Thiết kế thiết bị cô đặc 2 nồi

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc  - Viện công nghệ Sinh Hoc Thực Phẩm Bộ Môn : Q Trình & Thiết Bị Đồ án mơn học Q TRÌNH & THIẾT BỊ Họ & Tên SV: Nguyễn Thanh Dung Lớp : Kĩ thuật thực phẩm 1- K55 GVHD : PGS.TS Tôn Thất Minh MSSV: 20103638 Đề đồ án : Thiết kế thiết bị đặc đường mía suất 9800 kg/h , hệ hai nồi liên tục xuôi chiều Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu số liệu ban đầu) : Năng suất : 10000 kg/h Nồng độ đầu : 15% khối lượng Nồng độ cuối :60% khối lượng Nhiệt độ nước bão hòa: 130 oC Nhiệt độ thứ nồi cuối: 74oC Nội dung phần thuyết minh tính tốn : Tổng quan Thuyết minh quy trình cơng nghệ Tính tốn cân vật chất lượng Tính tốn thiết kế thiết bị Tính tốn thiết bị phụ Kết luận Các vẽ : - Bản vẽ chi tiết thiết bị : A1 - Bản vẽ sơ đồ qui trình cơng nghệ : A1 Ngày hoàn thành đồ án : 24/5/2013 Ngày bảo vệ chấm đồ án : 25/5/2013 Ngày 25 tháng 05 năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn Nhận xét: Điểm : Chữ ký : Hội đồng bảo vệ Nhận xét: Điểm : Chữ ký : Điểm tổng kết : LỜI NÓI ĐẦU Đồ án Quá trình & Thiết bị hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức học; tiếp cận với thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình & thiết bị với số liệu cụ thể Đây sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ giải vấn đề kỹ thuật tổng hợp cách nhanh chóng, phục vụ cho cơng việc sau này.Trong cơng nghệ hóa học thực phẩm có nhiều phương pháp sản suất khác ứng dụng cho trình chế biến, tùy thuộc vào loại nguyên liệu yêu cầu chất lượng sản phẩm Một phương pháp đặc: Cơ đặc q trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan khơng bay nhiệt độ sơi với mục đích: +Thu dung môi dạng nguyên chất ( cất nước ) +Làm tăng nồng độ chất tan +Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể ( kết tinh ) Với nhiệm vụ thiết kế tính tốn, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục để đặc dung dịch đường mía Với mục đích xem việc sử dụng thứ thay đốt có ý nghĩa mặt sử dụng nhiệt Em xin chân thành cảm ơn thầy Tôn Thất Minh dẫn tận tình trình em thực đồ án Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khác môn bạn giúp đỡ, cho em ý kiến tư vấn bổ ích trình hồn thành đồ án Tuy nhiên kiến thức hạn hẹp nên đồ án nhiều thiếu sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp dẫn q thầy bạn MỤC LỤC Đầu đề đồ án Lời nói đầu Mục lục Chương I: Tổng quan -7 I.1 Nhiệm vụ đồ án I.2 Tính chất nguyên liệu .7 I.2.1 Tính chất vật lý mía I.2.2 Tính chất hóa học đường mía I.3 Q trình đặc I.3.1 Định nghĩa I.3.2 Các phương pháp cô đặc I.3.3 Bản chất cô đặc nhiệt I.3.4 Ứng dụng cô đặc I.4 Thiết bị cô đặc I.4.1 Phân loại ứng dụng I.4.2 Các thiết bị chi tiết hệ thống cô đặc Chương II: Qui trình cơng nghệ 10 II.1 Cơ sở lựa chọn qui trình cơng nghệ 10 II.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ .10 Chương III: Cân vật chất cân lượng 12 III.1 Dữ kiện ban đầu 12 III.2 Cân vật chất 12 III.2.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc nồng độ thay đổi 12 III.2.2 Nồng độ cuối dung dịch nồi 12 III.2.3 Xác định nhiệt độ áp suất nồi 13 III.2.4 Xác định tổn thất nhiệt độ .14 III.2.5 Tổn thất nhiệt nồng độ 14 III.2.6 Tổng thất nhiệt áp suất thuỷ tĩnh 15 III.2.7 Tổn thất nhiệt đường ống gây 15 III.2.8 Tổn thất nhiệt độ hệ thống 15 III.2.9 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi hệ thống 15 III.3 Cân lượng 16 III.3.1 Nhiệt dung riêng 16 III.3.2 Lập phương trình cân nhiệt lượng 17 Chương IV: Kích thước thiết bị -19 IV.1 Bề mặt truyền nhiệt buồng đốt 19 IV.1.1 Tính nhiệt lượng đốt cung cấp 19 IV.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K nồi .19 IV.1.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt nồi .23 IV.2 Tính kích thước buồng đốt buồng bốc 24 IV.2.1 Buồng đốt 24 IV.2.2 Buồng bốc 26 Chương V: Tính bền khí cho thiết bị -28 V.1 Tính bền cho thân 28 V.1.1 Thân buồng đốt 28 V.1.2 Thân buồng bốc 31 V.2 Tính bền cho đáy nắp thiết bị 34 V.2.1 Nắp thiết bị 34 V.2.2 Đáy thiết bị 37 V.3 Tính bích, đệm, bulơng, vỉ ống tay treo 40 V.3.1 Tính bích 40 V.3.2 Đệm 41 V.3.3 Bulơng ghép bích 41 V.3.4 Vỉ ống 42 V.3.5 Tai treo 43 V.4 Tính kích thước ống dẫn 43 V.5 Kính quan sát .43 Chương VI: Tính thiết bị phụ -44 VI.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 44 VI.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới thiết bị ngưng tụ .44 VI.1.2 Thể tích khơng khí khí khơng ngưng cần hút khỏi Baromet 44 VI.1.3 Các kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ Baromet 45 VI.2 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu .49 VI.2.1 Yêu cầu 49 VI.2.2 Tính lượng đốt cần dùng 49 VI.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt 50 VI.2.4 Tính hệ số truyền nhiệt 52 VI.2.5 Tính diện tích truyền nhiệt 52 VI.2.6 Số ống truyền nhiệt 52 VI.2.7 Đường kính thiết bị gia nhiệt 53 VI.2.8 Kích thước thiết bị gia nhiệt nhập liệu .53 VI.3 Bồn cao vị 53 VI.4 Bơm 55 VI.4.1 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ, bơm nhập liệu nồi, bơm tháo liệu 55 VI.4.2 Bơm chân không .56 Kết luận 58 Tài liệu tham khảo -59 CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Nhiệm vụ đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía ba nồi xi chiều với u cầu cơng nghệ sau:  Năng suất theo sản phẩm: 10000 kg/h  Nồng độ đầu: 15% khối lượng  Nồng độ cuối: 60% khối lượng  Hơi thứ nồi cuối : 75oC   Nhiệt độ nước bão hòa: 130 oC I.2 Tính chất nguyên liệu: I.2.1 Khái quát Ngành cơng nghiệp mía đường ngành cơng nghiệp lâu đời nước ta nhu cầu thị trường nước ta mà lò đường với quy mô nhỏ nhiều địa phương thiết lập nhằm đáp nhu cầu nhiên, hoạt động sản xuất cách đơn lẻ, suất thấp, ngành cơng nghiệp có liên quan khơng gắn kết với gây khó khăn cho việc phát triển cộng nghiệp đường mía Trong năm qua, số tỉnh thành nước ta, ngành công nghiệp mía đường có bước nhảy vọt lớn diện tích mía tăng lên cách nhanh chóng, mía đường khơng phải ngành đơn lẻ mà trở thành hệ thống liên hiệp ngành có quan hệ chặt chẽ với mía đường vừa tạo sản phẩm đường làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo phế liệu nguyên liệu quý với giá rẻ cho ngành sản xuất rượu… I.2.1 Tính chất vật lý đường mía Thành phần chủ yếu dung dịch đường mía : nước chiếm tỷ lệ nhiều nhất( 70 – 85% ), saccaroza ( 10 – 15 % ) Saccaroza thành phần quan trọng nhất, sản phẩm cuối trình sản xuất đường Có cơng thức phân tử C12 H 22O11 cấu tạo từ hai loại đường đơn glucoza fructoza M= 342 ( đvC) Có số tính chất vật lý : -Tồn dạng tinh thể, suốt , không màu -Tỷ trọng 1,5879 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 186 – 188 oC -Độ hịa tan : tan tốt nước, độ hòa tan tăng nhiệt độ tăng Tuy nhiên dung dịch đường không tinh khiết độ hịa tan phụ thuộc vào chất khơng đường (VD: KCl, NaCl …có mặt làm độ hịa tan tăng, đường khơng kết tinh hồn tồn mà tạo mật rỉ Ngược lại có glucoza, fructoza,CaCl, MgCl … làm giảm độ hòa tan) - Độ ngọt: Do gốc OH tạo nên, dung dịch chứa nhiều đường khử( glucoza, fructoza ) I.2.2 Tính chất hóa học đường mía +Dưới tác dụng xúc tác axit, saccaroza bị thủy phân thành glucoza fructoza – q trình chuyển hóa đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào : - PH nhiệt độ dung dịch: pH thấp, nhiệt độ cao tốc độ chuyển hóa đường tăng nhanh chóng - Thời gian: thời gian lâu tạo thành đường chuyển hóa nhiều, ảnh hưởng không tốt đến sản xuất đường làm tổn thất đường, gây khó khăn cho q trình kết tinh đường + Dưới tác dụng kiềm: saccaroza có tính chất axit yếu: - Trong môi trường kiềm nhiệt độ cao kiềm đậm đặc saccaroza bị thủy phân thành alđêhyt, axeton, axit hữu tạp chất có màu vàng nâu Mơi trường có pH cang lớn saccaroza bị phân hủy nhiều - Dưới tác dụng kim loại iềm thổ, dung dịch đường biến thành sacarat, gây ảnh hưởng xấu đến sản xuất, làm tăng tổn thất đường độ nhớt dung dịch +Dưới tác dụng nhiệt độ > 200 oC saccaroza nước tạo thành chất caramen có màu từ vàng tới nâu đen Phản ứng làm tăng độ màu dung dịch đường non, đường thành phẩm, màu khó loại bỏ I.3 Q trình đặc: I.3.1 Định nghĩa: Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch hai hay nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt sơi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dể bay hơn) Đó q trình vật lý - hóa lý I.3.2 Các phương pháp đặc: Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến thiết bị làm lạnh I.3.3 Bản chất cô đặc nhiệt: Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành (trạng thái tự do) tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên ngồi Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phần tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay chủ yếu bọt khí hình thành q trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi cô đặc I.3.4 Ứng dụng cô đặc: Ứng dụng sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt nồng độ dung dịch theo yêu cầu, đưa dung dịch đến trạng thái bão hòa để kết tinh Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, dung dịch nước trái Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, muối vơ … I.4 Thiết bị cô đặc: I.4.1 Phân loại ứng dụng: a Theo cấu tạo tính chất đối tượng đặc: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hồn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s 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 bề mặt truyền nhiệt Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép… b Theo phương pháp thực q trình: Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt không cao Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sơi thấp có áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn, bay nước liên tục Cô đặc nhiều nồi: Mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên lớn q làm giảm hiệu tiết kiệm so với chi phí bỏ Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp Đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: Cho kết tốt đặc gián đoạn, tự động hóa ⇒ Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp I.4.2 Các thiết bị chi tiết hệ thống 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  Thiết bị đo điều chỉnh - Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm g ồm:  Phòng đốt  Ống truyền nhiệt  Ống tuần hoàn  Nguyên tắc hoạt động: Dung dịch phòng đốt ống đốt vào khoảng trống phía ngồi ống Khi làm việc,dungdịch ống truyền nhiệt sôi tạothành hỗn hợphơi - lỏng có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống, cịntrong ống tuần hồn thể tích dung dịch đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt, lượng tạo ống hơn, vậy, khối lượng riêng hỗn hợp hơi– lỏng lớn ống truyền nhiệt, bị đẩy xuống Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàntự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Tốc độ tuần hồn lớn tốc độ cấp nhiệt dung dịch tăng làm giảm đóng cặn bề mặt truyền nhiệt Q trình tuần hoàn tự nhiên thiết bị tiến hành liên tục nồng độ dung dịch đạt yêu cầu mở van đáy để tháo sản phẩm  Ưu nhược điểm : Ưu điểm: Thiết bị cấu tạo đơn giản , dễ sửa chữa làm s ạch , hệ số truyền nhiệt K lớn, khó bị đóng cặn bề mặt gia nhiệt nên dùng để đặc dung dịch dễ bị bẩn tắt, dung dịch tuần hòan tự nhiên giúptiết kiệm lượng Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian ống tuần hồn trung tâm bị đun nóng CHƯƠNG II QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ II.1 Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ: - Q trình đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Quá trình đặc thực áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở làm việc áp suất thấp dùng thiết bị kín đặc chân khơng có ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm nhiệt độ sơi dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng) - Cô đặc nhiều nồi trình sử dụng thứ thay cho đốt, có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Nguyên tắc trình đặc nhiều nồi tóm tắt sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch đun nóng đốt, thứ nồi đưa vào đun nồi thứ hai, thứ nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch vào nồi sang nồi kia, qua nồi bốc phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chênh lệch nhiệt độ đốt dung dịch sơi, hay nói cách khác chênh lệch áp suất đốt thứ nồi, nghĩa áp suất làm việc nồi phải giảm dần thứ nồi trước đốt nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc áp suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí - Trong loại hệ thống cô đặc nhiều nồi hệ thống đặc nhiều nồi ngược chiều sử dụng nhiều + Ưu nhược điểm hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:  Ưu điểm: từ nồi đầu đến nồi cuối nồng độ dung dịch nhiệt độ tăng nên độ nhớt không tăng mấy, kết hệ số truyền nhiệt nồi không giảm Khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc vào thiết bị ngưng tụ nhỏ xuôi chiều  Nhược điểm: hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều cần phải có bơm để vận chuyển dung dịch II.2 Sơ đồ thuyết minh quy trình cơng nghệ: II.2.1 Sơ đồ cơng nghệ: Hình vẽ bên: Sơ đồ công nghệ thiết bị cô đặc nồi xi chiều II.2.2 Thuyết minh quy trình: - Dung dịch đường mía 13% khối lượng, bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau cho qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch đường mía bên ống truyền nhiệt gia nhiệt bẳng bão hịa bên ngồi ống - Sau khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch nhập vào thiết bị cô đặc thứ I, thiết bị đặc có ống tuần hoàn trung tâm, dung dịch bên ống tuần hồn trung tâm ống truyền nhiệt, cịn đốt bão hịa bên ngồi ống, dung dịch cô đặc đến % khối lượng - Sau đó, dung dịch bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, dung dịch cô đặc đến 60% khối lượng - Hơi đốt nước bão hịa đưa vào thiết bị đặc thứ I, đốt bên ống truyền nhiệt, nước ngưng tháo bên ngoài, đồng thời ống tháo nước ngưng có bẫy để tránh đốt bên ngồi, khí khơng ngưng cho bên ngồi qua ống xả - Hơi thứ thiết bị cô đặc thứ I tận dụng để làm đốt cho thiết bị cô đặc thứ II, nước ngưng khí khơng ngưng xả bỏ ngồi thiết bị thứ I - Hơi thứ thiết bị cô đặc thứ II đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần không ngưng tụ đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần cịn lại, phần khí hút ngồi bơm chân khơng 10 Cn Suy ra: : Nhiệt dung riêng trung bình nước ứng với ttb, J/kgđộ  Cn = 4178 j/kg.độ (trang 310 [4]) Gn = 46285,2 ( kg/h) VI.1.2 Thể tích khơng khí khí khơng ngưng cần hút khỏi thiết bị ngưng tụ baromet: Lượng khơng khí cần hút khỏi thiết bị ngưng tụ: − − VI-47 [5] Gkk = 25× 10 (Gn + W2 ) + 10 W2 = 9,29.10-3 Kg/s W2 : Lượng khơng khí vào tháp ngưng tụ rị rỉ, kg/s Thể tích khơng khí cần hút khỏi thiết bị ngưng tụ: Vkk = 288Gkk (273 + t kk ) (m3/s) Png − Ph VI-49 [5] Trong đó: Png : Áp suất làm việc thiết bị ngưng tụ, N/m2 => Png = 0,379 at = 37142 N/m2 Ph: Áp suất riêng phần nước hỗn hợp (tra tkk), N/m2 Nhiệt độ khơng khí tính theo cơng thức sau (đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô): VI-50 [5] tkk = t2đ + + 0,1(t2c – t2đ) = 30 + + 0,1(69 – 30) = 37,9 oC Tra Ph = 0,068 at = 6664 N/m2 × 10 −3 ( 273+ 37,9) 288× 9,29 , − = 27,3 Suy ra: Vkk = × 10 m3/s 37142 − 6664 VI.1.3 Các kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ Baromet : a Đường kính thiết bị ngưng tụ Baromet : W2 Dba = 1,383 (m) III-36/123 [2] ρ hω h Trong đó: W2 : Lượng ngưng tu, kg/s nên W2 = 0,894 kg/s ρ : Khối lượng riêng hơi, kg/m3  = 0,2416 kg/m3 bảng I.250/312 [4] 45 ω h : Tốc độ thiết bị ngưng tụ, m/s  Chọn = 25ωm/s trang 85[5]  Dba= 0,53 m h Chọn đường kính thiết bị ngưng tụ Baromet: Dba = 0,53 m b Kích thước ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân với chiều rộng là: D ba b= + 50 = 315 mm III-37/123 [2] Chọn nươc làm ngị nươc đường kính lỗ là: d = mm t85 [5] Chọn chiều day ngăn ( ÷ 5mm ): chọn δ = mm t85 [5]  Chọn chiều cao gờ ngăn: ho = mm c Chiều cao thiết bị ngưng tụ: Mức độ đun nóng nước xác định theo công thức: t −t 69 − 30 = ,886 P = 32c 3d = t ng − t d 74 − 30 Ta có số sau: (bảng VI.7/86 [5]) chọn giá trị lớn ▪ Số bậc: ▪ Số ngăn: n = ▪ Khoảng cách ngăn: htb = 400 mm ▪ Thời gian rơi qua bậc: t = 0,41s Chiều cao thiết bị ngưng tụ tính theo cơng thức: Hba = n.htb + 0,8= 8.0,4 + 0,8 = 4(m) t85 [5] VI-56/85 [5] III-36/124 [2] Lấy theo tiêu chuẩn Hba = 4m với bảng tiêu chuẩn Tra bảng VI.8/88 [5] Bảng 18: Theo tiêu chuẩn hoá quy cách TBNT ta có kích thước Ký hiệu kích thước Ký hiệu Kích thước (mm) Đường kính thiết bị Dtr 600 Chiều dày thành thiết bị S Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a 1300 Khoảng cách từ ngăn cuối đến đáy thiết bị P 1200 Bề rộng ngăn b KC tâm TB ngưng tụ TB thu hồi K1 Chiều cao hệ thống thiết bị H 725 4550 46 Chiều rộng hệ thống thiết bị T 1400 Đường kính thiết bị thu hồi D1 400 Chiều cao thiết bị thu hồi h 1400 Khoảng cách ngăn: a1 a2 a3 a4 260 300 360 400 a5 430 -Nước vào d1 350 -Hỗn hợp khí d2 125 -Nối với ống Baromet d3 100 Đường kính cửa vào: -Hơi vào -Hỗn hợp khí vào thiết bị thu hồi -Hỗn hợp khí khỏi thiết bị thu hồi -Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet -Ống thơng khí d4 d5 d6 150 100 70 50 d7 d8 d Kích thước ống Baromet: - TBNT Baromet làm việc áp suất chân khơng 0.4812 at Do đó, để đảm bảo thiết bị làm việc bình thường, cần phải tháo hỗn hợp nước lạnh nước ngưng tụ ống Baromet - Đường kính ống Baromet tính công thức: 0.004( Gn + W2 ) (m) III-40/124 [2] d ba = πω Trong đó: Gn : Lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s => G n= 12,857 (kg/s) 47 W2 ω : Lượng ngưng tụ, kg/s => W2 = 0,89 (kg/s) : Tốc độ hỗn hợp nước lạnh nước ngưng chảy ống Baromet  Chọn Suy ra: dba = 0,19 m = 0,55 m/s (trang 86 [5]) = 190 mm Chọn đường kính ống Baromet: dba = 190 mm Chiều cao ống Baromet xác định theo công thức sau: hba = h1 + h2 + 0,5 (m) VI.58/86 [5] Trong đó: h1: Chiều cao cột nước ống Baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ: b (m) VI.59/86 [5] h1 = 10,33 760 Với b độ chân không thiết bị ngưng tụ, mmHg b = Pa – Png = 760 – 0,379.735 = 481,435 mmHg  h1 = 6,54 ( m) h2: chiều cao cột nước ống Baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống: ω2  H  III-44/126 [2] h2 = 1 + λ + ∑ ξ  (m) 2g  d  Với λ: Hệ số trở lực ma sát nước chảy ống ∑ξ : Tổng trở lực cục Chọn hệ số trở lực cục vào ống làξ = 0,5 hệ số trở lực cục khỏi ống ξ = => ∑ ξ = 1,5 Tính hệ số trở lực ma sát : có: ttb = 49,5 0C  Tra: trang 87 [5] ρ = 988,3 kg/m3 μ = 0,554.10-3 Ns/m2 Chuẩn số Re: Re = ωd ba ρ 0,55× 0,19× 988,3 = 0,554ì 10 = 186421 Chn vt liu làm ống Baromet thép CT3 – ( tính Hệ số nhám với ống dẫn nước điều kiện rò nên độ nhám ε = mm Bảng II.15/381 [4] 48 Độ nhám tương đối: ∆= ε = = 0,01 d ba 190 Theo công thức Cônacốp (Re > 100000): λ = (1.8 log Re − 1.5)  λ = 0,016 Giả sử chiều cao ống Baromet là: hba = m h2 =  0,55  + 1,5  = 0,05 1 + 0,016  2× 9,81  0,19 (m) Vậy: Suy ra: hba = 6,54 + 0,05 + 0,5 = 7,09 (m)  Nhận Vậy chiều cao ống Baromet là: hba = m Bảng 19: Thông số thiết bị ngưng tụ Baromet Lượng nước lạnh cần tưới vào TBNT Gn = 12,857 kg/s Thể tích khơng khí cần hút khỏi TBNT Vkk = 0,0273m3/s Đường kính Dba = 0,53 m Thiết bị Chiều cao Hba = m Số ngăn n=8 Khoảng cách ngăn htb = 0,4 m Số bậc K=4 Thời gian rơi qua bậc t = 0,41 s Đường kính dba = 0,19 m Ống Chiều cao hba = 7,09 m Tổng chiều cao TBNT h = 7,09 + = 11,09 m VI.2 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: VI.2.1 Yêu cầu: Năng suất nhập liệu: 10000 kg/h Nhiệt độ dung dịch vào:30 °C Nhiệt độ dung dịch ra: 83,2 °C Áp suất đốt (hơi nước bão hòa): 2,782 at Chọn loại thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch ống, đốt ống, để gia nhiệt nguyên liệu từ 30°C đến 83,2°C VI.2.2 Tính lượng đốt cần dùng: Dịng lạnh (nhập liệu): t đầu : 30 °C , t cuối : 83,2 °C Nhiệt độ trung bình: t tb = 49,5 °C 49 Dịng nóng (hơi đốt): t = 130 oC Hiệu nhiệt độ đầu vào đầu là: ∆t vao = 130 − 30 = 100 oC  o ∆t = 130 − 83,5 = 46,5 °C Hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆t log = ∆t vao − ∆t 100 − 46,5 = = ∆t vao ln 100 ln ∆t 46,5 69,9o C 3.11/177 [1] Phương trình cân lượng: D.rh (1- ϕ ) =Gđ.( Cc.tc –Cđtđ) + Qtt ϕ: độ ẩm đốt ϕ = 5% Giả sử: Qtt = 0,05Drh (1- ϕ )  0,9 Drh = Gđ(Cc.tc –Cđtđ) Lượng đốt cần dùng: G (C t − C d t d ) D= đ c c 0,9rh D= Gd C ( t c − t d ) 0.9rh (kg/s) Trong đó: C : Nhiệt dung riêng trung bình dung dịch,J/kgđộ  C = 4178 J/kgđộ (I.43, I.44, I.41/152 [4]) rh : Ẩn nhiệt ngưng tụ đốt, J/kg Tra r = 2171000 J/kg (bảng I.251/314 [4] Suy ra: D= 1138 (kg/h) =0,316 (kg/s) VI.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt: a Tính nhiệt tải riêng trung bình: Giả thiết q trình liên tục ổn định Tính hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ: r (W/m2độ) V.101/28 [5] α = 2.04A ∆t1H Trong đó: H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m  Chọn H = m Δt1: Hiệu số nhiệt độ thành ngưng tụ, oC Chọn ∆t = o3C 50 => tw1 = t1 – ∆t1 = 130 – 3=127 oC => tm = 0,5(tw1 + t1) = 0,5(127 + 130) = 128,5 oC Tra A = 190 r: Ẩn nhiệt ngưng tụ đốt, j/kg (1) Tra r = 2180069,2 J/kg Suy : α = 9516,2 W/m2độ Nhiệt tải riêng đốt cấp cho thành thiết bị: q1 = α1 ∆t1 = 28548,6 W/m2 Nhiệt tải riêng thành thiết bị: 1 λ (tw1 − tw2 ) = ( + + )(tw1 − tw2 ) ∑r rcáu1 δ rcáu q= Trong đó: rc1 : Nhiệt trở cặn bẩn phía đốt rc2 => rc1 = 0,252.10-3 m2độ/W : Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch => rc2 = 0,387.10-3 m2độ/W δV : Nhiệt trở thành thiết bị, m2độ/W λ  Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt thép khơng rỉ X18H10T có hệ số dẫn nhiệt là: = 16,3 W/m.độ [ T313/ qII]  Chọn bề dày thành ống là: δ v = mm ∑ r = ( rc + δV -4 + rc ) = 7×10 ( (m2độ/W.) λ  Xem mát nhiệt không đáng kể: q = q1 = q2 tw2 = tw1 – q1 ∑ r = 127- 28548,6 ×7×10-4 = 107,02 oC  ∆t2 = tw2 – ttb = 107,02 – 49,5= 57,52 oC *Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch: Có: Re = [V.36 ; II - 17] , Có Re< 2300 nên tính theo cơng thức Cấp nhiệt dịng chảy cưỡng theo chế độ chảy dòng: Pr Nu = 0,15ε1 Re0.33 Pr0.43 Gr0.1  t   Pr  Mặt khác: Nu = 0.25 V.45/17[5] α 2d λ 51 Pr 0,15ε1 Re0.33 Pr0.43 Gr0.1  t   Pr  ⇒ α2 = d 0.25 λ (W/m2độ) Trong đó: d : Đường kính ống truyền nhiệt (m)  Chọn d = 0,057 m λ : Hệ số dẫn nhiệt chất lỏng (W/mđộ)  Tra λ = 0,607(W/m.độ) Bảng I.130/135 [4] Re = vdρ µ Cµ Pr = λ Gr = gd3ρ 2β ∆t2 µ3 trang 17 [5] Với: v β [II] ε : Vận tốc dòng chảy, m/s  Chọn v = 0,01 m/s : Hệ số dãn nở thể tích, 1/độ  β= 52.10-5 0C-1bảng I.235/285 : Hệ số hiệu chỉnh ε1 = 1,0 bảng V.2 /15 [II] Các thông số vật lý tính theo nhiệt độ mặt tường tiếp xúc với dịng t w2 cho Prt nhiệt độ trung bình ttb dòng cho chuẩn số khác Bảng 20: Các thơng số tra tính tốn ρ µ λ C Pr (kg/m3) (j/kgđộ) ( Ns/m2) (W/m2độ) ttb = 49,5 0C 988,3 4178 0,000552 0,646 3,57 tw2 = 107,03 0C 953,22 4229,4 0,000266 0,6817 1,65 Suy ra: Re = 1020,5  11 Gr = 3,77 × 10 α = 473,5 W/m2độ Vậy: Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi: q2 = α 2∆t2 = 27234W/m2 Kiểm tra sai số: ∆q = − 28548,6 q − q1 × 100% = 27234 = 4,82 % < 5% q2 27234 52 Nhiệt tải trung bình: qtb = q1 + q = 27234, + 28548,6 = 27891,3 W/m2 VI.2.4 Tính hệ số truyền nhiệt: K= qtb = 27891,3 ∆t tb 69,9 = 399,02 W/m độ VI.2.5 Tính diện tích truyền nhiệt: F= (1 − ε )(1 − ϕ ) rD = (1 − 0,1)(1 − 0,05) 2180069× 0,23 Q , = K∆t tb K∆t tb 392,76 × 71,0 = 24,4 m2 Chọn F = 25 m2 VI.2.6 Số ống truyền nhiệt: n= F = 25 = 94, πdH π × 0,042× III-25/121 d đường kính ngồi ống truyền nhiệt: 0,042 H chiều cao ống truyền nhiệt: 2(m) Chọn theo bảng V.II/ T48/[II] có 127 ống Chọn loại ống chùm bố trí ống hình lục giác đều: Số hình lục giác : hình Số ống đường xuyên hình tâm hình cạnh Tổng số ống truyền nhiệt : 127 ống : 13 ống VI.2.7 Đường kính thiết bị gia nhiệt: Đường kính thiết bị gia nhiệt tính theo cơng thức sau: Dt = t(b – 1) + 4d (m) III-29/122 [2] Trong đó: d : Đường kính ngồi ống truyền nhiệt 0,042m, t : Bước ống, m  Chọn t = 0.07 m 53 b : Số ống đường chéo hình lục giác đều, ống b = 1+ Suy ra: ( n − 1) = 13 ống Dt = 1,008 (m) Chọn đường kính chuẩn cho thiết bị gia nhiệt là: Dt = m VI.2.8 Kích thước thiết bị gia nhiệt nhập liệu: H = 2000 mm  = D t 1000 d n = 42mm  = d t 38mm n = 127 mm VI.3 Bồn cao vị: - Bồn cao vị đặt độ cao cho thắng trở lực đường ống - Phương trình Bernoulli cho mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) mặt cắt – (mặt thoáng chất lỏng buồng bốc) Z1 + P1 v12 P v2  l v + = Z2 + + +  λ + ∑ ξ  ρg 2g ρg 2g  D  2g Trong đó: v1 = v2 = v (m/s) P1 = at P2 = 0,5 at ρ : Khối lượng riêng dung dịch nhập liệu 30°C, kg/m3 Tra ρ = 1048,31 kg/m3 µ : Độ nhớt dung dịch 30°C, Ns/m2 µ = 1,504 10-3 Ns/m2 (bảng I.101/91 [II]) Z1 : Chiều cao từ bồn cao vị xuống đất, m Z2 : Chiều cao từ mặt thoáng chất lỏng buồng bốc xuống đất, m h1-2 : Tổng tổn thất áp suất, m * Xác định hệ số ma sát ống: Chọn đường kính ống dẫn: dhút = dđẩy = d = 40 mm chảy ống: 54 v= 4Q = 4× 9800 πd t 3600× 1048,.× π × 0,04 = 2,07m/s Chuẩn số Reynolds: Re = ,0 ×0,04×1048,3157712,26 vd t = = 1,504ì 10 Chn vt liệu làm ống thép không gỉ X18H10T  Độ nhám ε = 0,2 mm d  Re gh = 6 t  ε  8/ d  Re n = 220 t  ε    = 6 40   0.2  9/8 8/ = 2558,0  40  = 220   0.2  9/8 = 85326 II.60/378 [II] II.62/379[II] Vì Regh < Re < Ren Nên hệ số ma sát: Bảng II-13/379 [I]: =0,0475 �= + Chọn chiều dài ống: L = 10 m + Hệ số cục miệng ống vào: ζvào = 0,5 + Hệ số cục miệng ống ra: ζra = + Hệ số cục co 90o: ζco = 0,9 + Hệ số cục van: ζvan = 0,2 Tổng hệ số tổn thất cục bộ: ∑ ξ = ξ vao + 3ξ co90 + ξ van + ξ = 0,5 + 3× 0,9 + 0,2 + = 4,4 Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến cửa nhập liệu nồi I: L = 10 m Tổn thất áp suất đường ống dẫn: h1−2 =  v  λ l + ∑ ξ  = 2,07  10 +    0,0475 4,4  = 3,55 m  2× 9,81   2g  d 0,04 Chiều cao từ cửa nhập liệu nồi I đến mặt thoáng bồn cao vị: 55 H = Z1 − Z = (P2 − P1 )9,81× 10 + (v22 − v12 )+ ρg (0,5 − 1) 9.81× 10 + ( Suy ra: H =1048,3 × 9,81 2g h1−2 2,072 − 0)+ = 3,55 , 2× 9,81 (m) m Vậy cần đặt bồn cao vị cao cửa nhập liệu nồi I khoảng m VI.4 Bơm: VI.4.2 Bơm chân không: * Công suất bơm tiêu hao:  V KK k  P N= × × Pkk  η ck k −  P1     k −1 k   − 1 (W)   III.3/119 [7] k = 1,2 – 1,62 Chỉ số đa biến Chọn k = 1,5 Áp suất tính tốn đầu hút bơm Chọn Pkk = Png - Ph = 0,1757 at = 5071,77 N/m2 P1 = Png =0,3795 at P2 = at = 98100 N/m2: Áp suất sau nén; lấy theo áp suất khí VKK = 0,0273 m3/s thể tích khơng khí cần hút η ck = 0.9 Hiệu suất khí bơm chân khơng kiểu pittong 1.5     1.5  0,0273 , 1,5 × 5071,77 ×  − 1 = 1762  N= , × W 0,9 1,5 −  0,379   * Chọn bơmchân không: Theo bảng 6.2 T176 - Loại bơm chân khơng vịng nước - Cơng suất N= 3,75 kW - Số vòng quay n = 1450 vịng/ph - Cơng suất động cơ: 4,5 KW - Lưu lượng nước: 0,01 m3/h 56 KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án, ta rút nhận xét sau:  Hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều vận hành tiết kiệm đốt tận dụng lượng thứ nồi trước cấp nhiệt cho nồi sau  Khi thiết kế ta nên thiết kế cho có đồng thiết bị cô đặc, nhằm tạo thuận tiện thay sửa chữa  Thiết bị có cấu tạo đơn giản, hoạt động ổn định, nên ta thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ thống thiết bị  Bên cạnh đó, với thiết bị có ống tuần hồn trung tâm, chiều cao buồng đốt lớn gây khó khăn cho việc đối lưu tự nhiên dung dịch 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Văn Bơn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, “ Quá trình & Thiết bị CNHH – Tập – Quá trình Thiết bị Truyền nhiệt”, NXB Đại Học Quốc gia TpHCM, 9/2004, 424 tr [1] Phạm Văn Thơm, “Sổ tay thiết kế hóa chất thực phẩm”, Bộ Giáo dục Đào tạo, 1992, 275 tr [2] Phạm Văn Bơn, “Q trình & Thiết bị CNHH – Bài tập Truyền nhiệt”, Trường Đại học Bách Khoa TpHCM, 9/2004, 52 tr [3] Nhiều tác giả, “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập I”, NXB Khoa học Kỹ thuật, 10/2005, 632 tr [4] 58 Nhiều tác giả, “Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập II”, NXB Khoa học Kỹ thuật, 10/2005, 448 tr [5] Hồ Lệ Viên, “Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hố chất”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Q III/2006, 240 tr [6] [7] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – Vũ Bá Minh, “Quá trình & Thiết bị CNHH – Tập – Quyển – Phân riêng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén”, NXB Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 242 tr [8] Tập thể giảng viên mơn Cơ Lưu Chất, “Giáo trình lưu chất”, Trường Đại học Bách Khoa TpHCM, 2003, 239tr 59 ... nhiệt nồi: Ta có: F= Q K ∆t∗i (m2) III -21 /117 [2] Bảng 14: Diện tích bề mặt truyền nhiệt Nồi I Q(w) 28 84,175 K(W/m2 độ) 934,46 ∆ti* 23 ,28 F(m2) 1 32, 57 22 Nồi II 1909911 7717,43 Chọn F = 125 m2 20 ,08... thực nồi Q K Q (kW) (W/m độ) K Nồi I 28 84,175 934,46 3086,46 Nồi II 1909,91 717,43 26 62, 16 m m ∑ ∆ ti ∑ QK i i III -20 /117 [2] ∗ Δti ( C) 23 ,28 20 ,08 o ∆ ti (oC) 22 ,73 20 ,63 ∆ (∆ ti) (oC) 2, 36% 2, 74%... xả - Hơi thứ thiết bị cô đặc thứ I tận dụng để làm đốt cho thiết bị cô đặc thứ II, nước ngưng khí khơng ngưng xả bỏ thiết bị thứ I - Hơi thứ thiết bị cô đặc thứ II đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet,