Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc ba nồi cho dung dịch đường mía

Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi năng suất 5500kgh cho dung dịch đường mía nồng độ ban đầu 8% đến 40% các thông số khác tham khảo tài liệu bên ngoài Chọn quy trình: Dựa vào yêu cầu và tính chất của nguyên liệu chọn thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều, buồng đốt trong, dung dịch đối lưu tự nhiên. Nguyên nhân chọn:  Trong thực tế khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng độ khá đặc thì người ta dùng các hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng: hệ xuôi chiều và hề ngược chiều.  Hệ nhiều nồi xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vì nhiệt độ cao (trong trường hợp này là dung dịch đường) vì trong hệ xuôi chiều các nồi đầu có p và t cao hơn các nồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất (Hình 1).

ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I Giới thiệu Ngành cơng nghiệp mía đường ngành cơng nghiệp lâu đời nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta mà lị đường với quy mơ nhỏ nhiều địa phương thiết lập nhằm đáp nhu cầu Tuy 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 cơng nghiệp đường mía Việt Nam quốc gia có truyền thống sản xuất đường mía từ lâu đời Cùng với phát triển ngành đường giới, nghề làm đường thủ công nước ta phát triển mạnh Trong thời kỳ Pháp thuộc, ngành đường nước ta phát triển cách chậm chạp, sản xuất thủ công chủ yếu Lúc ta có nhà máy đường đại: Hiệp Hịa (miền nam) Tuy Hòa (miền trung) Theo thống kê năm 1939 toàn lượng đường mật tiêu thụ 100.000 Sau ngày hịa bình lập lại, lãnh đạo Đảng, lịng nhiệt tình lao động nhân dân ta cộng với giúp đở nước XHCN ngành đường nước ta ngày bắt đầu phát triển Trong năm 1958 – 1960, xây dựng nhà máy đường đại Việt Trì Sơng Lam (350 mía/ngày) nhà máy đường Vạn Điểm (1.000 mía/ngày) Khi đất nước thống nhất, tiếp tục xây dựng thêm số nhà máy đường đại miền Nam như: nhà máy đường Quảng Ngãi (1.500 mía/ngày), Hiệp Hịa (1.500 mía/ngày), nhà máy đường Phan Rang (350 mía/ngày), nhà máy đường tinh luyện Khánh Hội (150 mía/ngày) Biên Hịa (200 mía/ngày), gần ta xây dưng thêm nhà máy đường mới: La Ngà (2.000 mía/ngày), Lam Sơn (1.500 mía/ngày) Theo báo cáo từ Hiệp hội Mía đường Việt Nam, niên vụ 2018/2019, nước có 36 nhà máy đường (NMĐ) hoạt động Trong đó, 11 NMĐ miền Bắc, 14 NMĐ miền Trung – Tây Nguyên, NMĐ Đông Nam Bộ Đồng sông Cửu Long Trong năm qua, số tỉnh thành nước ta, ngành cơng 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, acid lactic… Trong tương lai, khả phát triển có quan tâm đầu tư tốt cho mía với nâng cao khả chế biến tiêu thụ sản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên mía, độ đường giảm nhiều nhanh chóng thu hoạch trễ khơng chế biến kịp thời Vì tính quan trọng việc chế biến, vấn đề quan trọng đặt hiệu sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … với phát triển ạt diện tích mía, khả đáp ứng khó Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, cạnh tranh nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ ảnh hưởng mạnh đến trình sản xuất Vì tất lý trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu trình cần thiết cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ Trong đó, cải tiến thiết bị đặc yếu tố quan trọng không hệ thống sản xuất thành phần khơng thể xem thường Hình 1: Diện tích sản lượng mía việt nam qua năm II Nguyên liệu sản phẩm Đặc điểm nguyên liệu sản phẩm sau đặc Quy trình sản xuất đường từ mía gồm giai đoạn chính: thu nhận nước mía  làm nước mía cơ đặc nước mía  nấu đường kết tinh  ly tâm  sấy đóng gói bảo quản đường Nguyên liệu cho cơng đoạn đặc đường saccharose nước mía làm sạch, loại bỏ tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi Sau cơng đoạn làm nước mía có pH khoảng 6,5- 6,8 Dung dịch đường gồm:  Dung mơi: nước  Các chất hịa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng thấp (xem không có) chiếm chủ yếu đường saccarose (8%) Các cấu tử xem không bay trình đặc Sản phẩm sau đặc dạng dung dịch:  Dung mơi: nước  Các chất hịa tan: saccarose có nồng độ cao (40%) Một số biến đổi ngun liệu q trình đặc Trong q trình đặc, mục đích chủ yếu bốc nước cô đặc dung dịch, nhiên, xảy nhiều phản ứng hóa học hóa lý dẫn đến thay đổi thành phần đặc tính chất tan Nước ngưng tụ hệ cô đặc nhiều nơi nước nguyên chất mà chứa đường chất phi đường Sự có mặt đường nước dẫn đến ăn mịn nồi hơi, phải thường xun kiểm tra nước ngưng tụ để tránh ăn mòn nồi Mặt khác, tác dụng nhiệt độ, xảy phân hủy đường chất không đường a) Biến đổi tính chất vật lý: - Hệ số dẫn nhiệt dung dịch dd , cấp nhiệt α q trình đặc giảm: dd giảm từ 3,38-0,29 W/mK - Nhiệt dung riêng c giảm trình cô đặc, c đại lượng đo khả hấp thụ nhiệt vật - Khối lượng riêng dung dịch ρ tăng q trình đặc, ρ dung dịch đặc tính mật độ dung dịch - Độ nhớt μ tăng q trình đặc làm tăng nồng độ dung dịch đường, μ hệ số đại diện cho ma sát dung dịch đường - Tổn thất nhiệt nồng độ tăng theo q trình đặc b) Biến đổi tính chất hóa học: - Sự thay đổi pH môi trường giảm pH phản ứng phân hủy amit cấu tử tạo thành acid - Ở ta sử dụng nước bình thường làm dung mơi nên nước cịn ion Ca2+ hịa tan q trình đặc từ nồng độ thấp lên nồng độ cao làm phân hủy muối hữu tạo kết tủa làm đóng cặn - Saccarose nóng chảy phân hủy nhiệt độ 186oC để tạo caramen hóa đường làm biến đổi màu dung dịch tạo tác dụng tương hỗ sản phẩm phân hủy amino acid, nhiên mơi trường < pH < phản ứng caramel xảy nhiệt độ lớn 130oC - Trong suốt trình xảy phân hủy chất cô đặc phân hủy số vitamin dung dịch đường c) Biến đổi sinh học: - Ở nhiệt độ cao có khả tiêu diệt vi sinh vật - Ở nồng độ 40% hạn chế phần hoạt động vi sinh vật, làm biến đổi tính chất sản phẩm III Cơ đặc q trình đặc Cơ đặc q trình làm tăng nồng độ chất tan dung dịch cách làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay nhiệt độ sơi Trong q trình đặc, tiêu hao lượng nhiều đồng thời sản sinh lượng lớn thứ Hơi thứ có nhiệt độ cao làm nguồn nhiệt cho công đoạn khác nấu đường, làm sử dụng Do cơng đoạn bốc trung tâm hệ thống nhiệt cung cấp cho toàn nhà máy, trạm cung cấp áp lực thấp Có phương án bốc hợp lý giảm tiêu hao lượng giảm giá thành sản phẩm Truyền nhiệt q trình đặc thực trực tiếp gián tiếp, truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lị cho tiếp xúc với dung dịch, truyền nhiệt gián tiếp thường dùng bão hịa để đốt nóng Q trình đặc thực áp suất khác nhau, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở, làm việc áp suất khác (chân khơng áp suất dư) dùng thiết bị kín Q trình đặc tiến hành liên tục hay gián đoạn thiết bị nồi nhiều nồi Khi cô đặc nồi, muốn sử dụng thứ để đốt nóng lại phải nén thứ đến áp suất đốt (gọi thiết bị có bơm nhiệt) Khi đặc nhiều nồi dung dịch từ nồi sang nồi kia, thứ nồi trước làm đốt cho nồi sau IV Phân loại cấu tạo thiết bị đặc Phân loại Có nhiều cách phân loại khác tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo có loại chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên) + Loại 1: Có buồng đốt (đồng trục với buồng bốc); có ống tuần hồn hay ống tuần hồn ngồi + Loại 2: Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục với buồng bốc) - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hồn ngồi + Loại 4: Có buồng đốt ngồi, có ống tuần hồn ngồi - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có buồng đốt hay ngồi + Loại 6: Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi  Trong đó: TBCĐ nhóm chủ yếu dùng để đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn tự nhiên dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Tỉ số chiều dài ống H/d 50 Đặc biệt loại ống ngắn H/d < 30 Thiết bị đặc 2.1 Thiết bị  Thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm, ống truyền nhiệt  Buồng đốt, buồng bốc, nắp…  Ống: khí không ngưng, đốt, tháo nước ngưng… 2.2 Thiết bị phụ  Bể chứa dung dịch đầu vào sản phẩm sau cô đặc  Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm chân không, bơm nước  Thiết bị gia nhiệt ống chùm  Thiết bị ngưng tụ baromet  Các loại van  Thiết bị đo, bảng điều khiển CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I Dữ kiện ban đầu  Tên đề tài: Thiết kế hệ thống thiết bị đặc ba nồi cho dung dịch đường mía - Năng suất 5500 kg/h - Nồng độ ban đầu 8% tới nồng độ cuối 40% (theo khối lượng) - Các thông số công nghệ khác tự chọn theo tham khảo II Lựa chọn quy trình cơng nghệ  Chọn quy trình: Dựa vào u cầu tính chất nguyên liệu chọn thiết bị cô đặc nồi xuôi chiều, buồng đốt trong, dung dịch đối lưu tự nhiên  Nguyên nhân chọn:  Trong thực tế cần cô đặc dung dịch từ nồng độ lỗng lên nồng độ đặc người ta dùng hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng: hệ xuôi chiều ngược chiều  Hệ nhiều nồi xi chiều thích hợp để đặc dung dịch mà chất tan dễ biến tính nhiệt độ cao (trong trường hợp dung dịch đường) hệ xi chiều nồi đầu có p t cao nồi sau nên sản phẩm hình thành nồi có nhiệt độ thấp ( Hình 1) Hình 2: Hệ đặc ba nồi xi chiều (P1>P2>P3)  Dùng hệ bốc nồi cô đặc nước mía để tiết kiệm lượng dùng để cô đặc, cách dùng thứ nồi trước làm đốt cho nồi sau, nhiệt độ thứ nồi thấp nên không dùng thứ nồi  Dùng hệ thống cô đặc xuôi chiều hệ thống phổ biến, dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất nồi, không cần tốn chi phí cho lắp đặt vận hành bơm dung dịch Mặt khác, nhiệt độ sôi nồi trước lớn nồi sau, dung dịch vào nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ sơi cao nhiệt độ sơi đó, kết dung dịch tự bốc phần giảm áp suất Đồng thời, hệ thống dung dịch có nồng độ cao làm việc nồi áp suất thấp nên nhiệt độ sôi thấp hơn, thích hợp cho dung dịch đường dễ bị biến tính nồng độ, nhiệt độ cao  Chọn thiết bị cô đặc nồi xuôi chiều, buồng đốt trong, dung dịch đối lưu tự nhiên III Cân vật chất 3.1 Dữ kiện ban đầu: Nồng độ đầu xđ = 8%, nhiệt đô đầu nguyên liệu chọn tđ = 30 (℃) Nồng độ cuối xc = 40% Năng suất Gc = 5500 kg/h Áp suất đốt P1= 12 (at) Áp suất ngưng tụ: Png = 0.3 (at) 3.2 Cân vật chất: Áp dụng phương trình cân vật chất: Gđ = Gc+W Gđ  G c x c 40 5500 27500 xđ = kg/h Lượng thứ bốc lên toàn hệ:  x    Gđ , 1  đ   1   x c  W=W1+W2+W3=  27500 x  40  = 22000 kg/h W: tổng lượng thứ bốc lên toàn hệ, kg/h W1, W2, W3 : lượng thứ bốc lên nồi 1, nồi 2, nồi , kg/h Gđ , Gc : lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h xđ , xc : nồng độ đầu nồng độ cuối dung dịch, % khối lượng Chọn tỷ lệ phân phối thứ: W1:W2:W3 = 1:1.1:1.2 W � W1 = 3.3 = 6666.67 (kg/h) W2 = 1,25.W3 = 7333.33 (kg/h) W3= 1,25 W2 = 8000 (kg/h) Suất lượng dung dịch khỏi nồi 1: G1 = Gđ – W1 = 27500 – 6666.67 = 20833.33 kg/h Suất lượng dung dịch khỏi nồi 2: G2 = G1 – W2 = 20.833.33 – 7333.33= 13500 kg/h Suất lượng dung dịch khỏi nồi 3: G3 = Gc = G2 – W3 = 13500 – 8000 = 5500 kg/h Vậy nồng độ dung dịch khỏi nồi 1: x1  Gđ x đ 27500 0.08  Gđ  W1 27500  6666.67 = 10.56 % Tương tự nồng độ dung dịch khỏi nồi 2: x2  Gđ x đ 27500 0.08  Gđ  W1  W2 27500  6666.67  7333.33 =16.3 % Tương tự nồng độ dung dịch khỏi nồi 3: x3  Gđ x đ 27500 0.08  Gđ  W1  W2  W3 27500  6666.67  7333.33  8000 = 40% 3.3 Chênh lệch áp suất chung hệ thống: ∆p = p1 - png = 12 - 0.2 = 11.8 (at) 3.4 Xác định thông số áp suất đốt: Giả thiết phân bố hiệu áp suất đốt Δp1: Δp2: Δp3=3 : 1.75 : Với giả thiết ta có:  p  p 2.0522 5.75 at ⇒ ∆p2 = 1.75 x ∆p3 = 1.75 x 2.0522 = 3.5914 at ⇒ ∆p1 = x ∆p3 = x 2.0522 = 6.1566 at Gọi: Phdi: áp suất đốt nồi i, at rhdi: ẩn nhiệt hóa hơi đốt nồi i, j/kg ihdi: nhiệt lượng riêng o thdi: nhiệt độ đốt nồi i, C - Áp suất Áp Phd2=phd1-Δp=12 suất - đốt nồi đốt 6,1566= đốt nồi : i, j/kg Phd1=12 at là: at nồi 5,8434 Áp suất Phd3=phd2-Δp2=5,8434Áp Pnt= Bằng suất phương đốt 3,5914= thiết Loại Hơi đốt Hơi thứ bị pháp Nồi nồi 2,2520 ngưng nội suy Nồi Nhiệt độ (oC) Áp suất (at) Nhiệt độ (oC) Áp suất (at) Nhiệt độ (oC) 4.25 144.95 2.32 123.856 1.09 101.395 102.395 0.33 124.856 1.129 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHƯƠNG 4: KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH I Tính buồng bốc II Tính buồng đốt III Tính kích thước ống dẫn CHƯƠNG 5:TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ I Tính cho buồng đốt II Tính cho buồng bốc III Tính nắp IV Tính đáy V Tính bích VI Bộ phận nối CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ I Tính thiết bị baromet II Thính thiết bị gia nhiệt nhập liệu III Tính bồn IV Tính bơm V Bề dày lớp cách nhiệt CHƯƠNG 7: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ ta là: at tụ: 0,2at có: Thiết bị ngưng tụ Nồi Áp suất (at) 2.395 71 Áp suất (at) Nhiệt độ (oC) 0.319 70 I Thiết bị II Thiết bị phụ ...  Thiết bị đo, bảng điều khiển CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I Dữ kiện ban đầu  Tên đề tài: Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc ba nồi cho dung dịch đường mía - Năng suất 5500 kg/h - Nồng độ ban... tế cần cô đặc dung dịch từ nồng độ lỗng lên nồng độ đặc người ta dùng hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng: hệ xuôi chiều ngược chiều  Hệ nhiều nồi xi chiều thích hợp để đặc dung dịch mà... dùng để cô đặc, cách dùng thứ nồi trước làm đốt cho nồi sau, nhiệt độ thứ nồi thấp nên không dùng thứ nồi  Dùng hệ thống cô đặc xi chiều hệ thống phổ biến, dung dịch tự di chuyển từ nồi trước