Thiết kế hệ thống cô đặc nước mía 2 nồi xuôi chiều hoạt động liên tục

Biến đổi tính chất vật lý: Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thayđổi: - Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, h

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí MinhTrường Đại học Bách KhoaKhoa Công nghệ Hoá học & Dầu khí

I BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

Lớp : HC01HCO Ngành: Hữu Cơ

MỤC LỤC TrangCHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG -5

I Giới thiệu chung

II Nguyên liệu và sản phẩm -5

1 Đặc điểm nguyên liệu

2 Đặc điểm sản phẩm

3 Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm

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

III Cô đặc và quá trình cô đặc - 6

1 Định nghĩa cô đặc

2 Các phương pháp cô đặc

3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt

4 Ứng dụng của sự cô đặc

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

IV Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc -7

1 Phân loại và ứng dụng

2 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều liên tục

3 Các thiết bị và chi tiết

4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

V Quy trình công nghệ -9

1 Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc

2 Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet

3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:

CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG -10

I Dữ kiện ban đầu -10

3 Cân bằng nhiệt lượng

4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT -16

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc -16

1 Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp

2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi :

3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

4 Tóm tắc tiến trình tính lập để tính nhiệt tải riêng

CHƯƠNG 4 : TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC - 23

4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

III Tính kích thước các ống dẫn -26

1 Ống nhập liệu nồi I: 2 Ống tháo liệu nồi I ( nhập liệu nồi II ): 3 Ống tháo liệu nồi II: 4 Ống dẫn hơi đốt nồi I: 5 Ống dẫn hơi thứ nồi I: 6 Ống dẫn hơi thứ nồi II: 7 Ống dẫn nước ngưng nồi I: 8 Ống dẫn nước ngưng nồi II: CHƯƠNG 5 : TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ -28

I Tính cho buồng đốt -28

II Tính cho buồng bốc -29

III Tính nắp: -31

IV Tính đáy: -32

V Tính bích: -33

VI Bộ phận nối buồng đốt với buồng bốc: -34

VI Tính vỉ ống: -34

VII Tính tai treo: -34

1 Tính MTB: 2 Tính Mdd: CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ -37

I Thiết bị ngưng tụ Baromet -37

1 Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ: 2 Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ: 3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet: II Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu: - - 41

III Tính bồn cao vị: -43

IV Tính Bơm -45

1.Tính bơm chân không : 2.Tính bơm nước vào thiết bị ngưng tụ: 3.Tính bơm nhập liệu : 4.Tính bơm tháo liệu ( ở nồi 2): V Bề dày lớp cách nhiệt : -48

CHƯƠNG 7 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ -48

I Tính thiết bị chính : -48

II Tính thiết bị phụ: -49

KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT -50

TÀI LIỆU THAM KHẢO -50

4

CHƯƠNG 1 : 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 cầuthị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiếtlập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năngsuất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn choviệc phát triển công 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 hiệnnay 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 ngànhcông nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ chocác ngành sản xuất như rượu, acid lactic…

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

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

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

II Nguyên liệu và sản phẩm

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 chiếmchủ 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 nguyên liệu và sản phẩm

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi khôngngừng

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 thayđổi:

- 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 độsôi

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 sảnphẩm 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

Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:

- 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

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ của một cấu tử nào đótrong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lõng rắn hay dung dịchlõng lõng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách mộtphần dung môi Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình

đó mà ta có thể tách một phần dung môi bằng phương pháp nhiệt độ hay phương pháp làm lạnhkết tinh

2 Các phương pháp cô đặc

a Phương pháp nhiệt (đun nóng):

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi ápsuất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch Để cô đặcđược dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng vớinhiệt độ ở mặt thoáng thấp Đó là phương pháp cô đặc chân không

b Phương pháp lạnh:

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chấttinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suấtbên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp vàđôi khi phải dùng đến máy lạnh

3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp 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 chấtlỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lựcliên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủnăng 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 đáytạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

4 Ứng dụng của sự cô đặc

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

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

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

6

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặcnhư một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù chỉ là một hoạt độnggián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển củanhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có nhữngthiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiếnthức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.

IV Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc

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 kháloãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ 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 - 3,5m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịchđặc 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 làmbiến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước tráicây,hoa quả ép… Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi tạobọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi ít tạobọt 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 côđặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian côđặc 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 năng lượng( tiết kiệm hơi đốt) Số nồikhông nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hayphối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng caohiệu quả kinh tế

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

2 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều liên tục

- Trong thực tế sản xuất khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng độ kháđặc thì người ta hay dùng các hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng: hệ xuôi chiều vàngược chiều

- Hệ xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vì nhiệt độ cao nhưdung dịch nước đường hay dung dịch nước trái cây, thực phẩm Vì trong hệ xuôi chiều các nồiđầu có áp suất và nhiệt độ cao hơn các nồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt

độ thấp nhất

- Hệ ngược chiều thích hợp cô đặc các dung dịch vô cơ không bị biến tính vì nhiệt độ cao

- Dùng hệ thống cô đặc chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch để giữ được chấtlượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượngvitamin, …) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc Oxy

3 Các thiết bị và chi tiết

a Thiết bị chính:

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

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

b.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, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ 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( do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất)

- Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng

V Quy trình công nghệ

1 Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc

Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các ốngtruyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc Tại đây, hơinước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết

bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trongống truyền nhiệt

Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung dịch càngtăng, độ nhớt dung dịch tăng Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm lại về sau Quátrình 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 vàngược lại Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy

2 Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet

Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Nó rất thông dụng trong ngành hoá chất và thựcphẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không( nhưdung dịch đường, muối, glycêrin, bột ngọt, nước mắm, xút…)

Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ 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 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịchchảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vàonồi cô đặc thứ I để thực hiện quá trình bốc hơi Dung dịch sau khi cô đặc ở nồi I được dẫn ra

ở phía dưới để đi vào nồi cô đặc thứ II Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của nồi Iđược dẫn vào buồng đốt của nồi thứ II Quá trình cô đặc lại tiếp tục được diễn ra lần thứ hai.Dung dịch sau khi được cô đặc trong nồi thứ hai đã đạt được nồng độ theo yêu cầu được bơmtháo liệu bơm ra ngoài và dẫn vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng sinh ratrong nồi hai này sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ baromet, một phần ngưng tụ thành lỏng

8

chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí được bơm

chân không hút ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có nhiều

ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong

khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do

ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện

tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch trong đó sẽ nhỏ hơn so với dung

dịch trong các ống truyền nhiệt Vì vậy dung dịch trong đó sôi ít hơn(có nhiệt độ thấp hơn) so

với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi đó dung dịch sẽ khối lượng riêng lớn hơn và sẽ tạo

áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòng

chuyển động tuần hoàn của dung dịch trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có

hiệu quả dung dịch chỉ nên cho dung dịch vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ

phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3.5 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

CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Dữ kiện ban đầu

- Dung dịch nước mía

- Nồng độ đầu xđ = 10 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu chọn là tđ = 30oC

- Nồng độ cuối xc = 60%

- Năng suất Gc = 500 (kg/h)

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà với áp suất là 3.5 at

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet : P = 0.5 at

W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống kg/h

Gd : Lượng dung dịch ban đầu kg/hxd,xc : Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng Thay số vào ta có:

kg/h

3 Giả thiết phân phối hơi thứ

trong từng nồi:

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải

dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

Ta chọn

Khi đó ta có hệ phương trình:

Giải hệ trên có kết quả :W1 =1309.5 kg/h

)1(

c

d d

x

x G

W  

2500)60

101.(

3000)1

x

x G W

3.11.1

2

1



W W

1.1

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:

xc1=

- Nồng độ cuối củadung dịch ra khỏi nồi 2:xc1 =

III Cân bằng nănglượng

1 Chế độ áp suất và nhiệt độ

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

Chọn áp suất ngưng tụ là: Png = 0.5 at

Chọn áp suất của hơi đốt vào nồi I là : P1= 3.5 at

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Hơi đốt P1= 3.50 T1=137.9 P1=1.65 T2=113.6 Png=0.5 tng=80.9Hơi thứ P’1=1.7 t’1 =114.6 P’2=0.52 t’2 =81.9

’o : Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường (ápsuất khí quyển)

ft’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i

ri : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi ởnhiệt độ t’i

Từ các dữ kiện trên ta lập được bảng sau:

1.03000

d

d d

%605.11905

.13093000

1.03000

2 1

d

d d

61.1

10

Trong đó:

s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

s =0.5 dd

dd : Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 1.5 m

d Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:

Nồi I: ti1 = T1 – (T2 + 1) =137.9 – (113.6 + 0.22 + 0.26 + 1) = 22.82 0C

Nồi II: ti2 = T2 – (tng + 2) =113.6– (80.9 + 2.66 + 1.3 + 1) = 27.74 0C

Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:

Nồi I: t1 = T1 – tS1 suy ra tS1 = T1 + t1 = 137.9 – 22.82 = 115.08 0C

Nồi II: t2 = T2 – tS2 suy ra tS2 = T2 - t2 = 113.6 – 27.74 = 85.86 0C

3 Cân bằng nhiệt lượng

a Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

'''



C = 4190 - ( 2514 - 7,542.t ).x (J/Kg.độ)

Trong đó:

t: nhiệt độ của dung dịch

x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng

Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td = 115.08 oC, x = 10%)

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

i, i1, i2: hàm nhiệt của hơi đốt , hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (j/kg)

td, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch ( 0C)

Cd, C1, C2:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch( j/kg.độ)

1, 2:nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1 và nồi 2 (0C)Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (j/kg.độ)

Qxq1,Qxq: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh ( J)

Gd : lượng dung dịch lúc ban đầu (kg/h ) Chọn hơi

đốt , hơi thứ là hơi bão hoà, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ, khi đó ta có:

i - Cng1 1 = r(1) và i1 - Cng2 2 = r(2)

Tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây:

1 1 2

2 2

1

.)

C-(i.95.0

)

(

t C i

t C G t C W G i W

* 82 3897 2647420

) 9 137

* 4270 2737060

(

* 95 0

08 115

* 82 3897

* 3000 86

85

* 12 3070

* ) 2500 3000

( 2647420

* 2500

% 7 2

% 100 78

1274

5 1309 78

1274





12 Đáp ứng yêu

caàu

C%(2) = < 5%

Vậy :

Lượng hơi thứ nồi I là

: W1 = 1274.78 kg/h

Lượng hơi thứ nồi II là : W2 = 1225.22 kg/h

4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:

D’ =

=

=1386.76 kg/h

Lượng hơi đốt nồi 1 là : D = 1386.76 kg/h

5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức 4.8, trang 182, [4] :

(kg hơi đốt / kg hơi thứ)

Trong đó:

D : lượng hơi đốt dùng côđặc (kg/mẻ)

W : lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ)

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

I Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1 Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp

Nồi 1:

Q1 = D.r(1) = = 830.63 (kW)Nồi 2:

Q2 = W1.r(2) = =787.76 (kW)

2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi :

r = rcáu1 + + rcáu2

=0.232.10-3 + +0.387.10-3 = 0.742.10-3 (m2.K/W)

+=2mm : bề dày ống truyền nhiệt

+Chọn loại ống truyền nhiệt là loại thép không rỉ X18H10T có= 16,3

(W/m.K)

% 8 2

% 100 22

1225

5 1190 22

1225

95.0

)

(

1 1 1

1 1 1 1

1



ng

d d d d

C i

t C G t C W G i W

) 9 137

* 4270 2703200

(

* 95 0

08 115

* 39 4025

* 3000 08

115

* 82 3897

* ) 78 1274 3000

( 2703200

* 78

76 1386

3600

2156.3

* 1386.76

3600

2224.6

* 1274.78

10

2  3





Nhiệt tải riêng trung bình:

°Nồi I : qtb1 =

Trong đó :

+ q1 : nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị Ta có công thức tính q1:

q1= 1.t1 (1)

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được tính

theo công thức của Nusselt

1 = 2.04A ( W/ m2 độ ) (*)

r = r(1) = 2156300 J/kg là ẩn nhiệtngưng tụ của hơi đốt

H = 1.5 m: chiều cao bề mặt truyền nhiệt

A là trị số phụ thuộc nhiệt độngưng tụ của nước

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độmàng như sau :

1 = 2.04*193.55 =11903.93 (W/m2K)

Thay 1 vào công thức (1) ta có:

q1 = 11903.93* 1.74 = 20712.84 ( W/m2 ) + q2: nhiệt tải phía dung dịch sôi Ta có công thức tính q2:

Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch 2 được tính bởi công thức:

Theo công thức VI.27, trang 71, [2]:

(W/m2K) Trong đó:

- :hệ số cấp nhiệtcủa nước khi cô đặc theonồng độ dung dịch

αn = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])n = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])

- p: là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2 )

137 ( 2

1



2

9 137 1

137 

4

74 1

* 5 1 2156300

435 , 0 2

565 , 0

.

dd n

dd n dd

14

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

+Cp : nhiệt dung riêng đẳng ápcủa dung dịch = 3897.82 (J/kgK)

+ : khối lượng riêng của dung dịch 1072.95 (kg/m3)

+M : khối lượng mol trung bình của dung dịch

-: độ dẫn điệnnước

Vậy nhiệt tải trung bình nồi

I là:

qtb1 = = =20531.21

Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được tính

theo công thức của Nusselt

1 = 2.04A ( W/ m2 độ ) (*)

r = r(2) = 2224.64 (kJ/kg) là ẩn nhiệtngưng tụ của hơi đốt

51 , 75

95 , 1072 95

, 1072

* 82 , 3897

* 10 58 ,

565 , 0

.

dd n

dd n dd

565 , 0

10 338 , 0

10 243 , 0 4230

82 , 3897 32 947

95 , 1072

691 , 0

363 , 0 12 4774



H = 1.5 m: chiều cao bề mặt truyền nhiệt.

A là trị số phụ thuộc nhiệt độngưng tụ của nước

Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độmàng như sau :

1 = 2.04*184.43 =11242.83 (W/m2K)

Thay 1 vào công thức (1) ta có:

q1 = 11242.83* 1.86 = 20911.66 ( W/m2 ) + q2: nhiệt tải phía dung dịch sôi Ta có công thức tính q2:

Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch 2 được tính bởi công thức:

Theo công thức VI.27, trang 71, [2]:

(W/m2K) Trong đó:

- :hệ số cấp nhiệtcủa nước khi cô đặc theonồng độ dung dịch

αn = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])n = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])

- p: là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2 )

113 ( 2

1



2

9 137 1

137 

4

86 1

* 5 1 2224640

435 , 0 2

565 , 0

.

dd n

dd n dd

Trong đó:

+Cp : nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch = 3070.13 (J/kgK)

+ : khối lượng riêng của dung dịch 1288.73 (kg/m3)

+M : khối lượng mol trung bình của dung dịch

mãn điều kiện sai số.)

Vậy nhiệt tải trung bình nồi

- Nồi II :

K2==765.01W/m2.độ

3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

a Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:

- Công thức chung:( p 168 tập 5)

(0C)Trong đó :

ti1 = 22.82 0C

ti2 = 27.74 0CQ1 = 830630 W

4 , 212

73 , 1288

73 , 1288

* 13 , 3070

* 10 58 ,

565 , 0

.

dd n

dd n dd

565 , 0

10 622 , 4

10 332 , 0 4190

13 , 3070 62 , 970

73 , 1288

681 , 0

258 , 0 26 9289

q

q

0911.66 2

21531,16 -

.

21531 

82.22

74.27

i m

m im

K Q

t K

787760 7

899

56.50

*23.923

'

1

1 1

i i

i i

K Q

t K

Q t

0C

b Kiểm tra lại

hiệu số nhiệt độ hữu

4 Tóm tắc tiến trình tính lập để tính nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định ta tiến hành tính :

- Bước 1: Chọn chênh lệch nhiệt độgiữa hơi đốt và tường phía hơi ngưng :

- Bước 4: Tính chênh lệch nhiệt độ phía hai bên vách ∆tw = tw1 – tw2 , từ đó tính được

nhiệt độ vách trong tw2  chênh lệch nhiệt độ giữa vách trong và phía dung dịch ∆t2 = 2 –

tsdd(Ptb)

- Bước 4:Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch αn = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])dd :

với : αn = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])n =0,145.∆t22,33 p0,5

- Bước 5: Tính q2theo công thức: q2 = αn = 0,145.∆t22,33 p0,5 (công thức V.91, trang 26, [2])dd ∆ t2

- Bước 6 : So sánh sai số giữaq1 và q2, gọi giá trị sai số là

· Nếu C% > 5% thì quay

về bước 1 và chọn giá trị ∆t1 khác rồi tính lại đến khi C 5%

· Nếu C 5% thì ngừng và tính

CHƯƠNG 4 : TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

I Tính buồng bốc

1 Đường kính buồng bốc

Do lượng hơi thứ bốc lên ở hai nồi gần xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi hai nhỏ hơn nên

khối lượng riêng của hơi ở nồi II sẽ nhỏ hơn nồi I suy ra thể tích hơi thoát ra ở nồi II sẽ lớn

hơn nồi I Do vậy ta chỉ cần tính đại diện nồi II

66.2697.1952

56.50

*74.11029

i i

K Q

t K

Q t

%5

%5.4

%1009

.23

82.229.23

%100

*'

1

1 1

t

t t

%5

%1.4

%10066

.26

74.2766.26

%100'

'

2

2 2

t

t t

1 1

1

' t i K

Q



63 38 9 23

* 7 899

830630



2 2

2

' t i K

Q



62 38 66 26

* 01 765

787760



2

1 D w m

t t

t  

4 1 1

04 , 2

H t

r A







435 , 0 2

565 , 0

.

dd n

dd n dd

%

1

2 1

q

q q

q tb  

18

Thoả mãn điều kiện

Vận tốc hơi (hmax) của hơi thứ trong buồng bốc phải không quá 70 – 80% vận tốc

Lưu lượngthể tích: Vb = m3/s

Vận tốc hơi :

h = 0.70 m/sChuẩn số Reynolds: Re=

= 5.53

Vì 0.2 < Re = 5.53 <

500 nên  = = Vận tốc lắng :

0 = = 1.35 m/sthấy: h = 0.7 m/s < 0

= 1.35 m/s (thoả điềukiện )

2 Chiều cao buồng bốc

Chọn U’t = 1600 (m3/m3.h): cường độ bốc hơi thể tích Do dung dịch sôi tạo bọt nên

cường độ bốc hơi thể tích giảm còn : Ut = U’t*1.3 = 2080 (m3/m3.h)

Thay vào công thức tính Vb có:

Vb = = = 1.87 m3Vậy chiều cao buồng bốc là:

Hb =m

Do trong thiết bị có hiện tượng dung dịch sôi tràn cả lên phần buồng

bốc do đó đòi hỏi thiết bị phải cao hơn so với tính toán

Vậy đó chọn Hb = 2000 m (Theo trang 182, [3] : )

II Tính buồng đốt

1.Xác định số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức : n =

F = 50 m2 : bề mặt truyền nhiệt

l = H = 1.5m : chiều dài của ống truyền nhiệt

d : đường kính ống truyền nhiệt

Chọn loại ống có đường kính : 38 x 2 mm nên: d = dt = 34 mm

Vậy số ống truyền nhiệt là :

Re

5.18

*14.34

*3158.0

22.1225





h l

W





54.1

08.1

b

b

F V

3158.0

*0003.0

*7.0

6 0

Re

5.18

63.653

.5

5.18

6

* 63 6

* 3

0003 0

* ) 3158 0 67 970 (

* 81 9

* 4

22 1225

22.14.1

*14.3

87.1

*4

.4

F

.



l d

F

.

0 034 * 1 5

* 14 3

50

Chọn số ống n = 367 ống (Theo trang 46, [2] : )

2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Trong trường hợp đối lưu tựnhiên ta chọn Fth = 0.3.FD Với FD làdiện tích tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt

Fth = 0.3.FD = 0.3 = 0.3 =0.09 m2

Vậy : = = 0.339 mChọn Dth = 0.4 m = 400 mm (p155 tập 5)

3 Đường kính buồng đốt

Đối với thiết bị cô đặc buồng đốt trong đối lưu tự nhiên tuần hoàn trung tâm có thể tính

theo công thức 2.90, trang 59, [3]:

 d :đường kính ống truyền nhiệt , d = 0,038 m

  : hệ số, thường  = 1,31,5 chọn

 Dth : đường kính ngoài củaống tuần hoàn trung tâm, Dth = 0,426 m

 F : Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 50 m2

Thay vào ta có :

Dd

=30.95*d = 30.95*0,038 = 1.176 (m)

Chọn đường kính chuẩn cho vỏ buồng đốt Dd = 1200 mm (Theo trang 156, [3] )

4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

Kiểm tra đường kính ống tuần hoàn (Theo trang 58, [3] : )

Dth = s (m-1) + 4d với m : số ống trên đường chéo

Chọn m = 9 ống (Trang

48 , [2])Vậy số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm là n’ :

Số ống truyềnnhiệt còn lại là:

G : lưu lượng lưu chất (kg/s)



th th

F

D  4.

4

.d2 n



4

331

* 034 0

* 14



th th

F

D 3 414.

09 0

* 4

2 2

2

6,2

8318,06,2

4

.3

46

F d

D L d

F d

th d

6 , 2 038 0

426 , 0 5 1

* 038 , 0

50 8318 , 0 6 , 2 6 , 2

8318 , 0 6

,

2

2 2

F d

9 1 038 , 0 4 , 1

426 0

3 1

20