Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 96 khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày

Khoa học kĩ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là sự phát triển không ngừng đa ngành của các ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hơn hầu hết các ngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh thiết của các hóa chất. Có rất nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, cô đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù hợp để đạt hiệu quả cao. Bộ môn quá trình thiết bị cũng như đồ án 1 là một trong những môn học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học. Bởi nó giúp phần nào các kĩ sư thực phẩm trong tương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể: công nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu và nguyên lí làm việc của một thiết bị trong quá trình sản xuất hóa thực phẩm. Dưới sự hướng dẫn của thầy Phan Minh Thụy, em đã hoàn thành đề tài “Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày”. Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn. Trong ngành sản xuất rượu cồn, giai đoạn ngưng tụ hơi cồn là một trong những giai đoạn quan trọng để có được sản phẩm cồn nguyên chất. Đa số các nhà máy đều sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng ống chum nằm ngang với ưu điểm là có khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi công suất trong mọi điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía trong và ngoài ống. Trong quá trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng nhưng về kiến thức chuyên môn còn chưa sâu, do việc khảo sát thực tế không có, bên cạnh đó còn là sự hạn chế về tài liệu nên khó thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè để bản thân rút ra kinh nghiệm và củng cố thêm kiến thức để hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất.

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Công Nghệ Sinh Học Công Nghệ Thực Phẩm Đồ Án I – Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Thực Phẩm Đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày GVHD: ThS Phan Minh Thụy ĐỒ ÁN I GVHD: ThS Phan Minh Thụy LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cồn 1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn 1.1.2 Tính chất ứng dụng cồn 1.2 Quy trình sản xuất cồn 1.2.1 Khái quát công nghệ cồn etanol 1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn 1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất 10 1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 11 1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm 16 1.2.6 Lưu ý kỹ thuật 26 1.2.7 Một số yêu cầu kỹ thuật khác 28 1.2.8 Bố trí dịng chảy thiết bị 30 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ 31 2.1 Tính tốn truyền nhiệt 31 2.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 32 2.1.2 2.1.3 Xác định hệ số dẫn nhiệt phía nước �� 33 Tính tổng nhiệt trở 34 2.1.4 Hệ số cấp nhiệt phía �� 35 2.1.5 Nhiệt tải riêng q1 (W/m2) 36 2.2 Tính tốn thiết bị 39 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Số ống truyền nhiệt 39 Chia ngăn thiết bị 39 Cách xếp vỉ ống 40 Đường kính thiết bị 40 ĐỒ ÁN I 2.2.5 GVHD: ThS Phan Minh Thụy Xác định độ dày vỏ thiết bị 40 2.3 Tính tốn phận khác 43 2.3.1 Mặt bích 43 2.3.2 Đáy nắp thiết bị 43 2.3.3 Kích thước ống dẫn nước 45 2.3.4 Ống dẫn cồn vào 46 2.3.5 Đường kính ống cồn lỏng 46 2.3.6 Ống tháo khí khơng ngưng 47 2.3.7 Tính chân đỡ thiết bị 47 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kĩ thuật phát triển với phát triển không ngừng đa ngành ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hầu hết ngành muốn đạt hiệu cao độ tinh thiết hóa chất Có nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, cô đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù hợp để đạt hiệu cao Bộ mơn q trình thiết bị đồ án môn học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học Bởi giúp phần kĩ sư thực phẩm tương lai giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể: cơng nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu nguyên lí làm việc thiết bị q trình sản xuất hóa thực phẩm Dưới hướng dẫn thầy Phan Minh Thụy, em hoàn thành đề tài “Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày” Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn Trong ngành sản xuất rượu cồn, giai đoạn ngưng tụ cồn giai đoạn quan trọng để có sản phẩm cồn nguyên chất Đa số nhà máy sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng ống chum nằm ngang với ưu điểm có khoảng áp dụng rộng, gần công suất điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp cho tất dạng lưu thể nhiệt độ, áp suất khác phía ngồi ống Trong q trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng kiến thức chun mơn cịn chưa sâu, việc khảo sát thực tế khơng có, bên cạnh cịn hạn chế tài liệu nên khó thể tránh khỏi sai sót Vì em mong góp ý thầy bạn bè để thân rút kinh nghiệm củng cố thêm kiến thức để hoàn thiện đồ án cách tốt CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cồn 1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn Cồn rượu người xem sản phẩm thực phẩm lại sản phẩm có nguy độc hại thể người Tuy nhiên, sản lượng cồn rượu mà giới sản xuất hàng năm ngày tăng thêm Chứng tỏ sản phẩm cồn chiếm vai trò quan trọng tất ngành công nghiệp khác nhau, công nghiệp thực phẩm Hầu giới dùng cồn để pha chế rượu cho nhu cầu khác như: y tế (VD: sát trùng, sát khuẩn dụng cụ y tế,vệ sinh, ), nhiên liệu nguyên liệu cho ngành công nghiệp khác(VD: nhiên liệu cho động cơ, xăng sinh học, sản xuất cồn khô, làm dung môi, sản xuất nước hoa, giấm ăn, …) Tùy theo tình hình phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật khác nước mà ứng dụng sản phẩm cồn dùng ngành đa dạng khác Rượu – sản phẩm quen thuộc với tất người sản phẩm chiếm vị trí đáng kể ngành công nghiệp thực phẩm Chúng đa dạng, tùy theo truyền thống thị hiếu người tiêu dùng mà nhà sản xuất làm nhiều loại rượu mang tên khác Tuy nhiên chia rượu thành loại chính: rượu mạnh cao có nồng độ 30 %V, rượu thơng thường có nồng độ từ 15 đến 30 %V rượu nhẹ có nồng độ 15%V Ở nước có cơng nghiệp rượu vang phát triển Italia, Pháp, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, … cồn sử dụng để tăng thêm nồng độ rượu Một lượng lớn cồn sử dụng để pha chế loại rượu mạnh, cao độ Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum, … đồng quanh năm Nghề nấu rượu thủ cơng có từ ngàn đời xưa chưa có tài liệu cho ta biết xác điểm khởi đầu Từ ngun liệu gạo, ngơ, … qua trình nấu cơm, ủ men, chưng thu sản phẩm cho chai rượu đậm chất làng quê Việt Nam Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng rượu thủ công nguyên liệu gạo nếp hay gạo tẻ, hay ngô, khoai, sắn, … nấu chín thành “cơm rượu” bị khơ hay nhão, men tốt hay xấu, nhiệt độ ủ lên men nào, cách tiến hành chưng thư sản phẩm Quan trọng men giống – nguyên liệu cách làm men giống đa dạng Mỗi nơi, vùng có thuốc làm men khác Đồng bào dân tộc đưa loại rừng vào làm men giống Tất kinh nghiệm “cha truyền, nối” hương vị rượu vùng miền để lại ấn tượng khác cho ngườ thưởng rượu Sản phẩm rượu thủ công nấu theo phương pháp cổ truyền xuất phát điểm từ người nông dân mang tên “rượu nút chuối khơ” “rượu quốc lủi” cịn nhỏ manh mún, chưa thể đạt tiêu chuẩn chất lượng hương vị khơng thua loại rượu giới Martin, Whisky, Sake, … Sản xuất cồn rượu theo quy mô công nghiệp nước ta năm 1989 người Pháp thiết kế xây dựng Trước cách mạng Tháng Tám nước ta có xây dựng nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán, … Tất sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo Sau có xây dựng thêm nhà máy khác sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu tận dụng từ nhà máy sản xuất đường Hiện rượu Việt Nam đạt TCVN-71 cồn rượu nhiên TCVN-71 cồn rượu thuộc loại thấp so sánh với tiêu chuẩn giới cồn rượu Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát” theo đề nghị chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu loại tương đương, khoảng 50 triệu lít cồn tinh thiết Muốn có cơng tinh thiết chất lượng cao phải biết áp công công nghệ khoa học kĩ thuật, phải có hệ thống chưng luyện, ngưng tụ tốt biết cách sử dụng Ngày sản xuất cồn thị yếu thị trường ngồi nước dần thay ngun liệu xăng hầu giới 1.1.2 Tính chất ứng dụng cồn Cồn etanol có cơng thức cấu tạo CH3CH2OH (khối lượng phân tử 46,07 g/mol), biết đến rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc …, hợp chất hữu cơ, nằm dãy đồng đẳng methanol Cồn etanol chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ nước (khối lượng riêng 789kg/m3), dễ bay (sôi nhiệt độ 78,39℃), hóa rắn -114,15℃, tan vơ hạn nước vài chất hữu khác theo tỉ lệ Tan ete clorofom, hút ẩm, dễ cháy, cháy khơng có khói lửa có màu xanh da trời Sở dĩ cồn etanol tan vơ hạn nước có nhiệt độ sơi cao nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ tạo thành liên kết hydro phân tử rượu với với nước Cồn dùng để điều chế số hợp chất hữu axit axetic, dietyl ete, etyl axetat, Do có khả hịa tan tốt số hợp chất hữu nên etanol dùng để pha vecni, dược phẩm, nước hoa, Trong đời sống hàng ngày etanol dùng để pha chế loại đồ uống với độ cồn khác Ngoài cồn cịn dung cơng nghiệp để làm chất đốt, cao su tổng hợp, sát trùng, sản xuất, chữa bệnh, chế biến thức ăn, chế biến loại hương hoa quả, … Cồn nói chung có nhiều ứng dụng thực tế nhiên không sản phẩm thực phẩm mà ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống Tuy cồn coi sản phẩm có nguy độc hại cao sức khỏe thể người Vì phải biết khai thác sử dụng có mục đích hợp lý 1.2 Quy trình sản xuất cồn 1.2.1 Khái qt cơng nghệ cồn etanol Công nghệ cồn etanol khoa học phương pháp trình chế biến nguyên liệu chứa tinh bột đường, cellulose, ethene thành sản phẩm etanol Công nghệ sản xuất cồn thực phẩm sử dụng kiến thức lý hóa học, hóa keo, hóa cơng hóa sinh vi sinh vật học Quy trình cơng nghệ sản xuất cồn etanol chia thành cơng đoạn gồm: chuẩn bị dịch đường lên men, gây men giống, lên men dịch đường xử lý dịch lên men Chuẩn bị dịch lên men: Nếu ngun liệu chứa tinh bột cơng đoạn gồm nghiền, nấu, đường hóa làm lạnh đến nhiệt độ lên men Nếu nguyên liệu mật rỉ chuẩn bị dịch lên men gồm pha lỗng sơ bộ, xử lí mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn pha loãng tới nồng độ gây men lên men Gây men giống lên men: Muốn lên men trước hết cần phát triển men giống tới chất lượng số lượng cần thiết, thường 10% thể tích thùng lên men Sau đưa men giống dịch ... dạng ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày? ?? Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn. .. nhiệt Có nhiều thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng để ngưng tụ cồn: ống chùm, ống lồng ống, dàn ống, … Tuy nhiên hiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dạng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi tất... tính có tới 60% số thiết bị trao đổi nhiệt giới thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rộng, gần công suất, điều kiện hoạt động từ chân không