Thiết kế hệ thống hóa lỏng CO 2(trong quá trình sản xuất đá khô). Nguồn nguyên liệu CO 2 lấy từ quá trình lên men mật mía, công suất 300kg CO

Trước đây để bảo quản các sản phẩm tươi sống xuất trực tiếp ra nước ngồi bằng đường hàng khơng, người ta dùng các gĩi gel lạnh để bảo quản.. Ngồi việc bảo quản thực phẩm, CO2 cịn được sử

Bộ công thương Trường đại học công nghiệp TP.HCM

Trung tâm công nghệ nhiệt lạnh

Đề tài:

Thiết kế hệ thống hóa lỏng CO 2(trong quá trình

sản xuất đá khô) Nguồn nguyên liệu

CO 2 lấy từ quá trình lên men mật mía, công suất

300kg CO 2 /h

GVHD: Nguyễn Văn Pha

SV: Phan Văn Đức Nguyễn Văn Giới

Lê Văn Điệp Nguyễn Văn Đô Nguyễn Văn Đức

Lê Tấn Độ Đào Sơn Hà

Tp.HCM ngày 10 tháng 12 năm 2007

Lời nĩi đầu

Như chúng ta đã biết, CO2 là một dạng khí thải trong tự nhiên, do các nhà máy xí nghiệp hay do các phản ứng hĩa học trong tự nhiên sinh ra Ngày nay trong rất nhiều ngành cơng nghiệp bên cạnh việc sản xuất ra sản phẩm hàng hĩa cịn thải ra một lượng lớn khí CO2 cĩ lẫn trong các khí thải khác.

Nhằm tận dụng nguồn nhiên liệu này, người ta đã chú ý đến các đặc tính của CO2 và tìm cách thu hồi khí CO2, sau đĩ hĩa lỏng và làm lạnh xuống nhiệt độ sâu để tạo thành đá khơ Đây là một lĩnh vực khá mới mẻ đối với ngành kỹ thuật lạnh ở nước ta, nĩ khơng chỉ giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường mà cịn đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng Đặc biệt trong các lĩnh vực, ngành nghề bảo quản sản phẩm tươi sống chất lượng cao ở nước ta để xuất khẩu ra nước ngồi Trước đây để bảo quản các sản phẩm tươi sống xuất trực tiếp ra nước ngồi bằng đường hàng khơng, người ta dùng các gĩi gel lạnh để bảo quản Nhưng gĩi gel lạnh cĩ nhiều khuyết điểm là giá thành cao (do chi phí chuyên chở nặng), chất lượng sản phẩm khơng được tốt lắm.

Để khắc phục được các khuyết điểm đĩ, người ta đã nghiên cứu và sản xuất ra đá khơ, vì nhiệt độ thăng hoa của CO2 rắn ở áp suất khơng khí cao, khối lượng riêng lớn nên thể tích chiếm chỗ nhỏ.

Ngồi việc bảo quản thực phẩm, CO2 cịn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như là: trong sản xuất bia, nước ngọt ; dùng để tẩy rửa các bảng mạch điện tử, bằng cách phun CO2 lỏng ; dùng để làm lạnh nhanh trong phịng thí nghiệm ; dùng làm chất chữa cháy; dùng làm mơi chất lạnh, vì nĩ cĩ những ưu điểm sau:

- Giảm được tiêu hao năng lượng do hiệu quả của máy nén truyền nhiệt.

- Giảm giá thành mơi chất.

- Giảm kích thước các bộ phận.

Trong bài tiểu luận này, nhĩm khơng đi sâu vào nghiên cứu quá trình sản xuất đá khơ, mà chỉ chú trọng đến quá trình thu hồi và hĩa lỏng khí CO2 ở nhiệt độ - 35oC, sử dụng máy lạnh hai cấp cĩ quá lạnh và quá nhiệt để tăng khả năng làm lạnh CO2.

Đây mới chỉ là quá trình xử lý nguồn nhiên liệu để sản xuất ra đá khơ, vì vậy quá trình sản xuất đá khơ rất phức tạp.

Nhĩm 3 xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chỉ bảo của giáo viên bộ mơn, thầy: NGUYỄN VĂN PHA đã giúp đỡ nhĩm hồn thành bài tiểu luận này.

Tp.HCM – ngày 10 tháng 12 năm 2007.

Nhóm 3 2

I NGUỒN NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

1.1- Các nguồn phát sinh khí CO 2

1.2- Nguồn CO 2 của quá trình lên men.

người và nhiều mục đích khác Quá trình nên men gồm 3 giai đoạn:

nhỏ

cao(có thể tăng đến 150mm cột nước)

được giải phóng ra khỏi bồn, để áp suất bên trong bồn thấp Thông

lọc, khử tạp chất, diệt khuẩn, khư mùi … và hóa lỏng

1.3- Lượng CO 2 sinh ra trong quá trình lên men rượu

- Quá trình lên men rượu được diễn ra theo phản ứng sau:

(100g) C6H12O6 + (0,2 g) NH3 -> (1,7 g) C6H10O3N + (46,2g) C2H6O +(5,2g)C3H8O3 + (1,4 g) C4H6O + (0,2g) H2O + (45,3 g) CO2

cung cấp cho một ngày là 6000kg/ngày (máy hoạt động 20h/ngày)

II - QUY TRÌNH THU HỒI, HÓA LỎNG CO 2

2.1 Nghiên cứu quy trình thu hồi, tinh lọc, hóa lỏng CO 2 từ hệ thống lên men rượi

- Để thu hồi, hĩa lỏng, sản xuất CO2 rắn cĩ 3 phương pháp: phươngpháp áp suất cao, trung bình và thấp

* Phương pháp áp suất cao khơng kinh tế vì cũng phải dùng máy lạnh

* Phương pháp áp suất thấp cũng khơng hiệu quả và phải dùng máy

khăn

* Phương pháp áp suất trung bình là phương pháp đạt hiệu quả nhất,

bình

dùng máy lạnh 2 cấp hoặc trục vít

Nhóm 3 4

2.2 Qui trình thu hồi, lọc, diệt khuẩn và sản xuất CO 2 lỏng và rắn.

L c b ng màng n c ọc bằng màng nước ằng màng nước ước

L c b ng vi sinh v t ọc bằng màng nước ằng màng nước ật

Di t khu n b ng thu c tím ệt khuẩn bằng thuốc tím ẩn bằng thuốc tím ằng màng nước ốc tím

Kh mùi b ng than ho t tính ử mùi bằng than hoạt tính ằng màng nước ạt tính

Phao ch a CO ứa CO 2 s ch ạt tính Mây n n CO ền CO 2 ( lo i không d u) 16 bar ạt tính ầu) 16 bar

Tách n c b ng máy l nh (-5 ước ằng màng nước ạt tính 5 0 C)

Tách n c b ng h p th ước ằng màng nước ấp thụ ụ

Làm mát CO 2 b ng n c ằng màng nước ước

Làm l nh, hóa l ng CO ạt tính ỏng CO 2 (-30 0 C)

B n ch a CO ồn chứa CO ứa CO 2 l ng ỏng CO Máy l nh ph tr ạt tính ụ ợ

B m ra xe b n ơm ra xe bồn ồn chứa CO S n xu t Co ản xuất Co ấp thụ 2

r n ắn

tách nước sơ bộ bằng phương pháp xốy và giảm vận tốc trước khi đưađến bộ tách nước máy lạnh

2.3.2 – Tách nước bằng máy lạnh

nước sơ bộ bằng phương pháp nén, giảm tốc độ được đưa vào bộ tách

hơi nước ngưng đọng thành lỏng được xả ra ngồi , lúc này nhiệt độ

CO2 = 00C và P = 16 bar

2.3.3 – Tách nước bằng hấp phụ

ZeƠlit Lượng hơi nước cịn sĩt lại được hấp phụ triệt để do nhiệt độ

thiết kế làm việc gián đoạn cĩ thời gian giải hấp

2.3.4 – Làm mát bằng nước

trước khi đưa vào bộ hĩa lỏng

2.3.5 – Hĩa lỏng

- Đây là thiết bị quan trọng nhất nên khi thiết kế, chế tạo phải đápứng được nhiều yếu tố sau

+ Khơng bị hư khi nước đĩng băng

CO2 + H2O - > H2CO3

loại Vì vậy khơng nên dùng ống thép đen để chế tạo thiết bị hĩa lỏng,nên dùng thép khơng rỉ chịu được axit (inox mã hiệu 316)

2.3.6 – Bồn chứa

để vào bồn chứa Bồn chứa là thiết bị chịu được áp lực và được cáchnhiệt cẩn thận để hạn chế nhiệt từ mơi trường xâm nhập vào bồn Bồnđược chế tạo 2 vỏ, cách nhiệt giữa 2 vỏ là tồn PU hoặc Perlite, đồngthời được rút chân khơng để giảm truyền nhiệt do dẫn nhiệt và đối lưu

Nhóm 3 6

Máy lạnh phụ trợ có nhiệm vụ giữ bồn ổn định ở nhiệt độ – 30 

20C

2.3.7 – CO 2 lỏng từ bồn chứa được sử dụng

- Bơm ra xe bồn để cung cấp đến nơi tiêu thụ

- Cung cấp cho hệ thống sản xuất đá khối Nguyên lý làm việc của

bốc hơi lại được đưa về máy nén để tái sử dụng

III TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA LỎNG CO 2

3.1 Năng suất lạnh cần thiết

nước

nước

- Nhiệt độ bốc hơi (to): nhiệt độ CO2 ra khỏi máy hóa lỏng là -320C (điểm

tiêu hao ít năng lượng

268 , 15

Đầu tiên ta tìm được các entanpi:

510 702

kg kj i

i

i

067 , 1

702 738 702 067

,

1

10 3

) ( 6 7 1 1 12

G

kg kj i

i G

2



Nhóm 3 10

Từ hình (3.4) trang 75 sách Máy và TB lạnh – NĐ Lợi – Phạm Văn Tùy

044645 ,

013818 ,



3 , 3 776 , 063

67 , 210

- Công nén lý thuyết hạ áp và cao áp

Ns1 = G1 l1 = 0,179 (762 – 720) = 7,6 kW

kW l

6 , 7

4451 , 7

Chọn máy nén 2 cấp MYCOM loại N62A với số vòng quay 1.200 vòng/phút

có thể tích quét toàn bộ (cao áp và thấp áp)

hợp lắp đặt và sử dụng Nếu ta chọn 24 kw điện năng tiêu thụ ít hơn nhưng

dễ cháy máy nếu điện không ổn định Nếu ta chọn 27 kW thì nó sẽ tiêu tốnđiện năng hơn, do tổn thất ma sát tăng, nhưng nó ổn định, an toàn khi điệnkhông ổn định và chế độ làm việc thay đổi, đặc biệt trong thời gian bắt đầuvận hành buồng lạnh (thường xả lạnh) đưa buồng từ nhiệt độ môi trườngxuống nhiệt độ lạnh theo yêu cầu hoặc khi đưa nhiều sản phẩm có nhiệt độcao vào buồng lạnh làm phụ tải đột ngột tăng lên

IV Tính toán nhiệt và chọn thiết bị ngưng tụ :

Thiết bị ngưng tụ trao đổiđnhiệt độ với hơi môi chất có nhiệt độ cao

và áp suất cao với chất giải nhiệt và chuyển từ trạng thái khí sang trạng tháilỏng

Ơ đây nhóm làm đề tài đã chọn thiết bị bình ngưng ống vỏ nằm ngang giảinhiệt bằng nước

Hiệu quả của máy lạnh phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị ngưng tụ Đây

là bài toán kinh tế cho tính toán thiết kế hệ thống lạnh.Đối với điều kiện bàitoán này, bình ngưng giải nhiệt bằng nước mà nhóm đã tìm hiểu giúp hệthống giải nhiệt tốt hơn giải nhiệt bằng không khí Nhưng thực tế tính kinh

tế thì giải nhiệt bằng nước sẽ tốn kém hơn giải nhiệt bằng không khí Theo

lượng của máy nén piston giảm khoảng 1,5%

A Bình ngưng ống vỏ Freon thân nằm ngang

10

để tăng điện tích truyền nhiệt độ, gắn cánh phía môi chất lạnh vì hệ số toả

ống thép dẫn đến giảm trở nhiệt của vách ống nên dễ làm cánh nhưng giácao hơn thép Mặt sàng được lắp mặt bích nhờ bulong tạo vách ngăn của hailuồng nước giải nhiệt Cần thiết phải cần có đệm bằng miếng đệm

2 Nguyên lý làm việc

Gas từ máy nén được đưa vào bình từ 2 nhánh ở hai đầu và bao phủlên không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và thân bình Bên trong bình, gasquá nhiệt trao đổi nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng Lỏng ngưng tụ baonhiêu, lập tức chảy ngay về bình chứa đặt bên dưới bình ngưng

Một số hệ thống không có bình chứa cao áp mà sử dụng một phầnbình ngưng làm bình chứa Trong trường hợp này người ta không bố trí các

ống trao đổi nhiệt phần dưới của bình Để lỏng ngưng tụ chảy thuận lợi phải

cĩ ống cân bằng nối phần hơi bình ngưng với bình chứa cao áp

B Chọn kết cầu truyền nhiệt

1- Các thơng số đầu vào :

Các thơng số thời tiết ở TP HCM như sau:

Các giá trị khơng khí dùng để tính tốn

- Nhiệt độ nhiệt kế khơ :

C t

t t

- Nhiệt độ nước vào bình ngưng tụ ( ra khỏi thấp )

min max

ln

t t

t t

tmin Hiệu nhiệt độ bé nhất 0C

tmin = 40-37 =30C

m C

t     

3

8 ln

3 8

min

+ Lưu lượng nước giải nhiệt bình ngưng :

Nhóm 3 14

Gw =



w w

k

t C

Q



6 , 42

s kg

2- Tính chọn kết cấu bình ngưng

Chọn bề mặt truyền nhiệt là chùm ống bố trí theo hình tam giác đều

và theo các cạnh hình lục giác đều trên bề mặt ống chọn kích thước cơ bản :

155 , 0 00125

, 0 2

019 , 0 022 , 0 ( 14 , 3 2

) (

m d

D

c

ng c

755 , 0

Chọn vận tốc nước giải nhiệt :

C- Tính toán nhiệt bình ngưng :

1 Số ống trong 1 đường ống:

5 , 8 2 , 1 ) 016 , 0 (

1000 14 , 3

036 , 2 4 4

2 2

w d

Gw n

tr w



2 Xác định hệ số toả nhiệt về phía giải nhiệt :

Dựa vào hệ số Renold và Nusselt ta xác định được hệ số toả nhiệt :

Nu d

m q

Si Li

3 ,

75 , 0

k d q

Q m

tr tr

0,75 / 2

dựa vào phương trình:

/ / 1

.

x x tr

x tr

1320, 4 5 8158,5 /

x tr

x k A B m

k tr

Bố trí trên mặt sàng, với 56 ống bố trí thành 5 đường nước với đườngống chính 9 ống/ đường và theo hình lục giác đều một cạnh 5 ống

* Đường nước đi trong bình ngưng

- Theo kết quả tính tốn như trên, ta cĩ thể chọn bình ngưng ống nằmngang cĩ sẵn Theo tài liệu [máy lạnh của tác giả Trần Thanh Kỳ]

w w w

W l

Nhóm 3 20

Với các thông số đã có thay vào biểu thức:

2

2

1,8 (1, 2) 7.0,024 1,38

Tổng tổn thất cục bộ:

V TÍNH TỐN BẦU BỐC HƠI [hệ thống hĩa lỏng CO 2 ]

- Đây là thiết bị quan trọng nhất nên khi thiết kế, chế tạo phải đáp ứngđược nhiều yếu tố sau:

+ Khơng bị hư khi nước đĩng băng

loại Vì vậy khơng nên dùng ống thép đen để chế tạo thiết bị hĩa lỏng, nêndùng thép khơng gỉ chịu được axit (inox mã hiệu 316)

Đối với hệ thống hĩa lỏng, bầu bốc hơi là thiết bị đặc biệt, khơng cĩsẵn trên thị trường Vì vậy, thiết bị này phải được tính tốn, thiết kế sao chođạt được yêu cầu đặt ra:

Thiết bị bốc hơi được thiết kế dạng ống chùm nằm ngang, đường kính

3

12,8

254,78 (254 ) 16.10

Các ống được bố trí trên hình lục giác đều với lưu ý chừa khơng giancho nước đọng cĩ thể dãn nở tự do mà khơng làm biến dạng các ống truyềnnhiệt

Kết cấu ống được bố trí như hình vẽ

Nhóm 3 22

Gọi: m – số ống trên đường chéo lớn nhất của lục giác ngoài cùng

(xác định trong sách thiết kế hệ thống lạnh tác giả Nguyễn Đức Lợi)

nở Trong kết cấu tạo không gian trống phía dưới bình Vì vậy, không bố tríống trên cạnh ngoài cùng của lục giác đều (phía bên dưới)

Số ống thực tế được bố trí trong bầu bốc hơi là:

tóm lại kết cấu ống bố trí trên mặt sàn như hình vẽ

này cũng cho phép bố trí tiết lưu kiểu “bán ngập lỏng” để tăng hệ số truyềnnhiệt và đồng thời có thể loại bỏ bầu tách lỏng để giảm chi phí Kết cấu bầu

VI SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ

A Sơ đồ nguyên lý hoạt động

 - tốc độ môi chất lạnh đi trong ống m/s

Chọn tốc độ của môi chất lạnh đi trong ống:

- Đường ống hút từ cuối dàn bay hơi đến ống góp:

Lưu lượng môi chất trong ống:

1, 07 1,07.10,5

16,05

BH OBH

Q

Lưu lượng ra khỏi giàn bay hơi:

/ 0

16,5

0,089 ( / ) 179

tr tr

G V d

tr tr

G V d

 = 15 m/s

4 5

4 4.0,79.0,08 3,14 3,14.15 12( )

tr tr

G V d

tr tr

G V d

tr tr

G V d

.

4 4 5

mm v

.

4 4 7

mm v

Dtr = G V 64mm

15 14 , 3

255 0 19 , 0 4

Các thông số thời tiết ở TP.HCM

2

40 35

Q

w

K 2 , 036 /

5 18 , 4

6 , 42

Đổi : 1kw =860 kcal/hĐổi năng suất nhiệt ra tôn Theo tiêu chuẩn CT 1 tôn nhiệt tương đương3900kcal/h

Vậy ta chọn được tháp giải nhiệt

Chọn tháp giải nhiệt có mã hiệu FRK10 với các thông số như sau:

Lưu lượng nước định mức, l/s 2,17

3 Tính chọn bơm nước giải nhiệt:

a Đường ống nước : Chọn đường ống nước bằng nhựa PVC rất thơng dụng

và rẻ tiền nhưng vẫn đảm bảo độ bền và tính an tồn cao so với ống bằngbình kim loại cĩ thể thấy dùng ống bằng nhựa là hợp lý

Trên đường ống gắn thêm slean chặn dùng cho hệ thống nước, hai đườngống vào và ra tại bình ngưng được lắp song song với nhau, đường kính ốngnối nước vào  40mm

b Chọn bơm

Bơm nước dùng để bơm nước từ bể của tháp giải nhiệt vào bình và vào ốngphân phối nước của tháp giải nhiệt Bơm nước sử dụng trong hệ thống này làbơm ly tâm, được chọn dựa vào lưu lượng nước, tốc độ nước

Tính tổn thất áp suất của bơm:

Sơ đồ tổn thất của bơm

Nhóm 3 28

Theo sơ đồ có 2 van đóng mở

Đoạn A-B-C-D-E-F-G-H=37m

Chọn tốc độ nước đi trong ống : 1,4m/s

c Xác định trở lực ma sát đường dài

2

.

tr d

d

n i

P  

- Đường kính trong của ống :

40 1000 4 , 1 14 , 3

036 , 2 4

4 , 1 1000 37 024 ,

2



- Trở kháng chổ vào bình ngưng có nhiều lối :

Pa

2

4 , 1 1000 10

2



- Trở kháng qua van thẳng : ( có 3 van)

2

4 , 1 1000 5 , 1



- Trở kháng tại bể vào phin lọc

Vì ống vào và ra của tháp có đường kính  50 nên ta có tổn thất tạiđầu vào với ống dẫn

6 , 42

.

3 s m b

C P

37592 0026 , 0

em để đề tài đồ án môn học: xây dựng trạm lạnh hoàn thành tốt hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 3 32

Tài liệu tham khảo:

1-Luận An Tiến Sỹ Kỹ Thuật của tác giả:Nguyễn Văn Tài

2-Hệ Thống Máy Và Thiết Bị Lạnh của tác giả:

Đinh Văn Thuận-Võ Chí Chính

3-Bơm Quạt Máy Nén của tác giả:Nguyễn Văn May

4-Máy Và Thiết Bị Lạnh của tác giả:Nguyễn Đức Lợi-Phạm Văn Tuỳ5-Môi Chất Lạnh- Nguyễn Đức Lợi-Phạm Văn Tuỳ

7-Máy Lạnh-Trần Thanh Kỳ