cô đặc 3 nồi buồng đốt ngoài

Trong khi ưu điểm của bốc hơi chân không là nhiệt độ sôi của dung dịch đường tương đối thấp, tránh được hiện tượng phân hủy và chuyển hóa đường, chất lượng mật chè tốt,thao tác và khống

I MỞ ĐẦU:

1 Thành phần hóa học của mía – Tính chất vật lí của đường mía: [1]

• Thành phần hóa học của mía tương đối phức tạp, gồm: nước đường, tinh bột, chất chứanitơ, các acid hữu cơ… Trong đó thành phần chủ yếu là nước (74,5%), saccharose(12,0%) và cellulose (5,5%) Sản phẩm của công nghiệp sản xuất đường làsaccharose

• Tinh thể đường saccharose thuộc dạng đơn tà; trong suốt không màu; có tỉ trọng1,5879 g/cm3; to

nc = 186 – 188 oC, dễ hòa tan trong nước, không tan trong dung môi hữucơ; độ nhớt của dung dịch tăng theo chiều tăng của nồng độ và giảm theo chiều tăngcủa nhiệt độ; nhiệt dung riêng của saccharose được tính theo công thức c = 4,18.(0,2387 + 0,00173t), kJ/kg.độ; về độ quay cực, dung dịch đường có tính quay phải

2 Các phương án bốc hơi: bốc hơi chân không, bốc hơi áp lực

Nếu sử dụng phươngpháp bốc hơi áp lực cho nước mía sẽ có những nhược điểm:

• Màu sắc nước mía tương đối đậm, pH giảm nhiều Do nhiệt độ cao, đường bịphân hủy và tạo caramen nhiều

• Khi sản xuất nếu hút hơi thứ không bình thường, không những không giảmlượng hơi tiêu hao mà còn tăng lên do hiện tượng “xả hơi” và từ đó khó duy trìổn định chỉ tiêu bốc hơi, nồng độ mật chè không ổn định

Trong khi ưu điểm của bốc hơi chân không là nhiệt độ sôi của dung dịch đường tương

đối thấp, tránh được hiện tượng phân hủy và chuyển hóa đường, chất lượng mật chè tốt,thao tác và khống chế dễ dàng Vì vậy, ta chọn phương án bốc hơi chân không

3 Ta dùng hệ bốc hơi cô đặc nhiều nồi để cô đặc nước mía vì làm như thế thì nước mía

qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần nước, nồng độ nước mía tăng dần hơn, mang lạihiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng hơi thứ Nhưng kể từ nồi III trở đi, tăng thêmmột nồi cô đặc thì lượng hơi tiết kiệm được không nhiều, hiệu số nhiệt độ có ích giữacác nồi giảm, tăng vốn đầu tư, tăng chi phí khấu hao, thao tác và quản lí phức tạp

Vì vậy ta dùng hệ cô đặc 3 nồi

4 - Hệ nhiều nồi ngược chiều thích hợp với các dung dịch vô cơ không biến tính vì nhiệt

độ trong khoảng nhiệt độ làm việc

- Hệ nhiều nồi xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính

vì nhiệt độ cao vì trong hệ xuôi chiều các nồi đầu có áp suất và nhiệt độ cao hơn cácnồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất Điều này rất thíchhợp với nước mía vì ở nhiệt độ cao nước mía dễ bị biến đổi (phản ứng caramen)

5 Ưu điểm của thiết bị cô đặc loại buồng đốt ngoài dựng đứng: [2]

• Giảm bớt được khoảng cách theo chiều cao giữa buồng đốt và không gian bốc hơi,có thể điều chỉnh được sự tuần hoàn

• Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa không gian hơi

• Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân li loại li tâm

• Một không gian hơi có thể nối với hai hoặc nhiều buồng đốt và như vậy có thểluân phiên nhau sửa chữa buồng đốt mà không phải ngừng sản xuất.

II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Dung dịch đường mía có nồng độ đầu 15% ở 300C từ bồn chứa nguyên liệu đượcbơm lên bồn cao vị đặt cách mặt đất 20 m Từ bồn cao vị, dung dịch được tự chảy qua lưulượng kế vào thiết bị gia nhiệt, lưu lượng luôn đảm bảo là 1.25kg/s Tại thiết bị gia nhiệt,dung dịch được đun nóng đến 1000C bằng hơi nước bão hòa có nhiệt độ là 142.90C (4 at)lấy từ nồi hơi Thiết bị gia nhiệt được thiết kế theo kiểu ống chùm có đường kính là 0.5 m,kích thước ống d38x2; dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi ngoài ống

Sau đó dung dịch tiếp tục được tự chảy vào nồi cô đặc thứ I Tại đây dung dịchđược cô đặc sơ bộ đến nồng độ 20.4% nhờ hơi đốt là hơi bão hòa ở 142.90C được cấp từnồi hơi như trong thiết bị gia nhiệt (lượng hơi đốt cần sử dụng là 0.421 kg/s) Đây là thiết

bị cô đặc dạng buồng đốt ngoài dựng đứng, đường kính buồng đốt là 1.4 m, chiều dài ốngtruyền nhiệt là 3 m, loại ống là d38x2; buồng bốc có đường kính là 1.6 m, chiều cao là 1

m Nhiệt độ sôi trong dung dịch nồi I là 132.20C, áp suất của hơi thứ là 2.81 at

Dung dịch ra khỏi nồi I được cho tự chảy vào nồi II được thiết kế giống nồi I, hơithứ của nồi I được dùng làm hơi đốt cho nồi II Nhiệt độ sôi trong nồi II là 119.90C, ápsuất hơi thứ là 1.86 at Tại nồi II, dung dịch được cô đặc đến nồng độ 31.3%

Dung dịch ra khỏi nồi II được cho tự chảy vào nồi III được thiết kế giống nồi I, hơithứ của nồi II được dùng làm hơi đốt cho nồi III Nhiệt độ sôi trong nồi III là 87.40C, ápsuất hơi thứ là 0.65 at Tại nồi III, dung dịch được cô đặc đến nồng độ 64.0%

Lượng hơi thứ nồi III được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet với đường kính là 0.6

m, chiều cao 3.7 m, số ngăn là 8, áp suất trong thiết bị ngưng tụ là 0.65 at Phần hơi khôngngưng được đưa qua thiết bị tách lỏng rồi được hút ra ngoài bằng bơm chân không

Phần khí không ngưng của thiết bị gia nhiệt, nồi cô đặc I, II, III được thải bỏ Cònnước ngưng được dẫn qua các bẫy hơi đến bể chứa nước để đưa về lò hơi

III TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG

LƯỢNG:

YÊU CẦU:

Cô đặc dung dịch nước mía bằng hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều liên tục với:

• Năng suất nhập liệu: 4500 kg/h

• Nồng độ dung dịch nhập liệu: 15%

• Nồng độ sản phẩm: 64%

• Aùp suất hơi đốt: 4 at

• Aùp suất trong thiết bị ngưng tụ: 0.65 at

• Nồi cô đặc: buồng đốt ngoài dựng đứng

1 TỔNG LƯỢNG HƠI THỨ TẠO THÀNH TRONG 3 NỒI LÀ:

2 PHÂN PHỐI PHỤ TẢI CHO CÁC NỒI:

Ta chọn tỉ lệ khối lượng hơi thứ tạo thành tại các nồi như sau:

3 TỔNG NỒNG ĐỘ CỦA DUNG DỊCH TẠI CÁC NỒI:

 Lưu lượng dung dịch từ nồi I nhập vào nồi II là:

với nồng độ

3

1.25 0.15

64.0%( )0.293

c

G x

4 PHÂN PHỐI CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHO CÁC NỒI:

Bảng 1: Phân phối áp suất, nhiệt độ, ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt

5 TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở CÁC NỒI:

 Tổn thất do nồng độ:

Tổn thất nhiệt theo nồng độ được tính theo công thức:

2 0 0

∆’0 : độ tăng điểm sôi ở áp suất thường (0C)t: nhiệt độ của hơi thứ (0C)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ (J/kg)Theo bảng 32.2 [4], chọn tinh độ của đường là 80%, ta có:

Bảng 2: Độ tăng điểm sôi của dung dịch đường tại áp suất thường

o Ơû 200C, ρnước = 1000 kg/m3, ρđường = 1554.54 (kg/m3) (bảng 1.86 [2]) nên ta có:

Bảng 3: Khối lượng riêng của dung dịch

Đại lượng Nồi

Nồng độ

x i (%)

3 dd

Bảng 4: Tổn thất nhiệt do cột chất lỏng

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống là: Σ∆i = 5.217 + 3.7 + 3 = 11.917 (0C)

6 CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH Ở CÁC NỒI:

 Tổng chênh lệch nhiệt độ (biểu kiến) của cả hệ thống:

7 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi: [2]

Bảng 7: Nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

 Thiết lập cân bằng nhiệt lượng:

Hình 2: Sơ đồ để tính cân bằng nhiệt lượng

 D: lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/s)

 i, i1, i2, i3 : hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I, II, III (j/kg)

 tđ, t1, t2, t3 : nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ ra khỏi nồi I, II, III (0C)

 Cđ, C1, C2, C3 : nhiệt dung riêng ban đầu, nhiệt dung riêng ra khỏi nồi I, II, III(J/kg.độ)

 θ1, θ2, θ3 : nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I, II, III (0C)

 Cng1, Cng2, Cng3 : nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi I, II, III (J/kg.độ)

 Qxq1, Qxq2, Qxq3 : nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J)

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

o Nồi I: Di + GđCđtđ = W1i1 + G1C1t1 + DCng1θ1 + Qxq1 (1)

o Nồi II: W1i1 + G1C1t1 = W2i2 + G2C2t2 + W1Cng2θ2 + Qxq2 (2)

o Nồi III: W2i2 + G2C2t2 = W3i3 + G3C3t3 + W2Cng3θ3 + Qxq3 (3)

• Phương trình cân bằng vật chất: W1 + W2 + W3 = W = 0.957 (kg/s) (4)

• Các thông số: [2]

Bảng 8: Các thông số vật lí

Từ các phương trình (1), (2), (3), (4) ta có:

1 2 3

0.317 (kg/s)0.318 (kg/s)0.322 (kg/s)0.421 (kg/s)

W W W D

0.3% 5%

0.3190.322 0.307

4.7% 5%

0.322

W W W

1 TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT:

Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt được tính theo công thức:

2

(m )

i

Q F

K t

=

∆Trong đó:

Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (W)K: hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ)

∆ti : hiệu số nhiệt độ hữu ích (0C)

a Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

 Nồi I: Q1 = Dr = 0.421 x 2141000 = 901361 (W)

 Nồi II: Q2 = W1r1 = 0.331 x 2178000 = 720918 (W)

 Nồi III: Q3 = W2r2 = 0.319 x 2214000 = 706266 (W)

b Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi:

 Tính nhiệt tải riêng trung bình:

Giả thiết quá trình là liên tục và ổn định

Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thànhthiết bị:

q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1 (W/m2)

Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

δλ

t1, t2: nhiệt độ hơi đốt, dịch trong nồi (0C)

tw1, tw2: nhiệt độ hai bên thành ống (0C)

α1, α2: hệ số cấp nhiệt phíahơi ngưng tụ, phía dung dịch (W/m2.độ)

rcáu 1: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt => rcáu 1 = 0.348 x 10-3 (m2độ/W) [3]

rcáu 2: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch => rcáu 2 = 0.387 x 10-3 (m2độ/W)[3]

δ

λ : nhiệt trở thành thiết bị (m2độ/W)Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có hệ số dẫnnhiệt λ = 16.3 W/mđộ

Chọn ống d38 có bề dày thành ống δ = 2 mm

 Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α 1 : [3]

Khi tốc độ hơi nhỏ (ω ≤10 m/s ) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem

< 100) thì α1 đối với ống thẳng đừng được tính theo công thức:

α =

∆

2 4

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm

Công thức tính nhiệt độ màng: tm = 0.5(tw1 + t1) (0C)r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa (J/kg)

∆t1: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị (0C)H: chiều cao ống truyền nhiệt => H = 3m

 Tính t w2 :

Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể: q = q1 = q2

=> tw2 = tw1 – q1Σr

 Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α 2 : [3]

Khi dung dịch (có dung môi là nước) sôi trong các ống thẳng đứng với áp suấttừ 0.5 đến 4 at thì α2 được tính theo công thức sau:

m: hệ số thực nghiệm, đối với dung dịch đường m = 1.2b: nồng độ dung dịch (% khối lượng)

 Kiểm tra lại giả thiết ∆ t 1 :

Bảng 9: Hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng của từng nồi

Nồi

 Tính hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi:

Bảng 10: Hệ số truyền nhiệt của các nồi

Nồi

i hi(i)

q

K = (W/m độ) t

∆

c Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

Để thuận tiện cho công tác chế tạo, ta tiến hành phân bố chênh lệch nhiệt độ hữuích cho các nồi theo phương án bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi là không đổi (Fi =const) Khi đó, chênh lệch nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi đươc tính theo công thức:

i

t Q

II 720918 674.01 1069.6 10.2 10.5 2.9

d Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi và số ống truyền nhiệt:

Chọn ống d38x2 => trong công thức tính số ống d = dtr = 0.036 mm do α1 > α2

Bảng 12: Diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống truyền nhiệt

Đại lượng

Nồi

2 i

π n quy chuẩn (ống)

F =n dlπ

(m 2 )

F quy chuẩn (m 2 )

2 TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA BUỒNG ĐỐT VÀ BUỒNG BỐC:

2.1 Kích thước buồng đốt:

Đường kính buồng đốt:

D = t(b – 1) + 4dn (m) = 1.4 x 0.038 x (21 – 1) + 4 x 0.038 = 1.216 mTrong đó:

t: bước ống (m) => chọn t = 1.4dn

b: số ống trên đường chéo của hình lục giác đều

dn: đường kính ngoài của ống Chọn D chuẩn cho cả 3 nồi là: D = 1.4 m

2.2 Kích thước buồng bốc:

 Công thức tính đường kính của buồng bốc:

H

Trong đó:

Hb: chiều cao buồng bốc (m)

Vb: thể tích buồng bốc (m3)

 Công thức tính thể tích buồng bốc: [5]

U

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/h)

ρn: khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3)

Up: cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khác 1at (m3/m3h)

Up = fpUt

Ut : cường độ bốc hơi thể tích ở 1 at, Ut = 1600 ÷ 1700 (m3/m3h) Chọn

Ut = 1700(m3/m3h)

fp: hệ số hiệu chỉnh, thường áp suất làm việc từ 2 ÷ 15 at tương ứng vớihệ số hiệu chỉnh 0.95 ÷ 0.8

Bảng 13: Kích thước của buồng bốc

Đại lượng

Nồi

W (kg/h)

Chọn đường kính cho cả 3 buồng bốc là: Db = 1.6m [6]

KÍCH THƯỚC CHO CẢ 3 NỒI:

n = 331 ống

d = 0.038 m

H = 1 m Buồng bốc

 Chọn vật liệu cho thân hình trụ của buồng đốt là thép CT3.

Bảng 14: Thông số làm việc của buồng đốt

 Ứng suất cho phép [σ](N/mm2)

Bảng 16: Ứng suất cho phép của buồng đốt

Nồi

 Hệ số bền mối hàn: ϕh = 0.95

 Bề dày tối thiểu S’ theo điều kiện bền:

Bảng 17: Bề dày tối thiểu theo điều kiện bền

Nồi

 Kiểm tra độ bền:

Bảng 19: Kiểm tra độ bền của buồng đốt

0.502 > Ptt (I) 0.508 > Ptt (II) 0.508 > Ptt (III)

 Vậy thân buồng bốc cho cả 3 nồi có bề dày S = 4 mm

b Thân buồng bốc:

• Chọn vật liệu cấu tạo cho buồng bốc là X18H10T

Bảng 20: Thông số làm việc của buồng bốc

Nồi

Bảng 21: Thông số tính toán của buồng bốc

 Đối với buồng bốc của nồi I, II, các thông số [σ], ϕh giống như của buồng đốt nồi

II, III Cho nên bề dày tối thiểu S’ của buồng bốc nồi I, II là:

Bảng 22: Bề dày tối thiểu của buồng bốc

 Đối với buồng bốc của nồi III:

• Chiều dài tính toán của thân l’ = lthân + 1/6hđáy (thân chỉ nối với nắp elipse dùngmối hàn)

o Chọn nắp elipse tiêu chuẩn => với Dt = 1600 mm thì ht = 400 mm Chọnchiều cao phần gờ h = 25 mm

o l’ = 1000 + 1/6 x (400 + 40) = 1070.83 mm

• Mô đun đàn hồi Et = 20.5 x 104 N/mm2

• Giới hạn chảy σt

c = [σ]*nc = 143 x 2.1 = 300.3 N/mm2

• Chọn: Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường Ca = 0 mm

Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Cb = 0 mmHệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp Cc = 0.54 mm [3]

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

o Lực nén chiều trục:

8.899 0.132 0.843 1 thỏa[ ] [ ] 124.538 0.171n n n n

P P

• Vậy thân buồng bốc nồi III có S = 6 mm

 Để thuận tiện cho công tác chế tạo, ta chọn bề dày cho thân buồng bốc cả 3 nồi là

S = 6 mm

2 NẮP VÀ ĐÁY BUỒNG BỐC: [3], [7]

a Nắp elipse của buồng bốc:

 Chọn vật liệu làm nắp elipse là thép không rỉ X18H10T

 Nắp của buồng bốc của nồi I và II làm việc với điều kiện chịu áp suất trong

Bảng 24: Bề dày tối thiểu của thành nắp

S quy chuẩn (mm)

• Kiểm tra lại bề dày tính toán:

Bảng 26: Kiểm tra điều kiện bền

Đại lượng Nồi

a t

• Vậy nắp của buồng bốc nồi I, II có bề dày lần lượt là 2 mm và 1 mm

 Nắp elipse nồi III làm việc với áp suất ngoài, Ptt = 0.132 N/mm2

• Chọn sơ bộ bề dày nắp bằng bề dày thân ở chỗ hàn với nắp: S = 6 mm

• Đối với nắp elipse tiêu chuẩn: Rt = Dt =1600 mm; ht / Dt = 0.25

Bảng 27: Kiểm tra điều kiện bền

E t

(N/mm 2 )

σt c

(N/mm 2 ) x

t t c

• Vậy, bề dày của nắp elipse nồi III là: S = 6 mm

 Để thuận tiện cho công tác chế tạo, ta chọn bề dày của cả 3 nắp của buồng bốc là

S = 6 mm

 Vậy, cả 3 nắp elipse của buồng bốc có kích thước là: S = 6 mm, ht = 400 mm, h =

25 mm

b Đáy của thiết bị:

 Chọn đáy của buồng bốc là đáy nón không uốn mép, góc ở đáy 2α = 900 , vật liệuchế tạo là X18H10T

 Tính toán cho đáy nồi I, II làm việc chịu áp suất trong với α = 450 < 700:

• Bề dày tối thiểu của đáy S’:

Bảng 29: Bề dày tối thiểu của đáy

Đại lượng

Nồi

[σ ] (N/mm 2 )

Bảng 30: Chọn bề dày tối thiểu

Đại

lượng Nồi

D = D t – 2[R t (1 - cosα ) + 10S’sinα ]

h

DP S'= (mm) 2cosα[σ]ϕ

• Bề dày thực của nắp:

Bảng 31: Bề dày thực của nắp

Đại lượng Nồi

S quy chuẩn (mm)

• Kiểm tra lại bề dày tính toán:

Bảng 32: Kiểm tra điều kiện bền

• Vậy đáy nón của buồng bốc I, II có bề dày lần lượt là 2 mm và 1 mm

 Tính toán cho đáy nón buồng bốc III làm việc chịu áp suất ngoài:

• Chọn sơ bộ bề dày đáy nón S = 8 mm, đường kính trong bé Dt1 = 50 mm

• Aùp suất tính toán Ptt = Pn = 0.132 N/mm2

• Lực tính toán P nén đáy:

P

• Vậy đáy nón của buồng bốc nồi III có bề dày S = 8 mm

 Để thuận tiện cho công tác chế tạo ta chọn bề dày đáy nón của cả 3 buồng bốcbằng nhau là S = 8 mm, H = 899 mm, Rδ = 240 mm, d = 49.6 mm, h = 40 mm

3 VỈ ỐNG: [7]

 Chọn vỉ ống hình tròn phẳng và vật liệu làmvỉ ống là thép không rỉ X18H10T

 Bề dày vỉ ống:

= + =38+ =

d h

Với dn là đường kình ngoài của ống (mm)

 Bề dày thực của vỉ ống:

S = h’ + C = 9.75 + 0.25 = 10 mmVới C là hệ số qui tròn kích thước

 Kiểm tra ứng suất uốn của vỉ ống:

• Ưùng suất uốn của vỉ ống:

• Ta có; [σu] > σu => thỏa điều kiện bền

 Vậy bề dày của vỉ ống là S = 10 mm

4 BÍCH – ĐỆM – BULÔNG: