Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía 2 nồi liên tục , ngược chiều

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng k

ĐỀ TÀI: thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía 2 nồi liên tục , ngược chiều

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ NGUYÊN LIỆU

1.1- Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường 3

1.2- Sơ lược về quá trình cô đặc 4

1.2.1.Bộ phận đun sôi 7

1.3- Sơ đồ 8

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

2.1- Dữ kiện ban đầu 10

2.2- Cân bằng vật chất 10

2.3- Cân bằng năng lượng 12

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 22

3.1- Tính buồng bốc 22

3.2- Tính buồng đốt 24

3.3- Tính kích thước các ống 27

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

LỜI NÓI ĐẦU

Tri thức là tiền đề để phát triển khoa học kỹ thật công nghệ và các lĩnh vực kinh tế Trong kế hoạch công nghiệp hóa – hiện đại hóa nông thôn thì công nghiệp mía đường là một chương trình quan trọng phát triển kinh tế nông thôn

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì đời sống của con người ngày càng được cải thiện và nâng cao, kéo theo đó sự tăng lên về nhu cầu sử dụng đường mía và các sản phẩm từ đường mía Tuy nhiên phần đông người tiêu dùng hiện nay biết rất ít về cách sản xuất đường

Với bài tập này, nhóm em mong rằng sẽ đem lại một phần kiến thức cơ bản nhất của công đoạn cô đặc đường trong quá trình sản xuất đường.

Và dưới đây là phần trình bày của nhóm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ NGUYÊN LIỆU

1.1 Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta

Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với 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 xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với 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 mía đường 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 liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các 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 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 thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời

Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã

có rất nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre

… nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên

cạnh đó, việc cung cấp 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, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị

cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường

Áp suất hơi đốt: 3at

Áp suất ngưng tụ: Pck = 0.5at

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:

Làm tăng nồng độ chất tan

Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong

hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đọan hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ

sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt

và dung dịchsôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại này có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình

tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi

do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:

Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức,

Lựa chọn thiết bị:

Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục, có ống tuần hoàn ngoài buồng đốt ngoài đối lưu tự nhiên

Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch Đồng thời,

có thể tận dụng triệt để nguồn hơi

Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt

độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất tan

Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng

T=80.5 P=0.5

Thiết minh quy trình công nghệ:

Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm bơm lên thùng cao vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2 Dung dịch sau đó được đưa vào buồng đốt ngoài của nồi Tại nồi dung dịch đườngbốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng

tụ ,được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt.Còn sản phẩm được bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Dữ kiện ban đầu

Dung dịch nước mía Nhiệt độ đầu vào nguyên liệu chọn là 25oC

− Nồng độ đầu xđ = 8%

− Nồng độ cuối xc = 25%

− Năng suất Gc = 3000 (kg/h)

− Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà với áp suất là:Phđ= 3 at

− Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet: P = 0,5 at

Trong đó: W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)

Gd : Lượng dung dịch ban đầu (kg/h)

xd,xc : Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng

Thay số vào ta có: W = Gđ – Gc = 9375 – 3000 = 6375 (kg/h).

2.2.3 Giả thiết phân phối hơi thứ trong từng nồi

Gọi W1, W2, làlượng hơi thứ của nồi 1, 2 kg/h

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

W

W =1,1

W1+W2 = 6375Giải hệ trên có kết quả: W1 = 3035,714kg/h

xc2=

2.3 Cân bằng nhiệt lượng

2.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi

Gọi: P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ

∆P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

∆P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ

∆Pt: hiệu số áp suất của cả hệ thống

Ta có: Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P1=3 at

Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt= 0,5 at.Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:

∆Pt= P1−Pnt= 3 −0,5 = 2,5at

Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:

1 2

P P

∆

∆ =1,85.

Kết hợp với phương trình: ∆P1+∆P2= ∆Pt= 2,5at

Suy ra: ∆P1= 1,388(at)

∆P2=1,62 (at)

P2= P1−∆P1= 3− 1,62= 1,36 (at)

2.3.2 Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi

Gọi: thd1, thd2, tnt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2

Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 1oC

Tra bảng : I 250, STQTTB, Trang 312 [1]

I 251, STQTTB, Trang 314 [1]

Bảng 2.1 Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi

Loại Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ

Áp suất (at)

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ (oC)Hơi đốt 3 132,9 1,36 106,45

Ta có: ∆'= to

sdd− to sdmnc (ở cùng áp suất)

Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg)

Bảng 2.2 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra

Tra đồ thị VI.2, STQTTB, Trang 60 [2]

Nồi 1 Nồi 2Nồng độ dung dịch (% khối lượng) 25 11,83

Bảng 2.3 Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất

Tra bảng I.251, STQTTBTrang 314 [1]

Nồi 1 Nồi 2

Áp suất hơi thứ (at) 1,75 0,5

Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2232,1.103 2305,3.103

Nồi 1:∆'1= ∆'0 ×16,2×

2 1

(T s 273)

r

+

= 1×16,2× = 1,1oC

Nồi 2:∆'2= ∆'0 × 16,2× = 0,17×16,2× = 0,15 oC.

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:

∆'=∆'1+∆'2=1,1+0,15= 1,25oC

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

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m2), ta có:

∆P = 21ρS.g.Hop (N/m2) Trong đó: ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3) , ρs =0,5 ρdd

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

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

⇒ Hop = [0,26+0,0014(ρdd−ρdm)].Ho

Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công thức: Ptbi= P’i + ∆Pi ( i ): nồi thứ i

Bảng 2.4 Khối lượng riêng của dung môi và dung dịch

Tra bảng I.5 – I.86 STQTTB T1 – [Tr 11 – 58]

xC,% t,oC ρdd , kg/m3 ρdm,kg/m3

Nồi I 25 115,2 1105,51 947,32

Nồi II 11,83 80,9 1047,47 970,19

ρ

2.3.3.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:

Nồi 1:∆ti1= thd1− thd2− ∑∆1= 132,9 −106,4 −(1,1+ 0,2+ 1)=24,2 oC

Nồi 2:∆ti2= thd2− tnt− ∑∆2= 106,4 − 80,9 − (0,15+ 1,72+ 1)=22,63 oCNhiệt độ sôi thực tế:

Nồi 1:∆ti1= thd1− ts1 ⇒ ts1=thd1 − ∆ti1= 132,9 − 24,2= 108,7oC

Nồi 2 : ∆ti2=thd2−ts2 ⇒ts2= thd2− ∆ti2= 106,45 − 22,63= 83,82oC

2.3.4.Cân bằng nhiệt lượng:

2.3.4.1.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

Ban đầu:Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td = 108,7 oC, x = 8%)

2.3.4.2.Nhiệt lượng riêng

• Gọi: D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)

W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)

I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2

i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)

Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)

tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch oC

θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC

Cng1,Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC

Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2(W)

• Nhiệt lượng vào gồm có:

Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1

Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2ts2

Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2

Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ

• Nhiệt mang ra gồm:

Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W1i1

Do dung dịch mang ra: (Gd−W)C1.ts1

Do hơi nước ngưng tụ: D1Cng1θ1

Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1)

Nồi 2: Hơi thứ mang ra: W2i2

Do dung dịch mang ra: (Gd-W2)C2ts2

Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2θ2

Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2-Cng2θ2)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Nồi 1: D1I1+(Gđ-W2)C2ts2=W1i1+(Gđ-W)C1ts1+D1Cng1θ1+0,05D1(I1-Cng1θ1) (1)Nồi 2: D2I2+GđCđtđ= W2i2+(Gđ-W2)C2ts2+D2Cng2θ2+0,05D(I2-Cng2θ2)(2)

Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:

W1=

Lượng hơi đốt tiêu dùng:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

3.1-Tính buồng bốc

3.1.1.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

Vận tốc hơi (ωhmax) của hơi thứ trong buồn bôc phải không qua 70-80% vận tốc lắng (ω0)

ρl, ρh: khối lượng riêng của giọt lỏng và hơi thứ (kg/m3), (80,9oC)

ρ ρ

.

3.1.2.Chiều cao buồng bốc

Chọn U’t = 1600 (m3/m3.h): cường độ bốc hơi thể tích Do dung dich sôi tạo bọt nên cường độ bốc hơi thể tích giảm còn: Ut = U’t*1,3 = 2080 (m3/m3

Do trong thiết bị có hiện tượng dung dich sôi tràn cả lên phần buồng bốc do

đó đòi hỏi thiết bị phải cao hơn tính toán

F

.

π

Chọn F = 75m2: bề mặt truyền nhiệt

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