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:

) 2 ( /

565 , 0

C

C

dd n n

dd n

dd n

dd n

ρ λ

λ α α

Trong đó:

αn -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

αn = 3 p0,15 q20,7

Cdd - nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ ddịch

Cn - nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

µdd - độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

µn - độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

ρ dd - khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

ρn - khối lượng riêng nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

λdd - độ dẫn điện dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

λn - độ dẫn điện nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

Lập thành bảng số liệu theo nồng độ của dung dịch:

8% 975.2 1031.7 0.343 0.438 4028.1 4190 0.426 0.66415% 975.2 1061.0 0.687 0.438 3886.4 4190 0.371 0.66420% 975.2 1082.9 0.745 0.438 3785.2 4190 0.346 0.66425% 975.2 1105.5 1.450 0.438 3684.1 4190 0.326 0.66430% 975.2 1129.0 2.156 0.438 3582.9 4190 0.310 0.66435% 975.2 1153.3 2.861 0.438 3481.7 4190 0.296 0.66440% 975.2 1178.5 3.567 0.438 3380.5 4190 0.285 0.66445% 975.2 1204.7 4.785 0.438 3279.3 4190 0.275 0.66450% 975.2 1231.7 6.003 0.438 3178.1 4190 0.266 0.66455% 975.2 1259.8 7.222 0.438 3076.9 4190 0.258 0.66460% 975.2 1288.7 8.440 0.438 2975.7 4190 0.250 0.66465% 975.2 1318.7 9.658 0.438 2874.5 4190 0.243 0.66470% 975.2 1349.6 10.877 0.438 2773.4 4190 0.237 0.66475% 975.2 1381.4 12.095 0.438 2672.2 4190 0.230 0.664

Ghi chú:

• Các thông số của dung dịch:

∗ Cdd = 4190 – ( 2514 –7,52*t )*x, J/kg.K

∗ µdd: tra bảng phục lục

∗ ρ dd: tra bảng I.86 sổ tay tập 1 trang 58

∗ λdd: theo công thức ( I.32 ) sổ tay tập 1 trang 123:

mK W

M dd

dd dd

• Các thông số của nước tra bảng 39 trang 427 và bảng 57 trang

447 sổ tay tập 2

8 Nhiệt tải riêng phía tường (q v ):

Theo BT và VD tập 10:

qv = t v∑1−r t v v2

⇒∆tv = tv1 -tv2 = Σrv*qv = 0,836.10-3* qv (3)Trong đó:

Σrv - tổng trở vách

Σrv = r1 + δ/λ + r2 = ( 0,464 + 3,5/17,5 + 0,172 )*10-3 = 0,836.10-3 W/m2K

r1 - nhiệt trở màng nước, r1 = 0,464.10-3 m2 oK / W.

r2 - nhiệt trở lớp cặn, r2 = 0,172.10-3 m2 oK / W

δ - bề dày ống, δ =( do - dt ) / 2 = ( 57 – 50 )/ 2 = 3,5 mm

λ - hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 17,5 m2 oK / W (với ống là thép không gỉ )

∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆tv = tv1 - tv2, oK

9 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:

Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

2 1

1 1

Với: α1 = q1 / ∆tv1

α2 = q2 / ∆tv2

Σrv = 0,836.10-3 W/m2 oK

10 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng:

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định:

q1 = q2 = qv (4)

∆tv1 = tD - tv1 (5)

∆tv =tv1 - tv2 (6)

∆t2 = tv2 - tsoitb (7)Dùng phương pháp số ta lần lượt tính theo các bước sau:

− Bước 1: Chọn nồng độ dung dịch, từ đó tra được các thông số bảng 2

− Bước 2: Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được ∆t1 theo (5) với tD = 132,9oC

− Bước 3: Tính được q1 theo (1)

− Bước 4:Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm α2 theo (2)

− Bước 5: Tính ∆tv theo (3) Tính được tv2 = ∆tv + tv1

− Bước 6: Tính ∆ t2 theo (7) với tsoitb tra ở bảng 2 theo nồng độ

− Bước 7: Tính được q2 theo công thức: q2 = α2 * ∆ t2

− Bước 8: So sánh sai số giữa q1 và qtb, với qtb = (q1 + q2) / 2 Đặt giá trị đó là ss:

• Nếu ss lớn thì quay về bước 2 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t1:

∆t1(mới] = (1 - ss)* ∆t1, từ đó tính lại được tv1 = tD - ∆t1

• Nếu ss nhỏ thì ngừng

Phép lặp sẽ có ss hội tụ về 0 Do đó với số lần lặp lớn ta sẽ có kết quả q1,

q2 và qv sẽ cùng tiến về hằng số đó chính là giá trị cần tìm

11 Kết quả tính toán:

2 80.79 191.2 39258 132.9 4.56 128.34 32.82 95.52 14.73 40672 39965 1.77

3 80.79 191.2 39776 132.9 4.64 128.26 33.25 95.01 14.22 39617 39696 8577 2786 762 0.20 15% 1 81.21 191.1 41445 132.9 4.90 128.00 34.65 93.35 12.14 24987 33216 24.77

2 81.21 191.3 33509 132.9 3.69 129.21 28.01 101.20 19.99 35450 34480 2.82

3 81.21 191.3 34211 132.9 3.79 129.11 28.60 100.51 19.30 34726 34468 9027 1799 666 0.75 20%

1 81.53 191.1 41445 132.9 4.90 128.00 34.65 93.35 11.82 22722 32084 29.18

2 81.53 191.3 32032 132.9 3.47 129.43 26.78 102.65 21.12 33901 32967 2.83

3 81.53 191.3 32708 132.9 3.57 129.33 27.34 101.99 20.45 33320 33014 9165 1629 641 0.93 25% 1 81.88 191.4 28729 132.9 3.00 129.90 24.02 105.88 24.00 26060 27394 4.87

2 81.88 191.4 27676 132.9 2.85 130.05 23.14 106.91 25.03 26473 27075 2.22

3 81.88 191.5 27215 132.9 2.79 130.11 22.75 107.36 25.48 26633 26924 9753 1045 528 1.08 30%

1 64.43 191.3 33942 132.9 3.75 129.15 28.38 100.77 36.34 28452 31197 8.80

2 64.43 191.4 31685 132.9 3.42 129.48 26.49 102.99 38.56 28768 30226 4.83

3 64.43 191.4 30535 132.9 3.25 129.65 25.53 104.12 39.69 28852 29693 9381 727 431 2.83 35% 1 64.76 191.4 28729 132.9 3.00 129.90 24.02 105.88 41.13 24963 26846 7.01

2 64.76 191.5 27208 132.9 2.79 130.11 22.75 107.36 42.61 24897 26053 4.44

3 64.76 191.5 26300 132.9 2.67 130.23 21.99 108.25 43.49 24816 25558 9866 571 372 2.90 40%

1 65.10 191.5 24313 132.9 2.40 130.50 20.33 110.17 45.07 21857 23085 5.32

2 65.10 191.5 23339 132.9 2.27 130.63 19.51 111.12 46.01 21684 22511 3.68

3 65.10 191.5 22694 132.9 2.19 130.71 18.97 111.74 46.63 21550 22122 10368 462 323 2.58 45% 1 65.48 191.6 19604 132.9 1.80 131.10 16.39 114.71 49.23 17898 18751 4.55

2 65.48 191.6 18932 132.9 1.72 131.18 15.83 115.35 49.87 17695 18314 3.38

3 65.48 191.6 18451 132.9 1.66 131.24 15.43 115.81 50.33 17539 17995 11115 348 263 2.53 50%

1 65.88 191.7 16241 132.9 1.40 131.50 13.58 117.92 52.04 14907 15574 4.28

2 65.88 191.7 15717 132.9 1.34 131.56 13.14 118.42 52.54 14709 15213 3.32

3 65.88 191.7 15325 132.9 1.30 131.60 12.81 118.79 52.91 14553 14939 11829 275 219 2.58 55% 1 66.31 191.7 13557 132.9 1.10 131.80 11.33 120.47 54.16 12530 13044 3.94

2 66.31 191.7 13155 132.9 1.06 131.84 11.00 120.85 54.54 12355 12755 3.14

3 66.31 191.7 12845 132.9 1.02 131.88 10.74 121.14 54.83 12215 12530 12549 223 185 2.51 60%

1 66.77 191.7 11665 132.9 0.90 132.00 9.75 122.25 55.48 10734 11199 4.16

2 66.77 191.7 11299 132.9 0.86 132.04 9.45 122.59 55.82 10562 10931 3.37

3 66.77 191.7 11013 132.9 0.83 132.07 9.21 122.86 56.09 10424 10718 13212 186 159 2.75 65% 1 67.26 191.8 9868 132.9 0.72 132.18 8.25 123.93 56.67 9150 9509 3.78

2 67.26 191.8 9588 132.9 0.69 132.21 8.02 124.19 56.94 9008 9298 3.12

3 67.26 191.8 9363 132.9 0.67 132.23 7.83 124.40 57.15 8892 9127 13949 156 136 2.58 70%

1 67.78 191.8 8608 132.9 0.60 132.30 7.20 125.10 57.33 7948 8278 3.99

2 67.78 191.8 8350 132.9 0.58 132.32 6.98 125.34 57.57 7813 8081 3.32

3 67.78 191.8 8141 132.9 0.56 132.34 6.81 125.54 57.76 7701 7921 14617 133 119 2.77 75% 1 68.33 191.8 7508 132.9 0.50 132.40 6.28 126.12 57.79 6919 7214 4.08

2 68.33 191.8 7277 132.9 0.48 132.42 6.08 126.34 58.00 6794 7036 3.43

3 68.33 191.8 7089 132.9 0.46 132.44 5.93 126.51 58.18 6691 6890 15308 115 104 2.89

II Tính cách nhiệt cho thiết bị:

1 Chiều dày lớp cách nhiệt buồng đốt:

Theo công thức sau (V.137), trang 41, sổ tay tập 2:

mm q

t

64 422

129 1372 , 0 1216 8 , 2

8 , 2

5 , 1

3 , 1 35 , 1 2

, 1

5 , 1 1

3 , 1 35 , 1 2 , 1

d2 – đường kính ngoài buồng đốt, d2 = 1216 mm

λ - hệ số cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt, chọn vật liệu cách nhiệt là amiang : λ = 0,1372 W/ m0K

tt2 – nhiệt độ mặt ngoài của buồng đốt, tt2 = 1290C

q1 – nhiệt độ tổn thất trên 1 m2 bề mặt theo bảng V.7 : q1 = 422 W/ m2

2 Chiều dày lớp cách nhiệt buồng bốc:

Theo công thức sau (V.137), trang 41, sổ tay tập 2:

mm q

t

58 450

5 , 82 1372 , 0 2028 8 , 2

8 , 2

5 , 1

3 , 1 35 , 1 2

, 1

5 , 1 1

3 , 1 35 , 1 2 , 1

d2 – đường kính ngoài buồng bốc, d2 = 2028 mm

λ - hệ số cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt, chọn vật liệu cách nhiệt là amiang : λ = 0,1372 W/ m0K

tt2 – nhiệt độ mặt ngoài của buồng đốt, tt2 = 82,50C

q1 – nhiệt độ tổn thất trên 1 m2 bề mặt theo bảng V.7 : q1 = 450 W/ m2

3 Chiều dày lớp cách nhiệt của nắp và đáy:

Chọn chiều dày lớp cách nhiệt của nắp bằng chiều dày lớp cách nhiệt của buồng bốc, chọn chiều dày lớp cách nhiệt của đáy bằng chiều dày lớp cách nhiệt của buồng đốt

III Thời gian cô đặc:

1 Thời gian cô đặc dung dịch đường:

Theo QT và TBTN tập 5:

s t T F K dQ Q

Q d

, ) (

Q - tổng nhiệt cung cấp cho cô đặc, J

t - nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, t = tstbT- nhiệt độ hơi đốt, T = 132,9oC

F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 39,74 m2

K - hệ số truyền nhiệt, K thay đổi theo nồng độ

8 Tính toán tại các nồng độ khác nhau và lập thành bảng số liệu:

Nồng độ W, kg Q*10 - 9 , J T-t, o K F, m 2 K,W/m 2 o K 1/(KF(T-t)).10 6 , 1/W Thời gian, s

Trong đó:

x

x G G W

i

d d d

Wi - lượng hơi thứ bốc hơi tại nồng độ i

xi - nồng độ dung dịch

• Tính Q:

∗ Tại x=8% là Qđ do nguyên liệu mang vào:

Qđ = Gđ*Ctb*tsoi = 9375*4014,74*76,44 = 2,88.109 JTrong đó: Qđ - nhiệt lượng dùng để cô đặc dung dịch

∗ Tại các nồng độ khác Qcđ = W*(i''W - Cn* t)*1000i''W - enthanpi hơi thứ ở áp suất hơi thứ Ptb = Po + ∆ P, at.Tra bảng 57, VD và BT tập 10, tr447

Cn - nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4190 J/kgK

tstb - nhiệt độ sôi dung dịch trung bình

• Tính thời gian cô đặc:khi dung dịch chuyển từ nồng độ này (xi) sang nồng độ khác (xi+1) mất một thời gian được tính theo công thức:

) (

* ) 2

t T F K

9 Tổng kết thời gian:

− Thời gian dùng để tiếp tục đun nóng nguyên liệu đến nhiệt độ sôi T= 76,440C , theo công thức 3.3 , Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, trang90 :

giay t

t

t T F K

C G

d c

d D tb

63 44 , 76

63 9 , 132 ln 89 , 50 762

96 , 4030 52 , 2579 ln

.

Gđ - khối lượng dung dịch đường , Gđ = 2579,52 kg

Ctb - nhiệt dung riêng của dung dịch

Theo sổ tay tập 1, tr153:

tc - nhiệt độ cuối quá trình đun nóng , tc = tsoitb = 76,44oC

tđ - nhiệt độ nhập liệu sau khi qua thiết bị gia nhiệt

tđ =63oC

K - hệ số truyền nhiệt, K = 762 W/m2K

F - diện tích bề mặt truyền nhiệt , F = 50,89 m2

− Thời gian để cô đặc 9,086 m3 dung dịch đường xuống còn 2,5 m3 là:

τ1 = 6570 giây = 2,066 giờ

− Thời gian để cô đặc 2,5 m3 dung dịch đường đến nồng độ 75% là:

τ2 = 5864 giây = 1,388 giờ

− Thời gian nhập liệu 10 phút

− Thời gian tháo sản phẩm 10 phút

Tổng thời gian cô đặc cho 1 mẻ là:

τ = 442+6570+ 5864 + 600 + 600 = 14076 giây = 3,91 giờ

TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

I Tính buồng đốt:

1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị:

Gđầu = Vđầu* ρđ⇒ Vđầu = Gđầu /ρđ = 9375/ 1031,81 = 9,086 m3Trong đó:

Gđầu - khối lượng dung dịch nhập liệu, Gđầu = 9375 kg

ρđ - khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, ρđ = 1031,81 kg/m3

2 Thể tích dung dịch cuối:

Gcuối = Vcuối* ρc ⇒ Vcuối = Gcuối / ρc = 1000 / 1381,41 = 0,724 m3Trong đó:

Gcuối - khối lượng dung dịch cuối, Gcuối = 1000 kg

ρc - khối lượng riêng dung dịch cuối, ρc = 1381,41 kg/m3

3 Tính chọn đường kính buồng đốt - số ống:

Gọi:

Vt: thể tích dung dịch ở phần trên buồng đốt

Vô: thể tích dung dịch ở trong ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn

Vđ: thể tích dung dịch ở đáy thiết bị

Chọn thể tích dung dịch trong nồi cô đặc là 2,5 m3, như vậy:

Vđầu = Vt + Vô + Vđ = 2,5 m3Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, trang182: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt phải đảm bảo sao cho độ đầy của chất lỏng sau cô đặc là lớn hơn 0,3*Hd

Chọn:

Vđ = 0,36 m3 ; Vô = 0,64 m3 ; Vt = 1,5 m3Chọn ống có kích thước d57/ 50 mmChọn đường kính buồng đốt 1200 mmChọn bước ống s =β*d0 = 74,1mm (β≈1,377)

Hd = 2 mSố ống truyền nhiệt cần thiết là:

n = Vô / ( (π * dt2 /4)* H )

n = 0,64 / ((π*0,052/4)*2) = 162,97 Chọn 163 ống

Bố trí ống ở đỉnh tam giác tạo thành hình lục giác đều có ống tuần hoàn giữa Theo công thức V140, trang 66, tập 5:

do – đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

Số ống trên đường chéo ống tuần hoàn:

dth = s*( m’-1 )Trong đó:

dth – đường kính ống tuần hoàn, mm

⇒ m' = (dth -4*do)/s +1 = (273-4*57)/ 74,1 +1 = 1,6 ống

Chọn m’ = 5

Tổng số ống tuần hoàn bị chiếm chổ:

n’ = 3*(m’2-1)/4 + 1 = 3*(52-1)/4 + 1 = 19 ốngSố ống truyền nhiệt: 169 - 19 = 150 ống

Nhằm mục đích tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt thêm 12 ống trong 6 viên phân Như vậy số ống truyền nhiệt là 162 ống

Thể tích dung dịch chứa trong buồâng đốt là:

Vô = Vống truyền nhiệt + Vống tuần hoàn = Hd*162*π*dt2/4 + Hd*π*dth2/4 = 2*162*π*0,052/4 + 2*π*0,2732/4 = 0,753 m3

Ta thấy chiều cao của mức dung dịch trong ống truyền nhiệt cuối

cùng:

H’ = ( 0,724-0,36)/ ( 162*π*0,052/4 +π*0,2732/4) = 0,9665 m > 0,3*Hd =0,6 m

Bề mặt truyền nhiệt:

F = 162*π*dt*Hd = 162*π*0,05*2 = 50,89 m2Tính kích thước đáy nón của buồng đốt:

Chiều cao đáy nón phụ thuộc vào thể tích đáy, đường kính cửa tháo liệu và đường kính buồng đốt

Ta có:

h

. D2

+ + +

0,36 = hgơ 1,131 + hnon 0,39

H = 778 mmTrong đó:

Vđ = 0,36 m3: thể tích đáy

Dd - đường kính buồng đốt, Dd = 1200 mm

d - đường kính lổ tháo sản phẩm, d = 40 mm

hgờ – chiều cao gờ, mm Chọn hgơ = 50 mm

hnon - chiều cao phần nón, mm

Như vậy:

− Số ống truyền nhiệt là 162 ống có kích thước d57/50

− Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth = 273mm

− Đường kính buồng đốt Dd =1200 mm

− Chiều cao buồng đốt Hd = 2 m

− Chiều cao mức dung dịch chứa trong ống cuối cô đặc là 0,9665 m

− Diện tích bề mằt truyền nhiệt là F = 50,89 m2

− Thể tích dung dịch ở đáy: 0,36 m3

− Thể tích dung dịch trong buồng đốt: 0,753 m3

− Thể tích dung dịch trong buồng bốc: 1,387 m3

II Tính buồng bốc:

1 Đường kính buồng bốc:

a Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

Ta thấy lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu là lớn nhất nên lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc được tính:

s m

W V

i i

i

3517

* 2462 , 0

Trong đó:

Wi – lượng hơi thứ bốc hơi trong thời gian τi, Wi = 4375 kg

ρi – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P = 0,42 at, tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 447: ρi =0,2462 kg/m3

b Vận tốc hơi:

Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:

2 2 2

32 , 6 4

*

96 , 4 4

hoi hoi

D D D

V

π π

trong đó:

Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, trang 182:

6 , 0 2

, 1

56 , 3 2462

, 0

*

* 166 , 1

* 3

0003 , 0

* ) 2462 , 0 927 (

* 81 , 9

* 4 ''

*

* 3

* ) '' ' (

*

* 4

b b

o

D D

d g

3

12 ,

31

* 10

012 ,

0

2462 ,

0

* 0003 ,

0

* 32 ,

6

"

*

* Re

b b

hoi

D D

d W

Chọn:

Whoi < 70% Wo ⇒ 2 0 , 6

56 , 3

* 7 , 0 32 , 6

b

Db > 1,94 m

Chọn Db = 2 m ( theo dãy chuẩn )

Kiểm tra lại Re:

78 , 7 2

12 , 31

Re = 2 = (thỏa 0,2 < Re < 500 )Vậy đường kính buồng bốc Db = 2000 mm

2 Chiều cao buồng bốc:

Theo sổ tay tập 2, trang 72:

Utt = f*Utt (1 at), m3/m3.h

Utt = 1600*1,3 = 2080 m3/m3.h Trong đó:

f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

Tra sổ tay tập 2,VI.3 trang 72 ta có f = 1,3

Utt(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khí quyển, at

Ta chọn cường độ bốc hơi: Utt(1 at ) = 1600 m3/m3.h (theo Ví dụ và bài tập - tập 10 )

wF = Utt*ρh =2080*0,2462 = 544,096 kg/m3.hThể tích buồng bốc:

Vb = W / wF = 4375 / 544,096 = 8,04 m3Chiều cao buồng bốc:

m D

V H

* 4

*

* 4

2

=

π π

Để an toàn ta chọn Hb = 2,8 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

3 Chiều cao phần chất lỏng trong buồng bốc:

Thể tích dung dịch cao nhất khi nồi cô đặc chứa 2,5 m3:

2 2

2 2

* )

* (

4

* 3

V = π + + b d + π + π

2 2

2 2

4

* 05 , 0 2

* 4

* )

2 , 1 2 2 , 1 2 ( 4

* 3

* 25 , 0 387 ,

⇒ H2 = 0,26 m = 260 mmTrong đó:

Dd - đường kính buồng đốt, Dd = 1,2 m

Db - đường kính buồng bốc, Db= 2 m

H2– chiều cao cột chất lỏng ở trên phần hình nón (không gờ)

Hgờ - chiều cao gờ của phần nón Chọn Hgờ = 0,05 m = 50 mm

H1 - chiều cao cột chất lỏng ở trong hình nón Chọn H1 = 0,25 mNhư vậy chiều cao trong buồng đốt là:

Vhơi : thể tích không gian hơi cần thiết trong buồng bốc

Vtru : thể tích không gian hơi trong phần trụ

Vnắp : thể tích không gian hơi của nắp

III Tính đường ống và các cửa của thiết bị cô đặc:

1 Đường ống dẫn hơi thứ:

mm m

* 4

Trong đó:

Vhoi - lưu lượng hơi thứ trong ống, m3/s

w - tốc độ hơi thứ trong ống, w = 40 m/s (theo sổ tay tập 2, trang 74)

2 Đường ống nhập liệu:

Trong đó:

Vnl - lưu lượng dung dịch nhập liệu trong ống:

s m

G

V d

86 , 1031

* 600

6 , 2579

*

3 3

Gđ - khối lượng dung dịch nhập liệu 2,5 m3, Gđ =2579,6 kg/mẻ

τnl- thời gian nhập liệu, τnl = 10 phút = 600 s

ρddnl - khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, ρddnl = 1031,86 kg/m3

w - tốc độ dung dịch trong ống, w = 2 m/s (chọn theo sổ tay tập 2, tr74)

3 Đường ống tháo liệu:

mm m

* 4

G V

c tl

c

4 , 1381

* 600

1000

*

3 3

Gc - khối lượng dung dịch tháo liệu, Gc = 1000 kg/mẻ

τtl - thời gian tháo liệu, τtl = 10 phút = 600 s

ρc - khối lượng riêng dung dịch tháo liệu, ρc =1381,4 kg/m3

w - tốc độ dung dịch tháo liệu trong ống, w = 1 m/s (chọn theo sổ tay tập 2, tr74)

4 Đường ống vào hơi đốt:

mm m

* 4

*

* 4

V

D a

618 , 1

* 12434

68 , 9707

D - lượng hơi đốt cung cấp cho quá trình cô đặc, D = 9707,68 kg/mẻ

τa - thời gian của quá trình, τa = 12434 s / mẻ

ρD - khối lượng riêng hơi đốt, ρD = 1,618 kg/m3

w - tốc độ hơi đốt trong ống, w = 20 m/s (chọn theo ST tập 2, tr74)

5 Đường ống xả nước ngưng:

mm m

* 4

V = = 9707,68 = 8 , 38 10 − 4 3 /

ρ τ

D - lượng hơi ngưng cung cấp cho cả quá trình, D = 9707,68 kg/mẻ.

τa - thời gian của quá trình, τa = 12434 s / mẻ

ρn - khối lượng riêng nước ngưng, ρn =932 kg/m3

w - tốc độ nước ngưng trong ống, w = 2 m/s (chọn : ST tập 2, tr74)Tổng kết về đường ống (từ đó chọn các cửa của thiết bị ): dựa trên bảng 9.1, trang 76, Các QT và TB trong CN Hóa Chất và Thực Phẩm

Loại ống tính toán(mm)Đường kính Chọn đường kính (mm) Đường kínhdanh nghĩa

(in)

Đường kính trong (in) Bề dày(mm)

TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ

I Tính cho buồng đốt:

1 Sơ lược về cấu tạo:

− Buồng đốt có đường kính trong Dd=1200mm, chiều cao Hd=2000mm

− Thân có 4 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 2 lỗ dẩn hơi đốt

− Vật liệu là thép không gỉ mã hiệu X18H10T

− Thân chịu áp suất trong là áp suất dư 2 at = 0,2 N/mm2

2 Tính toán:

a Tính bề dày tối thiểu ( S' ):

− Áp suất tính toán là Pt = 0,2 N/mm2 Do đó, thiết bị chịu áp suất tuyệt đối là 3 at Tra bảng 57, sổ tay tập 2, trang 443 ta có nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC ⇒ nhiệt độ tính toán là 132,9 oC

− Tra đồ thị h1-2, [13], trang 22: ta có ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu là [σ ]* = 118 N/mm2

− Chọn hệ số hiệu chỉnh η =1, ta được ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ ] = [σ ]* η = 118 N/mm2.Xét:

25 5 , 560 2

, 0

95 , 0 118 P

D

95 , 0 118 2

2 , 0 1200 ].

ϕ -hệ số bền mối hàn, ϕ = 0,95

Dt - đường kính bên trong thân thiết bị, Dt = 1200 mm

Pt – áp suất bên trong thiết bị, Pt =0,2 N/mm2

b Bề dày thân (S):

− Chọn hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + Co = 3,93 mm

− Xem vật liệu như bền cơ học: Cb = 0, Cc = 0

− Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1

− Chọn hệ số Co thỏa điều kiện bảng 5.1, [13],tr 128 là Co = 2,93 mm.Bề dày thân: S = S' + C = 4 mm

c Kiểm tra bề dày buồng đốt:

Theo CT 5-10, [13], trang 131:

1 , 0 0025 , 0 1200

1 4

(thoả)Aùp suất tính toán cho phép trong buồng bốc:

2

2 0 , 2 / /

559 , 0 ) 1 4 ( 1200

) 1 4 (

95 , 0 118 2

) (

) (

].

.[

2 ] [

mm N P

mm N

C S D

C S P

t

a t

−

=

− +

−

Vậy bề dày buồng đốt là 4 mm

3 Tính bền cho các lỗ:

Đường kính kính cho phép không cần tăng cứng:

mm

C S D

72 ) 126 , 0 1 ).(

1 8 (

1200 7 , 3

) 1 ).(

.(

7 , 3 3

3 max

Dt – đường kính trong của buồng đốt, Dt = 1200 mm

S – bề dày buồng đốt, S = 8 mm

ϕ - hệ số bền của lỗ:

126 , 0 ) 1 8 ).(

2 , 0 118 3 , 2 (

1200 2 , 0 )

).(

] [

3 , 2 (

D P

σ

ϕ

Như vậy ta cần tăng cứng cho 2 lỗ của hơi đốt vào

Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân

Đường kính ngoài Dtc= 180 mm

II Tính cho buồng bốc:

1 Sơ lược cấu tạo:

− Buồng bốc có đường kính trong là 2000 mm, chiều cao 2800 mm

− Thân có 1 lổ nhập liệu Cuối buồng bốc là phần hình nón có gờ liên kết buồng bốc và buồng đốt

− Vật liệu là thép không gỉ X18H10T

2 Tính toán:

a Tính bề dày tối thiểu ( S' ):

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

− Aùp suất chân không tuyệt đối bên trong thấp nhất là 0,21 at Như vậy thiết bị chịu áp suất ngoài là Pn = 1+ (1-0,21)=1,79 at

Theo CT 5-14, [13], trang 133:

l

P ' 0,4  0 , 179 2800 0,4



Dt – đường kính bên trong thân thiết bị, Dt = 2000 mm.

Pn – áp suất tính toán bên ngoài tác động vào thân

H1 – chiều cao cột chất lỏng ở trên buồng bốc

H2 – chiều cao cột chất lỏng ở phần nón giữa buồng bốc và buồng đốt

E – modul đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ tính toán, E =1,85.105 N/mm2

l' – chiều dài tính toán của thân, là chiều dài giữa hai bít

b Bề dày thân (S):

− Chọn hệ số bổ sung bề dày: C = Ca + Cb + Cc + Co = 3,39 mm

− Xem vật liệu như bền cơ học: Cb = 0, Cc = 0

− Chọn hệ số ăn mòn hóa học là Ca = 1

− Chọn hệ số Co = 2,39 mm

Bề dày buồng bốc: S = S' + C = 14 mm

c Kiểm tra bề dày buồng bốc:

Theo CT 5-15 và 5-16, [13],tr 131:

4 , 1 2000

2800 '

=

=

t

D l

422 , 0 2000

) 1 14 ( 2 195

10 85 , 1 3 , 0 ) (

2 3 , 0

3 5

σ

171 , 0 2000

) 1 14 (

2 5 , 1 ) (

2 5 ,

t

a D

C S

77 , 8 ) 1 14 (

2

2000 )

Vì:

77 , 8 ) (

2 4 , 1

' 171 , 0 ) (

2 5 ,

D D

l D

Ca

t t

422 , 0 ) (

2 3 , 0 4 , 1 't = ≥ c  D−t 3 =

Ca S E

D

l

σ

nên thoả mãn điều kiện bền thân

Aùp suất tính toán cho phép trong thiết bị:

[ ]

2 5 3

2

2

3

2 '

10 85 , 1

195

) 1 14 (

2000 2800 02 , 1 1 ( 2000

) 1 14 (

307 2

) (

02 , 1 1

) (

2 ]

[

E C

S

D l D

C S P

t

t c

a

t t

a n

−

=

σ σ

[σn]- ứng suất nén cho phép của vật liệu, [σn]=2,6*118 = 307 N/mm2

σct - ứng suất chảy của vật liệu: σct =1,65*118 =195 N/mm2

d Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:Tính:

N

P S D

ct

597454 )

10 56 , 0 81 , 9 8 , 1114 179

, 0 (

4

) 14 2 2000 (

4

) 2 (

6 2

2

= +

250 80 ) 1 14 ( 2

2000 )

195 875

t c

597454

E K

P C

Nên ta tính ứng suất nén:

2 / 26 , 7 ) 1 14 )(

14 2000 (

597454 )

=

− +

=

π π

D

Ca S E K

t

t c

σ

Khi thân chịu tác dụng đồng thời áp lực ngoài và lực nén chiều trục:

1 485 , 0 439 , 0

179 , 0 795 , 93

26 , 7 ] [ ]

P

σ

σ

(thỏa )

Vậy bề dày buồng bốc là 14 mm

3 Tính bền cho các lỗ:

Đường kính kính cho phép không cần tăng cứng:

mm

C S D

105 ) 1 , 0 1 ).(

1 14 (

2000 7 , 3

) 1 ).(

.(

7 , 3 3

3 max

Dt – đường kính trong của buồng bốc, Dt = 2000 mm

S – bề dày buồng bốc, S = 14 mm

ϕ - hệ số bền của lỗ:

1 , 0 ) 1 14 ).(

179 , 0 118 3 , 2 (

2000 179 , 0 )

).(

] [

3 , 2 (

D P

σ ϕ

Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng 20mm.

Đường kính ngoài Dtc= 480 mm

− Kính quan sát:

Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng 20mm

Đường kính ngoài Dtc= 180 mm

III Tính cho đáy thiết bị:

1 Sơ lược cấu tạo:

− Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1200mm

− Có khoan 2 lỗ: lỗ thử mẫu và lỗ ống chỉ mức

− Vật liệu làm đáy là thép không gỉ X18H10T

− Đáy nón có gờ: Ht = 778 mm, Hgờ = 50 mm

2 Tính toán:

a Tính bề dày tối thiểu ( S' ):

− Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là: Po = 0,21 N/mm2

− Đáy chịu áp suất ngoài Pn = 0,179 N/mm2

− Chọn sơ bộ bề dày đáy là 8 mm

Lực tính toán P nén đáy:

với:

E – module đàn hồi của vật liệu làm đáy, E = 1,85.105 N/mm2

Kc – hệ số phụ thuộc

mm d

D

5 , 37 cos

40 1 , 0 1200 9 , 0 cos

1 , 0 9 , 0

α

098 , 0 6

, 98 ) 1 8 ( 2

1366 )

( 2

S D

0903 , 0 098 , 0 10 85 , 1

195 875

t c

2 606 , 0 151

, 0

2 5 , 1

' '

D D

l D

C S

606 , 0 295

, 0 ) (

2 3 , 0

' 3