thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp etanol nước 1200kg nhập liệuh (2)

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về quá trình cô đặc và cô đặc đường, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Đ ÔI NÉT VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP MÍA ĐƯỜNG 4

1.2 N GUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ĐƯỜNG 5

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu 5

1.2.2 Đặc điểm sản phẩm 5

1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc 5

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 5

1.3 Cô đặc và quá trình cô đặc 6

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt 7

1.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục 8

1.4.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc 8

1.4.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng 8

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 N GUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI LIÊN TỤC 10

2.2 N GUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM 10

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

3.1 D Ữ KIỆN BAN ĐẦU 11

3.2 C ÂN BẰNG VẬT CHẤT 11

3.3 C ÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 11

3.3.1 Chế độ nhiệt độ 11

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ 12

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng 16

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc 18

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 19

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 20

4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 ) 20

4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 ) 20

4.3 Nhiệt tải riêng phía tường ( q v ) 24

4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng 25

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 26

4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 26

CHƯƠNG 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 28

5.1 T ÍNH BUỒNG ĐỐT 28

5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị 28

5.1.2 Thể tích dung dịch cuối 28

5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt 28

5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 30

5.1.5 Tổng kết 31

5.2.2 Chiều cao buồng bốc 33

5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 34

5.3 T ÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU , THÁO LIỆU 34

5.3.1 Ống nhập liệu 35

5.3.2 Ống tháo liệu 35

5.3.3 Ống dẫn hơi đốt 35

5.3.4 Ống dẫn hơi thứ 36

5.3.5 Ống dẫn nước ngưng 36

5.3.6 Ống xả khí không ngưng 36

5.3.7 Tổng kết về đường kính ống 37

6.1 T ÍNH CHO BUỒNG ĐỐT 38

6.1.1 Sơ lược về cấu tạo 38

6.1.2 Tính toán 38

6.1.3 Tính bền cho các lỗ 40

6.2 T ÍNH CHO BUỒNG BỐC 40

6.2.1 Sơ lược cấu tạo 40

6.2.2 Tính toán 40

6.3 T ÍNH CHO ĐÁY THIẾT BỊ 44

6.3.1 Sơ lược về cấu tạo 44

6.3.2 Tính toán 44

6.3.3 Tính bền cho các lỗ 49

6.4 T ÍNH NẮP THIẾT BỊ 50

6.4.1 Sơ lược cấu tạo 50

6.4.2 Tính toán 50

6.4.3 Tính bền cho các lỗ 52

6.5 T ÍNH MẶT BÍCH 52

6.5.1 Sơ lược về cấu tạo 52

6.5.2 Chọn mặt bích 53

6.6 T ÍNH VỈ ỐNG 55

6.6.1 Sơ lược cấu tạo 55

6.6.2 Tính toán 55

6.7 T ÍNH TAI TREO CHÂN ĐỠ 57

6.7.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ 57

6.7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 57

6.7.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 61

6.7.4 Tổng khối lượng 61

CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 65

7.1 T ÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 65

7.1.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ 65

7.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 65

7.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet 66

7.2 T ÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 69

7.2.1 Bơm chân không 69

7.2.2 Chọn bơm chân không 70

LỜI KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án

Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và

thiết bị của công nghệ 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 số liệu cụ thể, thông dụng

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

sản phẩm 800 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS

Tiền Tiến Nam, bộ môn Quá trình và Thiết bị CHHH-SH-TP – khoa Công

nghệ Hóa Học 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

quá trình cô đặc và cô đặc đường, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật

chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị

chính và những 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 bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu

đối với một kỹ sư công nghệ hóa học Do đó để trở thành một người kỹ sư

thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình và thiết bị

trong Công nghệ Hóa học Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay

thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây 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 bộ môn Quá trình và thiết bị và những người bạn đã tận tình giúp đỡ,

hướng dẫn em trong 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 nguồn động 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!

Sinh viên thực hiện

Trang Nguyễn Duy Linh

Chương 1 TỔNG QUAN 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 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…

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 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 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

Bảng 1.1 Số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn)

1.2 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc 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 bay hơi trong quá trình cô đặc

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít

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

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

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

 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 hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung 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 dụng lên 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 độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

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 cấp nhiệt 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 cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng 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 nước trái 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 là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền

với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu nó đòi hỏi phải có những thiết

bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt

Theo cấu tạo:

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

dung dịch 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 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 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung 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 sôi tạo bọt khí khó vỡ

 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

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 cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao

Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100℃ Dung

dịch 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

dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu

sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch 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 hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng 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 đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp

và không tiếp xúc oxy

Ưu điểm:

 Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị

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

 Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch

Nhược điểm:

 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

Thiết bị chính

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…

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

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 đun nóng đến nhiệt độ sôi

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

Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn 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 ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống

Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi – lỏng còn gọi là buồng bốc Trong buồng bốc có bộ phận tách giọt dùng để 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 dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên

và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên

Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ 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 sung thêm một lượng dung dịch vào thiết bị

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Dữ kiện ban đầu

 Dung tích đường mía

 Nồng độ nhập liệu xđ = 12% (khối lượng)

 Nồng độ sản phẩm xc = 20% (khối lượng)

 Năng suất nhập liệu Gc = 800 kg/h

 Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,7 at

 Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,7 = 0,3 at

 Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 2,0 at

Vậy Pdư = 2,0at

 Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,0 = 3,0 at

 Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC

3.2 Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (G c )

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:

Gđ = Gc + W

 W = Gđ – Gc = 1333.33-800 = 533.33 (kg/h)

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Chế độ nhiệt độ

 Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3 at Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình

và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 315, ta có nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC

 Tính áp suất hơi thứ trong buồng bốc:

Gọi ∆’” là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, chọn

∆’” = 1oC

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(P0)

 tsdm (P0) = ∆’” + tc = 1 + tcTrong đó:

tc: nhiệt độ hơi thứ trong TBTN baromet

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

(Theo Bài tập truyền nhiệt – Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm, trang 117)

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

Ở áp suất thự trên chân không kế tại thiết bị ngưng tụ Pc = 0,3 at thì nhiệt độ hơi thứ trong TBNT baromet tc = 68,9 oC

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

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

f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển

𝑓 = 16,2.𝑇

2

𝑟(Theo công thức VI – 11, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 59)

T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, oK

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

Tra bảng VI – 1, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 59:

Theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất:

 Theo công thức VI – 12, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 60:

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc là:

𝑃𝑡𝑏 = 𝑃0+ (ℎ1+ ℎ2

2) 𝜌𝑑𝑑𝑠 𝑔 (N/m2) Trong đó:

P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt 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 của ống truyền nhiệt, m

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

Theo công nội suy (1) suy ra yc = 75,15

 ttb = 75,15oC _nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch ứng với Ptb

 Theo công thức sách Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển

1, trang 296, ta có:

∆” = tsdd.(Po + ∆P) – tsdd.(Po)

 ∆” = ttb(Ptb) – ttsdd(P0) (2)

Theo trên, ∆’ = 0,34oC mà ∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) (công thức sách Quá trình

và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296)

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆t hi )

∆tch = tD – tc =132,9 – 68,9 = 64,0 oC Chênh lệch nhiêt độ hữu ích:

∆thi = ∆tch - ∑∆ = 64,0 – 6,25 = 57,75 oC (Các công thức lấy từ Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập

2, trang 67, 68)

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (Q D )

Theo công thức VI-3, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập

2, trang 57, ta có:

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (3)

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) (4)

Trong đó:

 Gđ = 1333,33 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:

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm

_ Ở nồng độ 12%, tra theo đồ thị hình VI-2, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 60:

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

Qbh = W r = 533,33 2333,78.103 = 1,2445.109 (J/h)(6)

Trong đó:

 W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 533,33 kg/h

 r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,3164 at, J/kg

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

Gọi:

B(xB, yB) = (0,40; 2320)

C(xC, yC) = ( 0,3164; yC)

Theo công thức nội suy (1), ta suy yc = 2333,38

 r = 2333,78.103 J/kg

Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q kn )

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4, trang 57:

Qkn = Qđht− QchtTrong đó:

Qđht: nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W

Qcht: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc,

 (1 – 0,005) QD = 1,45057.109

 QD = 1,52692.109 (J/h)

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 1,52692.10 9 J/h

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức 5.22a, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295 :

𝑄𝐷 = 𝐷 (1 − 𝜑) (𝑖𝐷′′− 𝑐𝜃), W

Do không có quá lạnh sau khi ngưng tụ nên

𝑖𝐷′′− 𝑐𝜃 = 𝑟 Trong đó :

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3 at, r = 2171.103 J/kg (tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 315)

QD = 1,52692.109 J/h

φ : độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn 𝜑 = 0,005 theo Quá trình và thiết

bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295

 𝐷 = 𝑄𝐷

(1−𝜑).𝑟 = 1,52692.109

(1−0,05).2171.10 3 = 739,66 (kg/h)

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập5, quyển 1, trang 295 :

𝑑 = 𝐷

739,66533,33= 1,387 (

kg hơi đốt

kg hơi thứ) Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,387 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)

Chương 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 )

Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 28:

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 2m A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

𝑡𝑚 =𝑡𝐷+ 𝑡𝑉1

2Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

A: tra ở Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 29

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, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 71:

 𝛼𝑛: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập

2, trang 26:

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

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

 µdd: độ nhớt của dung dịch, N.s/m2

 µn: độ nhớt của nước, N.s/m2

 φdd: khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

 φn: khối lượng riêng của nước, kg/m3

 λdd: độ dẫn điện dung dịch, W/m.K

 λn: độ dẫn điện nước, W/m.K

Bảng 4.1.Số liệu theo nồng độ của dung dịch

ρ d

d

μ d d

μ n

C d

d

C

n

λ d d

λ n

1

2

%

980,

9

1048,3

1

0,902

4 10- 3

0,439 10-

3

3915,4

7

418

3

0,213

4

66,2 10-

9

1082,8

7

0,685 10-

3

0,439 10-

3

3807,4

2

418

3

0,216

7

66,2 10- 2

9

1065,3

4

0,7937 10-

3

0,439 10-

3

3861,4

5

418

3

0,215

1

66,2

10- 2

Ghi chú:

 Các thông số của dung dịch:

 φdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59,60

t: nhiệt độ của dung dịch, 0C

Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104:

r1: nhiệt trở màng nước, m2.độ/W

r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn dày 0,5 mm, m2.độ/W

δ: bề dày ống, δ =( do –dtr)/2 = (57 -50)/2 =3,5 mm (chọn ống có kích thước d57/50)

A: hệ số dẫn nhiệt của ống

λ= 17,5 W/m.độ ( với ống là thép không gỉ_ tra bảng 28, Bài tập và Ví

dụ tập 10, trang 417)

 tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, 0C

Tra ở bảng 31, Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 419, ta có:

4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

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

4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo chương 3, nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD = 1,52692.109 J/h,

thi = 57,75 0C

Đổi QD = 1,52692.109 J/h = 424144,44 W

Theo công thức 5.22b, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 279:

2

Chọn F = 10 m2 theo dãy chuẩn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 276

Chương 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

3

Trong đó:

Gđ = 1333,33 kg/h : khối lượng dung dịch nhập liệu

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

xđ= 12% => 𝜌đ = 1048,31 kg/m3 ( tra bảng I.86, Sổ tay Quá trình và thiết

bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 58)

3

Trong đó:

Gc = 800 kg/h: khối lượng dung dịch cuối

𝜌c: khối lượng riêng dụng dịch cuối, kg/m3

xc= 20% => 𝜌c = 1082,87 kg/ m3 ( tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59)

 Đường kính ống tuần hoàn:

Chọn theo kinh nghiệm từ 1/4 đến 1/8 lần đường kính vỏ buồng đốt ( theo Giáo trình Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 274)

𝑑𝑡ℎ =1

4 𝐷𝑑 =

1

4 400 = 150 𝑚𝑚 Theo dãy chuẩn thì ta chọn dth = 159 mm

 Hd= 1,5 m : chiều cao buồng đốt

 Số ống truyền nhiệt cần thiết là:

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

F= 10 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

m: số ống trên đường chéo

do= 38 mm :đường kính ngoài ống truyền nhiệt

 𝑚 = 𝐷𝑑− 4 𝑑0

600 − 4.3253,2 + 1 = 9,87 ≈ 10 Chọn m = 10 ống

Theo công thức 3.87, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 218:

Tổng số ống trong thiết bị là:

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

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:

5.1.5 Tổng kết

Vậy:

Số ống truyền nhiệt là 59 ống có kích thước d32/38 mm

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

Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 600mm

Chiều cao buồng đốt Hd= 2m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 10m2

Chiều cao đáy nón Hnon = 544 mm

3⁄ 𝑠

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h)

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,3164at

Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1, trang 314:

ρ”= ρh = 0,1917 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi

ωhơi không quá 70-80% ωo, chọn: ωhơi < 80% ωo

Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 1 m

 Kiểm tra lại Re:

𝑅𝑒 = 3,92

12 = 3,92 (𝑡ℎỏ𝑎 𝑚ã𝑛 0,2 < 𝑅𝑒 < 500) Vậy đường kính buồng bốc Db = 1000 mm

5.2.2 Chiều cao buồng bốc

Theo công thức VI.34, Sổ tay tập 2, trang 72: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:

𝐻𝐾𝐺𝐻 =4 𝑉𝐾𝐺𝐻

𝜋 Db 2 , 𝑚 Trong đó:

Db: đường kính buồng bốc, m

VKGH: thể tích không gian hơi, m3

Công thức VI.32, sổ tay tập 2, trang 71:

𝑉𝐾𝐺𝐻 = 𝑊

𝜌ℎ 𝑈𝑡𝑡, 𝑚

3

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h

ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,3164 at, kg/m3

ρh = 0,1917 kg/m3

Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi ( thể tích nước bay hơi trên 1 đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời

Utt = f Utt_(1at)Với:

f = 1,0: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, Sổ tay tập 2, trang 72)

Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at, m3/m3.h

Theo Sổ tay tập 2, trang 72, chọn Utt_(1 at) = 1600 m3/m3.h

HKGH = 2,2 m = HbVậy chiều cao buồng bốc Hb = 2,2 m

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:

5.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu

Theo Sổ tay tập 2, trang 74, đường kính các ống được tính theo công thức sau đây:

𝑑 = √ 𝟒 𝑮

𝝅 𝝎 𝝆 , 𝑚 Trong đó:

G: lưu lượng lưu chất, kg/s

ω = 1m/s ( chọn theo sổ tay tập 2, trang 74)

ρc = 1082,87 kg/m3 (tra theo xc=20% bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59)

5.3.3 Ống dẫn hơi đốt

D = 739,66 kg/h = 0,2055 kg/s

ω = 40 m/s ( chọn theo sổ tay tập 2, trang 74_hơi bão hòa)

PD = 3at  ρD = 1,618 kg/m3( tra theo bảng I.251 sổ tay tập 1, trang 315)

ω = 20 m/s ( chọn theo hơi quá nhiệt, Sổ tay tập 2, trang 74)

P0 = 0,3164 at  ρhoi thu = 0,1979 kg/m3 ( tra theo bảng I.250, Sổ tay tập