Thiết kế hệ thống cô đặc liên tục 2 nồi xuôi chiều theo các thông số sau

Thiết kế hệ thống cô đặc liên tục 2 nồi xuôi chiều theo các thông số sau

MỤC LỤC

Đặt vấn đề i

I - PHÂN TÍCH ĐỀ: 1

I.1 - Yêu cầu: 1

I.2 - Phân tích: 1

Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 2

A - THIẾT BỊ CHÍNH 3

I - CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3

I.1 - Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên 3

I.2 - Tính nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi: 3

II - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG: 4

II.1 - Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi: 4

II.2 - Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ: 4

II.3 - Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch: 5

II.4 - Xác định nhiệt dung riêng dung dịch: 6

II.5 - Tìm lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi: 6

III - TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT: 8

III.1 - Lượng nhiệt trao đổi: 8

III.2 - Hệ số truyền nhiệt K: 9

III.3 - Kích thước buồng đốt: 12

III.4 - Kích thước buồng bốc: 13

B - THIẾT BỊ PHỤ 14

I - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET: 14

I.1 - Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 14

I.2 - Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi baromet: 15

I.3 - Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ: 15

II - ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN: 18

C - TÍNH CƠ KHÍ 19

I - CHIẾU DÀY THIẾT BỊ: 19

I.1 - Nồi 1: 19

I.2 - Nồi 2: 23

I.3 - Vỉ ống: 26

II - HỆ THỐNG TAI ĐỠ: 26

II.1 - Khối lượng vật liệu: 26

II.2 - Khối lượng nước: 28

III - MẶT BÍCH: 29

Tài liệu tham khảo 35

I - PHÂN TÍCH ĐỀ:

I.1 - Yêu cầu:

Thiết kế hệ thống cô đặc liên tục 2 nồi xuôi chiều theo các thông số sau:

+ Loại dung dịch: nước khóm

+ Nồng độ dầu: 10%

+ Nồng độ cuối: 40%

+ Năng suất theo nồng độ cuối: 1500kg/h

+ Loại thiết bị: tuần hoàn giữa

Công việc thiết kế bao gồm:

 Tính toán kích thước thiết bị chính: buồng bốc, buồng đốt, nắp, đáy mỗi nồi

 Tính toán thiết bị phụ: thiết bị ngưng tụ Baromet

I.2 - Phân tích:

Do vitamin C và một số chất khác trong nước khóm không bền với nhiệt nên

cô đặc nước khóm không thích hợp tiến hành ở nhiệt độ cao và thời gian lưu trong thiết bị dài Cô đặc ở áp suất chân không giúp hạ nhiệt độ sôi của dung dịch, giữ được chất lượng của sản phẩm

Hệ thống cô đặc liên tục 2 nồi xuôi chiều:

 Độ chân không nồi 2 cao hơn nồi 1, dung dịch sẽ tự di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 mà không cần tốn thêm năng lượng và thời gian

 Nhiệt độ sôi của nồi trước cao hơn nồi sau, do đó khi đi từ nồi 1 sang nồi 2, dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt thải ra này có thể đủ làm bốc hơi thêm 1 lượng nước, gọi là quá trình tự bốc hơi hay tự sôi

 Áp suất không gian hơi quyết định nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi, nên chọn áp suất sao cho nhiệt độ sôi nồi 1 dưới 900C và nồi 2 dưới 700C

 Tuy nhiên ở nồi 2, nhiệt độ thấp mà nồng độ chất khô cao nên độ nhớt lớn, hạn chế sự đối lưu, cần phải chọn chiều dài và đường kính ống truyền nhiệt thích hợp

Ống tuần hoàn trung tâm giúp tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong nồi cô đặc Vận tốc tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng Nhưng do ống tuần hoàn cũng tham gia trao đổi nhiệt nên làm cho vận tốc tuần hoàn giảm Muốn cho tuần hoàn thật tốt phải thiết kế sao cho ống tuần hoàn không trao đổi nhiệt

Do đặc tính của nước trái cây là môi trường acid, gây ăn mòn thiết bị và dễ tạo

ra cáu cặn nên cần chú ý trong việc chọn vật liệu thiết kế

2- bơm 6- dung dịch vào cô đặc 10- sản phẩm cuối

 Thuyết minh quy trìnhviết cuối

Dung dịch nước khóm nồng độ đầu 10% (theo khối lượng) từ thùng chứa được bơm lên thùng cao vị Từ đây dung dịch được đưa qua một lưu lượng kế, rồi qua thiết bị đun nóng để đạt được nhiệt độ ban đầu mong muốn, sau đó đưa vào nồi

cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi

Hơi đốt được đưa vào nồi 1 là hơi nước bão hòa có áp suất 1,3236 at (theo thang áp suất tuyệt đối và đơn vị áp suất kỹ thuật) Dung dịch vào nồi 1, đi bên trong ống truyền nhiệt còn hơi đốt đi phía ngoài ống truyền nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra, dung dịch được nâng nhiệt độ lên đến nhiệt độ sôi và bắt đầu bốc hơi

Ở đây dung dịch được cô đặc tuần hoàn tự nhiên đến khi đạt nồng độ chất khô 16% rồi mới chuyển sang nồi 2 nhờ sự chênh lệch áp suất giữa 2 nồi Hỗn hợp hơi – lỏng bốc lên với tốc độ rất lớn, va đập vào cạnh hình zigzag của bộ phận tách bọt (bộ phận phân ly lỏng – hơi) các giọt chất lỏng được rơi trở lại

Hơi thứ của nồi 1 được dùng làm hơi đốt cho nồi 2 Ở nồi 2 dung dịch cũng được cô đặc tuần hoàn tự nhiên đến khi đạt nồng độ 40% thì mở van xả vào bồn chứa Dung dịch chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 rồi vào bồn chứa một cách tự nhiên và liên tục Hơi thứ của nồi 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ tạo chân không ở áp suất 0,1605 at

12

 Quy ước k ý‎ hiệu :

Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:

 [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1 Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

 [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2 Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

 [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, T.S Phan Văn Thơm

 [C – x] – Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3 – Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toản

 x: số trang

 Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ trang web được ghi trong dấu ( )

A - THIẾT BỊ CHÍNH

I.1 - Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên

Chọn căn bản tính là 1 giờ hoạt động

I.2 - Tính nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi:

Giả sử lượng hơi thứ của từng nồi:

G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h)

Cân bằng vật chất tổng quát:

G1 = Gđ – W1 = 6000 – 2250 = 3750 kg/hCân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:

II - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG:

II.1 - Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

Như đã giới thiệu, do đặc tính của nước khóm không bền với nhiệt nên chọn

áp suất sao cho nhiệt độ sôi nồi 1 không quá 900C và nồi 2 không quá 700C

+ Chọn áp suất hơi đốt PD = 1,3236 at ứng với nhiệt độ hơi đốt tD = 1070C

+ Chọn áp suất hơi thứ nồi 2 hay áp suất trong thiết bị ngưng tụ Png = 0,1605 at ứng với nhiệt độ tng = 550C

Chêng lệch áp suất chung của cả hệ thống:

ΔP = PD – Png = 1,3236 – 0,1605 = 1,1631 at

Giả sử phân bố áp suất cho 2 nồi như sau:

Khi đó nhiệt độ sôi nồi 1 vào khoảng 870C, nồi 2 khoảng 620C

Giả sử này được chấp nhận khi hiệu số nhiệt độ hữu ích giả thuyết và tính toán sai lệch nhau không quá 5% Nếu không đạt phải chọn phân bố áp suất khác

f: hệ số hiệu chỉnhΔ’ có thể được tra từ http://www.sugartech.co.za, do cô đặc có tuần hoàn dung dịch nên tra theo nồng độ cuối và ứng với nhiệt độ hơi thứ:

Nồi 1: nhiệt độ hơi thứ 850C, nồng độ cuối 16% ⇒ Δ1’ = 0,2 độ

Nồi chân khôngChọn giữa hđốt và hthứ n2, đảm bảo t1 <90

Nồi 2: nhiệt độ hơi thứ 550C, nồng độ cuối 40% ⇒ Δ2’ = 0,9 độ

II.2.2 - Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, Δ’’:

Ptb : áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc, N/m2

P0 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2

h1 : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m

h2 : chiều cao ống truyền nhiệt, m

ρdds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, ρdds = ρdd/2, kg/m3

g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

II.2.3 - Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn, Δ’’’:

Chọn Δ1’’’ = Δ2’’’ = 10C

Tổng kết:

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ:

ΣΔ = (Δ1’ + Δ2’) + (Δ1’’ + Δ2’’) + (Δ1’’’ + Δ2’’’) = 11,640C

II.3 - Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δt hi và nhiệt độ sôi dung dịch:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch

II.3.1 - Hiệu số nhiệt độ hữu ích chung của toàn hệ thống:

II.3.2 - Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

Ở mỗi nồi Δthi = T – ttb

T : nhiệt độ hơi thứ mỗi nồi

ttb : nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi

Có nhiều phương pháp phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích

Chọn phương pháp phân phối theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau Khi đó đối với 1 nồi thứ k bất kỳ:

k k

K Q

t K

Q t

II.4 - Xác định nhiệt dung riêng dung dịch:

Giá trị nhiệt dung riêng của dung dịch nước khóm được tra từ

http://www.rpaulsingh.com/teaching/SpecificHeat1.htm dựa theo thành phần của nước khóm, ứng với nhiệt độ của dung dịch ở từng thời điểm

(tđ và ts1 bằng nhiệt độ sôi dung dịch trong nồi 1, ts2 bằng nhiệt độ sôi dung dịch trong nồi 2)

II.5 - Tìm lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi:

Giả thiết:

+ Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2)

+ Không có tổn thất nhiệt ra môi trường

+ Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước)

Chọn nhiệt độ tham chiếu là 00C

Sơ đồ khối hệ thống cô đặc 2 nồiCác phương trình cân bằng năng lượng:

D : khối lượng hơi đốt cho nồi 1 trong 1 giờ, kg/h

W1, W2 : khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h

Gđ, G1, G2 : khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 trong 1 giờ, kg/h

Cđ, C1, C2 : nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, J/kg.độ

tđ, ts1, ts2 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, 0C

iD, i1, i2 : enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, J/kg

Cn1, Cn2 : nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nước ngưng nồi 2, J/kg.độ

θ1, θ2 : nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2, 0C

Thay các số liệu vào 2 phương trình trên ta có:

W

<5% thì chấp nhận Trong đó:

Wl: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn

Wn: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ

62,2195

62,2195

W1 < W2 do hiện tượng tự sôi (tự bốc hơi) của dung dịch

III - TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT:

III.1 - Lượng nhiệt trao đổi:

D : lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg

Nồi 1: Q 1 = 1,391*10 6 W

Nồi 2: Q 2 = 1,401*10 6 W

(D)

(W1)

III.2 - Hệ số truyền nhiệt K:

qtb : nhiệt tải riêng trung bình, W/m2

Δthi : hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, 0C

III.2.1 - Nhiệt tải riêng trung bình:

q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2

q2: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2

tbh: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, 0C

tdds: nhiệt độ sôi dung dịch, 0C

tw1, tw2: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, 0C

q1 = α1Δt1

q2 = α2Δt2

Theo lý thuyết q = q1 = q2

Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt1 để tính nhiệt tải riêng, sau

đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q1 và q2 Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấp nhận giả thiết

tbh

tw1

tw2

tddsq

2δ

III.2.2 - Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr:

Σr = r1 +

λ

δ + r2 , m2.độ/W [AII – 3]

r1: nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn)

r2: nhiệt trở trung bình lớp cặn bẩn

r2 = 0,387*10-3 m2.độ/W

δ: chiều dày thành ống đốt, m

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng đồng, có:

+ 0,387*10-3 = 6,2627*10-4 m2.độ/W

III.2.3 - Hệ số cấp nhiệt α 1, α2 :

a/ α 1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m 2 .độ

Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trên bề mặt đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

4 1 1

.04

,2

H t

r

∆Α

=

A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm [AII – 28] – (V.101)

tm = 0,5 (tbh + tw1)

tw1 : nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ, 0C

tbh : nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt, 0C

Δt1 = tbh – tw1

H : chiều cao ống, m

b/ α 2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m 2 .độ

Trường hợp dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì

hệ số cấp nhiệt được tính theo hệ số cấp nhiệt của nước αn theo công thức:

435 , 0 2

565 , 0 2

dd n

dd n

dd n

C

C

µ

µρ

ρλ

λα

Thử cho đến khi q1 và q2 lệch ko quá 5%,

∆ thi giả sử và ∆ thi tính lệch ko quá 5%

Trong đó:

Chỉ số dd biểu thị cho dung dịch, chỉ số n biểu thị cho nước

λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ

ρ: khối lượng riêng, kg/m3

C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ

μ: độ nhớt động lực, Ns/m2

Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2÷100 at được tính theo công thức:

5 , 0 33 , 2

2)(3,

Δt2 = tw2 – tdds , 0C

p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (áp suất hơi thứ), at

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λdd được tính theo công thức:

Ta tính được hệ số truyền nhiệt K và kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích:

Vậy điều kiện bề mặt truyền nhiệt 2 nồi bằng nhau được thỏa mãn:

III.3 - Kích thước buồng đốt:

III.3.1 - Số ống truyền nhiệt:

l d

F n

π

*10

*4,73

*

91,93

Chọn bố trí ống theo hình lục giác đều, xếp đầy các hình viên phân

III.3.2 - Ống tuần hoàn trung tâm:

πth

th

f

fth : tiết diện ngang ống tuần hoàn, m2

Chọn fth = 15% tổng tiết diện ngang các ống truyền nhiệt [AII – 75]

d n

Chọn vật liệu làm ống tuần hoàn là thép CT3, chiều dày 4mm

Là số ống nằm trong lòng ống tuần hoàn trung tâm

Để tính số ống truyền nhiệt danh nghĩa ta xem đường kính ống tuần hoàn là đường kính trong của 1 thiết bị trao đổi nhiệt, khi đó:

Dth = t(b – 1) + 4dng, m [AII – 48] – (V.140)t: bước ống, m Thường chọn t = 1,2÷1,5dng , với dng: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

Chọn t = 1,3dng = 1,3*79*10-3 = 0,1027 m

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

1027,0

10

*79

*46,01

=+

−

=+

−

t

d D

Tra chuẩn: b = 5, ứng với số ống truyền nhiệt danh nghĩa là 19 ống

⇒ Số ống còn lại: 367 – 19 = 348 ống > 340 ống

Số ống này vẫn đảm bảo đủ bề mặt truyền nhiệt, vậy ta lắp đặt 348 ống.

III.3.3 - Đường kính trong buồng đốt:

Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong buồng đốt được tính theo công thức:

0 2

.2

.60sin4,0

ng th

ng

l

d F

ψ

β

++

[AII – 74] – (VI.40)

β = t/dng, với t là bước ống Do ở trên chọn t = 1,3dng suy ra β = 1,3

dng: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dng = 79 mm = 79*10-3 m

*3,126,02

,1

*9,0

10

*79

*91,93

*60sin3,1

*4

Vậy đường kính buồng đốt 2 nồi là 2,2 m

III.4 - Kích thước buồng bốc:

Đường kính buồng bốc:

kgh

kgh bb

H

V D

4π

Vkgh: thể tích không gian hơi, m3

tt h

W V

.ρ

= , m3 [AII – 71] – (VI.32)W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi nước bốc hơi trên 1 đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian), m3/m3.h

Ở áp suất thường Utt = 1600÷1700 m3/m3.h , áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến Utt Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1 at nên có thể chọn Utt = 1700 m3/m3.h

ρh: khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3

Hkgh: chiều cao không gian hơi, m

D

V H

I - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET:

I.1 - Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ:

n

c n n

t t C

t C i W G

2 2

2

−

−

Gn: lượng nước lạnh cần thiềt để ngưng tụ, kg/s

W: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s

i: hàm nhiệt của hơi ngưng, J/kg

t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh, 0C

Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ

Ở đây W = W2 = 2304,38 kg/h =

3600

38,2304

kg/s = 0,64 kg/sChọn t2đ = 280C, t2c = 400C , nhiệt độ trung bình = 0,5(28+40) = 340C

40

*41782598700

I.2 - Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi baromet:

Vk =

k k

= 5,7536*10-3 m3/s

I.3 - Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ:

Dbab

b

Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet

2- ống thông với thiết bị thu hồi 5- ống Baromet

3- tấm ngăn

I.3.1 - Đường kính trong:

h h ba

W D

ω

ρ 383,1

W: lượng hơi ngưng tụ, W = 0,64 kg/s

ρh: khối lượng riêng của hơi ngưng, ở 550C: ρh = 0,1043 kg/m3

ωh: tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s

Thiết bị ngưng tụ làm việc với áp suất 0,1605 at nên có thể chọn ωh trong khoảng 55÷35 m/s

Chọn ωh = 40 m/s

40

*1043,0

64,0383,1.383

,

1

h h ba

W D

ω

Lấy tròn Dba = 0,6 m

I.3.2 - Kích thước tấm ngăn:

Tấm ngăn có dạng hình viên phân, để đảm bảo làm việc tốt, chiều rộng tấm ngăn b

có thể được xác định như sau:

ba

D

Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ:

Xem nước làm nguội là nước bẩn thì lấy đường kính các lỗ bằng 5 mm

Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ, nghĩa là trên 1 cặp tấm ngăn là: