ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG. Bản vẽ + sơ đồ nguyên lý thiết bị cô đặc mía đường ở link sau: https://123doc.net/document/6088255-thiet-ke-thiet-bi-co-dac-dung-dich-duong-mia-ban-ve-so-do-nguyen-ly.htm

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU: 4

Chương 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường 5

1.2 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường 6

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu 6

1.2.2 Đặc điểm sản phẩm 6

1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc 6

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 7

1.3 Cô đặc và quá trình cô đặc 7

1.3.1 Định nghĩa 7

1.3.2 Các phương pháp cô đặc 7

1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 7

1.3.4 Ứng dụng của sự cô đặc 7

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt 8

1.4.1 Phân loại và ứng dụng 8

1.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục 9

1.4.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc 9

1.4.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng 9

Chương 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục 11

2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 11

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 12

3.1 Dữ kiện ban đầu 12

3.2 Cân bằng vật chất 12

3.3 Cân bằng năng lượng 12

3.3.1 Chế độ nhiệt độ 12

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ 13

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng 15

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc 18

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 18

Chương 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 19

4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) 19

4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2) 19

4.3 Nhiệt tải riêng phía tường ( qv) 21

4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng 21

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 22

4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 23

Chương 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 24

5.1 Tính buồng đốt 24

5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị 24

5.1.2 Thể tích dung dịch cuối 24

5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt 24

5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 26

5.1.5 Tổng kết 26

5.2 Tính buồng bốc 26

5.2.1 Đường kính buồng bốc 26

5.2.2 Chiều cao buồng bốc 27

5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 28

5.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu 28

5.3.1 Ống nhập liệu 29

5.3.2 Ống tháo liệu 29

5.3.3 Ống dẫn hơi đốt 29

5.3.4 Ống dẫn hơi thứ 29

5.3.5 Ống dẫn nước ngưng 29

5.3.6 Ống xả khí không ngưng 30

5.3.7 Tổng kết về đường kính ống 30

Chương 6: TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ 31

6.1 Tính cho buồng đốt 31

6.1.1 Sơ lược về cấu tạo 31

6.1.2 Tính toán 31

6.1.3 Tính bền cho các lỗ 32

6.2 Tính cho buồng bốc 33

6.2.1 Sơ lược cấu tạo 33

6.2.2 Tính toán 33

6.3 Tính cho đáy thiết bị 36

6.3.1 Sơ lược về cấu tạo 36

6.3.2 Tính toán 36

6.3.3 Tính bền cho các lỗ 40

6.4 Tính nắp thiết bị 40

6.4.1 Sơ lược cấu tạo 40

6.4.2 Tính toán 41

6.4.3 Tính bền cho các lỗ 42

6.5 Tính mặt bích 42

6.5.1 Sơ lược về cấu tạo 42

6.5.2 Chọn mặt bích 43

6.6 Tính vỉ ống 44

6.6.1 Sơ lược cấu tạo 44

6.6.2 Tính toán 45

6.7 Tính tai treo chân đỡ 46

6.7.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ 46

6.7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 46

6.7.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 49

6.7.4 Tổng khối lượng 50

Chương 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 51

7.1 Tính thiết bị ngưng tụ baromet 51

7.1.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị 51

7.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 51

7.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet 52

7.2 Tính toán và chọn bơm 54

7.2.1 Bơm chân không 54

7.2.2 Chọn bơm chân không 55

LỜI KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Quá trìnhthiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệthực phẩm và hóa học Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực

tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các sốliệu cụ thể, thông dụng

“Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất sản phẩm

1200 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS Tiền Tiến Nam, bộ

môn Quá trình thiết bị, trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về ngànhmía đường cũng như quá trình cô đặc, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vậtchất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính vànhững thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu

Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết bịphục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư côngnghệ thực phẩm Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững cáckiến thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực phẩm Ngoài ra,việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị vàdây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn thầy Tiền Tiến Nam cũng như các thầy cô của bộmôn Quá trình thiết bị và những người bạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn emtrong quá trình thiết kế

Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể

có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ là nguồnđộng viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn,hoàn thiện hơn

Xin chân thành cám ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường.

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Donhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường 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 xuấtmột cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kếtvới nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp míađường 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 liênhiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đườnglàm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phếliệu 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 tâmđầu 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 thuhoạch trễ và không chế biến kịp thời

Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệuquả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã có rấtnhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưng với

sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việc cungcấp 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, đổimới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết vàcấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc làmột yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phầnkhông thể xem thường

Bảng 1.1 Số liệu về sản lượng đường trên thế giới ( đơn vị: nghìn tấn)

1945-1946

1953

1952-1966

1965-1978

1977-1979

1978-1980

1979-1981

1980-1982

1981-Sản

lượng

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

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi : nước

- Các chất hòa 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 bayhơi trong quá trình cô đặc

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít Nồng độ đường trước khi

cô đặc khoảng từ 15-20% khối lượng

1.2.2 Đặc điểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu.

1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm

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

Biến đổi tính chất hóa 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 bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng

độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa

- Phân hủy chất cô đặc.

- Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ

giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid

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.

1.2.4 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 theo yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.

1.3 Cô đặc và quá trình cô đặc.

1.3.1 Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai haynhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏidung dịch bay lên gọi là hơi thứ

1.3.2 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 dụnglên 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 tăng nồng độchất tan Tùy vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng màquá trình kết tinh xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

1.3.3 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 cấpnhiệt 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 cấpnhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bềmặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí vàlắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc

1.3.4 Ứng dụng của sự cô đặc

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

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

1.3.5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa 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 làmột hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùngvới sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tấtyếu nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưađến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ độngkhám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt

1.4.1 Phân loại và ứng dụng

Theo cấu tạ o :

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung

khá loãng, 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 tronghoặc 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 chodung 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 như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôitạo bọt khí khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi íttạo bọt và bọt dễ vỡ

Theo ph ư ơng pháp t h ự c hiện quá t r ìn h :

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 tăng năng suấtcực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao

tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử

dụng hơi thứ cho các quá trình khác

Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu

cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đếnkhi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dungdịch mới để tiếp tục cô đặc

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 đặc chân không, cô đặc áp lực hayphối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác đểnâng 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

1.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục

Mục đ í ch : để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tựnhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúcoxy

Ưu

đi ể m :

- Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chânkhông trong thiết bị

- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng

- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.

Nh

ư ợc đi ể m :

- Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.

- Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.

1.4.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…

- 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.

1.4.4 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 sửa 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 là nhỏ nhất.

- Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp Từ bồn cao

vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đunnóng đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặtthẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉống được hàn dính vào thân Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bãohòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ củadung dịch lên nhiệt độ sôi

Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốchơi Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứbốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoàibồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không

ra ngoài Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm

2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các các ống truyền nhiệt và một ốngtuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trongkhoảng không gian ngoài ống

Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi làbuồng bốc Trong buồng bốc có bộ phận tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo

Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt

và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt Dung dịch được đun sôi,tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịchgiảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống

Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớnhơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậy khối lượng riêng củahỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trênxuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nêndòng tuần hoàn tự nhiên.

Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lênqua bộ phận tách giọt Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơithứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng

độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sungthêm một lượng dung dịch thiết bị

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG3.1 Dữ kiện ban đầu

- Dung dịch đường mía

- Nồng độ nhập liệu xđ =15% (khối lượng)

- Nồng độ sản phẩm xc =24% (khối lượng)

- Năng suất sản phẩm Gc = 1200 kg/h

- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,75at

 Áp suất tuyệt đối Pc = Pa - Pck = 1- 0,75= 0,25at

- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa

là 3at

- Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 300C

3.2 Cân bằng vật chất

 Suất lượng nhập liệu (G đ )

Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:

 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Gọi ∆ '' ' là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bịngưng tụ Theo [3], trang 296, chọn ∆ '' ' = 10C.

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm( P0)

tsdm( P0) – tc = ∆ '' '

 tsdm( P0) =∆ '' '+ tc = 1+tc

Trong đó:

tc : nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet

tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng)

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi (0C)

Theo công thức nội suy, ta có:

Tại áp suất 0,25at, nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là:

tc¿59,7+68,7−58,7

0,3−0,2 (0,25−0,2)=64,20C

Mà tsdm( P0) =∆ '' '+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)

 tsdm( P0) = 64,2+1 =65,2 0CTra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:

Nhiệt độ (0C) Áp suất (at)

∆’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

∆0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển

f : hệ số hiệu chỉnh

f = 16,2 T2

r

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]

Tra bảng VI.1, trang 59, [2], ta có:

dịch- Tra theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] )

 ∆’ = f.∆0’= 0,7910 0,62 = 0,490CVậy tổn thất nhiệt do nồng độ (∆’ ) là 0,490C

 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’ )

Áp suất thủy tĩnh: Theo công thức VI.12, trang 60, [2], ta có :

Ptb= P0 + (h1+h2

2) ρ dds.gTrong đó:

P0: áp suất hơi thứ = 0,2575at

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

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m)

ρ dds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

g : gia tốc trọng trường =9,81m/s2

Ta có: ρ dds=12ρ dd

1N/m2 = 1

9,81.104 at

Vì đây là quá trình cô đặc liên tục nên ρ dd tra theo nồng độ trung bình của dungdịch.

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Áp suất (at) Nhiệt độ (0C)

Dùng công thức nội suy, ta suy ra được nhiệt độ sôi trung bình ứng với Ptb là :

ttb = 68,7+75,4−68,70,4−0,3 (0,3385−0,3) = 71,280CTheo công thức trang 296, [3], ta có:

 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆t hi )

∆tch = tD – tc =132,9 – 64,2 = 68,7oCChênh lệch nhiêt độ hữu ích:

∆thi = ∆tch - ∑∆ = 68,7– 7,08= 61,62oC(Các công thức lấy từ trang 67, 68, [2])

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng

 Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD)

Theo công thức VI-3, trang 57, [2], ta có:

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (1)Trong đó:

Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W

Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W

Qkn: nhiệt lượng khử nước, W

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

 Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Q đ )

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) Trong đó:

Gđ = 1920 kg/h

Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153:

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

Giải thích :

Trong quá trình đun nóng dung dịch đén nhiệt độ sôi, khi đó dung dịch chưa bốchơi nên nồng độ dung dịch không thay đổi và chính là nồng độ đầu của nguyên liệu vàbằng 15%)

Ở nồng độ 15%, tra theo đồ thị hình VI-2, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 60:

+ tđ = 30 0C

Thay tất cả vào ta được:

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) = 1920.3866,84.(65,3582-30)

=2,625.108 (J/h) (2)

 Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )

Theo công thức VI.3, trang 57, [2], ta có:

Qbh =W r = 720 2345,35.103 =16,887.108 (J/h) (3)

Trong đó:

- W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 720 kg/h

- r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,2575 at, J/kg

Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 314:

 Nhiệt lượng dùng để khử nước ( Q kn )

Theo công thức VI-4 trang 57, [2], ta có:

Q kn=Q ht đ−Q ht c

Trong đó:

Qht đ: nhiệt hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng banđầu của quá trình cô đặc

Q ht c: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc.

Thường thì Q kn rất bé so với các phần nhiệt còn lại nên có thể bỏ qua (4)

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức VI.6a, trang 57, [2], ta có:

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc :

Q D: nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q D= 19,59 108 (J/h)

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at, r= 2171.103 J/Kg ( tra bảng I.251, trang

315, [1])

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng ( q 1 )

Theo công thức V-101, trang 28, [2]:

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 1,5m

A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

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

A: tra bảng trang 29,[2]

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.độ

4.2 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, trang 71, [2]:

α n: hệ số cấp nhiệt của nước.

α n=0,145 (∆ t )2,33 p0,5 (2)

(công thức V.90, trang 26, [2])p= 0,2575at= 25260,75 N/m2

∆ t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C

Cdd, Cn :nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước, J/Kg.độ

μ dd, μ n: độ nhớt của dung dịch và của nước, N.s/m2

ρ dd,ρ n: khôi lượng riêng của dung dịch và của nước, kg/m3

λ dd,λ n: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và của nước, w/m.K

Bảng 4.1 SÔ LIỆU THEO NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH

0,585.10-3 3786,31 4185,248 0,215 0,645

Ghi chú:

 Các thông số của dung dịch :

- ρ dd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, trang 59, 60, [1]

- μ dd: ở nồng độ 15%, tđ = 300C

Ở nồng độ 24%, tc = tsdd (P0) +2∆ '= 65,69 +2.5,59= 76,870C

 Tra bảng I.112, trang 114, [1]

 Tại nồng độ trung bình 19,5 %, độ nhớt bằng tổng độ nhớt của 2 nồng

độ trên chia 2

- Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

C= 4190- (2514 -7,542t ) x (J/kg.độ)Trong đó:

t: nhiệt độ của dung dịchx: nồng độ của dung dịch(công thức I.50, trang 153, [1])+ ở tđ = 300C, xđ = 15%

C đ = 4190- (2514 – 7,542.30).0,15 =3846,839 (J/kg.độ)+ ở tC = 76,870C, xc =24%

C c= 4190- (2514-7,542.76,87).0,24= 3725,781 (J/kg.độ)

- λ dd: theo công thức I.32, trang 123, [1]:

λ dd=A C p ρ √3 M ρ (W/m.độ)Trong đó:

Thay các thông số vừa tìm được vào (*), ta có:

α2=α n (0,2510,645)0,565.[ (1080,65984,689)2.(4185,2483786,31 ).(0,583.100,953.10−3−3) ]0,435

¿0,45 α n(3)4.3 Nhiệt tải riêng phía tường (q v )

 ∆ t v=0,932.10−3 q v (4)4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

Nhiệt tải trung bình là:

q tb=q1+q2

51755,44+51272,59

2 =51514,015 (W/m2)

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt :

2)Theo dãy chuẩn chọn F = 16m2

Chương 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 5.1 Tính buồng đốt

5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị

Gđ = Vđ ρ đ

 Vđ ¿G đ

ρ đ=

19201061,04=1,81 m

3

Trong đó:

Gđ = 1920 kg/h : khối lượng dung dịch nhập liệu

ρ đ: khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, kg/m3

xđ= 15% => ρ đ= 1061,04 kg/m3 ( tra bảng I.86, trang 60,[1])

Gc = 1200 kg/h: khối lượng dung dịch cuối

ρ c: khối lượng riêng dụng dịch cuối, kg/m3

xc= 24% => ρ c = 1100,92 kg/ m3 ( tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 60)

5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt

- Chọn ống có kích thước d25/27mm

Bước ống s = β.do = 1,4 27 = 37,8 mm

( Chọn β = 1,4,trang 202, [3])

do: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, do = 27mm

- Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L= 1,5m

- Chọn tỷ lệ ds/d0 = 15

 Đường kính buồng đốt được tính theo công thức 3.90, trang 202,[3]:

 Dđ = 22,144.d0 =22,144 27= 600 mm.

 Đường kính ống tuần hoàn:

Chọn theo kinh nghiệm từ 1/4 đến 1/8 lần đường kính vỏ buồng đốt ( theo[3],trang 274) Chọn d th=1/4 Dđ  dth = 150 mm

Theo dãy chuẩn dth = 159mm (trang 274, [3])

 Số ống truyền nhiệt cần thiết là:

n=π d l F = 16

π 0,026 1,5=131 ống

Với :

d = 26 mm: đường kính của ống truyền nhiệt ( lấy d = dtb = 26 mm)

l= Hd = 1,5m: chiều dài ống truyền nhiệt

F= 16 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Bố trí ống ở đỉnh tam giác tạo thành hình lục giác đều có ống tuần hoàn ở giữa.Theo công thức 3.86, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 202:

Dd = s (m -1) + 4 dom: số ống trên đường chéo

do= 27 mm :đường kính ngoài ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm là:

n’=34.(m’ 2-1)+1=34.(32-1)+1=7 ốngVậy số ống truyền nhiệt là n-n’= 147-7=140 ống

Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:

F= π.Hd.( n.dt+dth)= π 1,5.(140.0,025+ 0,159)= 17,24m2 >Ftính toán= 11,11m2.(thỏamãn)

5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:

Số ống truyền nhiệt là 140 ống có kích thước d25/27 mm

Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth= 159 mm

Đường kính vỏ buồng đốt Dd =600mm

Chiều cao buồng đốt Hd= 1,5m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F=16m2

Chiều cao đáy nón Hnon =544 mm

ρ h: khối lượng riêng của hơi ở áp suất P0 = 0,2575 at

Tra bảng I.251, trang 314, [1] ρ h= 0,1624 kg/m3

W=720 Kg/h: lưu lượng hơi thứ

- Vận tốc hơi :

ω hơi= V hơi

π D b

24

= 1,23

π D b

24

D b2Theo [3], trang 276:

5.2.2 Tính chiều cao buồng bốc H b

Theo công thức VI.32, trang 71,[2], ta có:

VKGH =ρ W

h U tt

Trong đó:

W: Lượng hơi thứ = 720kg/h

ρ h: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất P0= 0,2575 at

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có ρ h =0,1624 kg/m3

Utt : cường độ bốc hơi cho phép của khoảng không gian hơi

Vậy chiều cao buồng bốc là 2m

5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc:

Dt = 1200 mm

Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10, trang 394,[2], ta có:

Hnón = 1087 mm

Ft = 2,57 m2 : bề mặt trong

Vđ = 520.10-3 m3 : thể tích nón

5.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu

Theo công thức VI.41, trang 74, [2],ta có:

Vs= π d2

4 ωTrong đó:

Vs =G ρ : lưu lượng khí hoặc dung dịch trong ống.(m3/s)

G: Lưu lượng lưu chất (kg/s)

ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)

ω: tốc độ thích hợp của khí hoặc dung dịch đi trong ống (m/s)