Nhiệm vụ đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nồi gián đoạn để đặc dung dịch nước mía Năng suất nhập liệu 1000kg/h Nồng độ đầu: 20% khối lượng Nồng độ cuối: 60% khối lượng Áp suất chân không thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75 at Áp suất bão hòa P = 2,1 at Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm (chọn) Nhiệt độ đầu nguyên liệu: 25oC (chọn) 1.2 Giới thiệu chung Ngành công 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 ứng 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 Trong năm qua, ơt 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 ngành đơn lẻ mà trở thành hệ thống liên hiệp với ngành có quan hệ chặt chẽ 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 công nghiệp khác sản xuất rượu, … Vì tính quan trọng việc chế biến, vấn đề quan trọng đặt hiệu sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi hiệu suất cao Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠ ĐẶC NƯỚC MÍA MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN (20% - 60%) NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h GVHD: MẠC XUÂN HÒA SVTH: NGUYỄN THỊ VÂN ANH MSSV: 2005160007 ĐẶNG THỊ CẨM GIANG MSSV: 2005160039 LỚP: 07DHTP2 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án 1.2 Giới thiệu chung 1.3 Ngun liệu sản phẩm q trình đặc mía đường 1.3.1 Nguyên liệu 1.3.2 Sản phẩm 1.3.3 Biến đổi nguyên liệu sản phẩm q trình đặc 1.3.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm 1.4 Cô đặc q trình đặc 1.4.1 Định nghĩa 1.4.2 Mục đích q trình đặc 1.4.3 Các phương pháp cô đặc 1.4.4 Bản chất cô đặc nhiệt: 1.4.5 Các thiết bị cô đặc nhiệt CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 12 2.1 Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc 12 2.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ Baromet 14 2.3 Hoạt động hệ thống 14 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 16 3.1 Dữ liệu ban đầu 16 3.2 Cân vật chất cho giai đoạn 17 3.3 Cân lượng 18 3.4 Cân nhiệt lượng cho giai đoạn 22 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC 27 4.1 Nhiệt tải riêng phía ngưng (q1): 27 4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2): 27 4.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv): 28 4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng: 29 4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho q trình đặc: 31 4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 32 CHƯƠNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 33 5.1 Tính tốn kích thước buồng đốt: 33 5.1.1 Số ống truyền nhiệt: 33 5.1.2 Đường kính buồng đốt: 34 5.1.3 Tính kích thước đáy buồng đốt: 36 5.1.4 Tổng kết: 36 5.2 Kích thước buồng bốc 36 5.2.1 Đường kính buồng bốc (Db): 36 5.2.2 Chiều cao buồng bốc: 38 5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ buồng bốc 39 5.3 Tính kích thước ống dẫn 39 5.3.1 Ống nhập liệu: 39 5.3.2 Ống tháo liệu: 40 5.3.3 Ống dẫn đốt: 40 5.3.4 Ống dẫn thứ: 41 5.3.5 Ống dẫn nước ngưng: 41 5.3.6 Ống xả khí ngưng: 41 5.3.7 Tổng kết đường kính ống dẫn: 41 CHƯƠNG TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 42 6.1 Tính cho buồng đốt 42 6.1.1 Sơ lược cấu tạo: 42 6.1.2 Tính tốn: 42 6.2 Tính cho buồng bốc 45 6.2.1 Sơ lược cấu tạo 45 6.2.2 Tính tốn 45 6.3 Tính cho đáy thiết bị 49 6.3.1 Sơ lược cấu tạo 49 6.3.2 Tính tốn 49 6.4 Tính cho nắp thiết bị 54 6.4.1 Sơ lược cấu tạo 54 6.4.2 Tính tốn 54 6.5 Tính mặt bích 56 6.5.1 6.6 Chọn mặt bích 56 Tính vỉ ống 58 6.6.1 Sơ lược cấu tạo 58 6.6.2 Tính tốn 58 6.7 Khối lượng tay treo 60 6.7.1 Sơ lược cấu tạo tay treo chân đỡ 60 6.7.2 Thể tích khối lượng phận thiết bị 60 CHƯƠNG TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ 65 7.1 Thiết bị ngưng tụ 65 7.1.1 Chọn thiết bị ngưng tụ 65 7.1.2 Tính thiết bị ngưng tụ 66 7.2 Tính tốn chọn bơm 76 7.2.1 Bơm chân không: 76 7.2.2 Bơm nhập liệu: 77 7.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ: 79 7.2.4 Bơm tháo sản phẩm: 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh, thầy khoa Công nghệ Thực phẩm trường tạo điều kiện cho em thực đồ án Trong thời gian học tập trường em tiếp thu nhiều kiến thức báo cáo kết trình học tập rèn luyện dạy bảo quý thầy cô Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Mạc Xuân Hịa, người tận tình hướng dẫn góp ý kỹ lưỡng thời gian qua giúp em hoàn thành báo cáo cách tốt Đồng thời kinh nghiệm thực tế hạn chế kiến thức cịn hạn hẹp nên báo cáo khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy để em học thêm nhiều kinh nghiệm hoàn thành tốt đồ án sau Cuối cùng, em xin kính chúc q thầy dồi sức khỏe thành cơng nghiệp Kính chúc thầy Mạc Xn Hịa ln có sức khỏe tốt, đạt nhiều thành công công việc sống Em xin chân thành cảm ơn! i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SVTH: Nguyễn Thị Vân Anh MSSV: 2005160007 Lớp: 07DHTP2 SVTH: Đặng Thị Cẩm Giang MSSV: 2005160039 Lớp: 07DHTP2 Nhận xét: Điểm số: Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn (ký ghi họ tên) ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN SVTH: Nguyễn Thị Vân Anh MSSV: 2005160007 Lớp: 07DHTP2 SVTH: Đặng Thị Cẩm Giang MSSV: 2005160039 Lớp: 07DHTP2 Nhận xét: Điểm số: Điểm chữ: TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Giáo viên phản biện (ký ghi họ tên) iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Tóm tắt kết cân vật chất 18 Tóm tắt kết cân lượng 22 Các thông số dung dịch nồng độ 28 Kết tính tốn truyền nhiệt 31 Kết hệ số truyền nhiệt K 31 Tổng kết đường kính ống dẫn 42 Số liệu bích nối buồng bốc với buồng đốt 57 Số liệu bích nối buồng đốt với đáy 57 Số liệu bích nối buồng bốc với nắp 58 10 Kích thước thiết bị ngưng tụ Baromet 69 11 Tóm tắt số liệu thiết bị ngưng tụ Baromet 73 iv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nồi gián đoạn để đặc dung dịch nước mía Năng suất nhập liệu 1000kg/h Nồng độ đầu: 20% khối lượng Nồng độ cuối: 60% khối lượng Áp suất chân không thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75 at Áp suất bão hòa P = 2,1 at Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm (chọn) Nhiệt độ đầu nguyên liệu: 25oC (chọn) 1.2 Giới thiệu chung Ngành công 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 ứng 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 Trong năm qua, ơt 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 ngành đơn lẻ mà trở thành hệ thống liên hiệp với ngành có quan hệ chặt chẽ 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 công nghiệp khác sản xuất rượu, … Vì tính quan trọng việc chế biến, vấn đề quan trọng đặt hiệu sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi hiệu suất cao Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, …nhưng với phát triển ạt diện tích mía khả GVHD: MẠC XN HỊA 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 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 1.3 Nguyên liệu sản phẩm q trình đặc mía đường 1.3.1 Ngun liệu Ngun liệu cô đặc dạng dung dịch gồm: Dung mơi: nước Các chất hịa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng thấp chiếm chủ yếu đường saccharose Các cấu tử xem không bay q trình đặc Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay Tuy nhiên, trước cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng – 10% khối lượng 1.3.2 Sản phẩm Sản phẩm dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước Các chất hịa tan có nồng độ cao 1.3.3 Biến đổi nguyên liệu sản phẩm trình đặc Trong q trình đặc tính chất nguyên liệu sản phẩm biến đồi khơng ngừng a) Biến đổi tính chất vật lý Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi GVHD: MẠC XUÂN HÒA Nhiệt độ đầu t2c o 59,2 Nhiệt dung riêng Cn J/(Kg.K) 4178 Gn Kg/s 3,06 Vn m3/s 0,003 Ph At 0,0498 Gkk Kg/s 0,002 Vkk m3/s 0,009 tkk At 32,42 Lưu lượng khối lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Lưu lượng thể tích nước lạnh cần thiết để ngưng tụ Áp suất nước bão hịa C Khí khơng ngưng Lưu lượng khối lượng khơng khí hút khỏi thiết bị Lưu lượng thể tích khơng khí hút khỏi thiết bị Nhiệt Đường kính thiết bị ngưng tụ Khối lượng riêng thứ h Kg/m3 0,1551 Tốc độ thứ Ωh m/s 30 Đường kính Dtr Mm 500 Chiều rộng ngăn B Mm 300 Đường kính lỗ ngăn D Mm Bề dày ngăn Mm Kích thước ngăn 74 GVHD: MẠC XN HỊA Kích thước ống baromet Tốc độ nước lạnh nước ngưng Ω m/s 0,872 Đường kính ống D Mm 125 Độ chân không B mmHg 551,7 h1 M 7,5 chảy ống Chiều cao cột nước cân với (pkq – pc) Hệ số trở lực vào ξ1 0,5 Hệ số trở lực ξ2 Khối lượng riêng nước lạnh Ρn Kg/m3 991,32 Độ nhớt động lực µn Ns/m2 0,000629 Chuẩn số Reynolds Re 51220,8 Hệ số ma sát λ 0,026 Chiều cao H nước ngưng M 14 75 GVHD: MẠC XN HỊA 7.2 Tính tốn chọn bơm 7.2.1 Bơm chân không: Tốc độ hút bơm chân không 00C 760mmHg SB= 0,009.60= 0,54 m3/phút Công suất bơm chân không: N= 𝑉𝑘𝑘 𝑚 𝑃2 𝑐𝑘 𝑚−1 𝑃1 [( ) 𝑚−1 𝑚 𝑃1 − 1] Trong đó: + M: số đa biến, thường m= 1,21,62, chọn m= 1,3 + P1: áp suất trước nén, P1= P-Ph= 0,25- 0,0498= 0,2002 at + P2: áp suất sau nén, P2= Pkq= at= 9,81.104 N/m2 + Vkk: thể tích khơng khí cần hút, vkk= 0,009 m3/s + ck: hệ số hiệu chỉnh, ck= 0,8 N= 0,009 0,8 1,3 1,3−1 0,2002.9,81 10 [( 0,2002 ) 1,3−1 1,3 − 1]= 430,31 W=0,43 kW Dựa vào hệ số N, ta chọn bơm quy chuẩn (theo bảng II.58 trang 513 [1]) Chọn bơm chân khơng vịng nước PMK-1 có thơng số: Số vịng quay: 1450 vịng/phút Cơng suất u cầu trục bơm: 3,75 kW Công suất động điện: 4,5 kW Lưu lượng nước: 0,01 m3/h Kích thước: + Dài: 575 m + Rộng: 410 m + Cao: 390 m 76 GVHD: MẠC XUÂN HÒA Khối lượng: 93 kg + 7.2.2 Bơm nhập liệu: Công suất bơm: N= 𝑄.𝐻.𝜌.𝑔 0,002.12,85.1082,87.9,81 1000. = 1000.0,75 = 0,36 kW Trong đó: + : hiệu suất bơm, chọn = 0,75 + Q: lưu lượng nhập liệu, m3/s; Q= + H: cột áp bơm, m 8.60 = 0,002 m3/s Theo phương trình Bernoulli cơng thức 1.1 vd bt tập 10 H= 𝑝2 −𝑝1 𝜌.𝑔 +H0+ H Trong đó: + Ho: chiều cao hình học để hút dịch + P1, p2: áp suất đầu hút đầu đẩy, p1=p2= 1at (do ban đầu tạo chân không) + H: cột áp khắc phục trở lực đường ống hút đẩy Tính H0 Chọn H0= 5m Tính H: H= hhút+ hđẩy Trong đó: hhút, hđẩy: trở lực đường ống hút đẩy Tính hhút: Hhút= 𝜔12 2.𝑔 𝑙 ( + ∑ ) 𝑑 Trong đó: 77 GVHD: MẠC XUÂN HỊA + d: đường kính ống hút, chọn d= 0,04 m + 1: vận tốc nước ống hút; 1= + g= 9,81 m/s2 + l1: chiều dài ống hút, chọn l1= 2m + ∑ : tổng hệ số trở lực đầu hút, chọn đầu nút có van lưới lọc ∑ = 4.𝑄 𝜋.𝑑2 = 4.0,002 𝜋.0,042 = 1,59 m/s 7,97 + : khối lượng riêng dung dịch đường, = 1082,87 kg/m3 + : độ nhớt dung dịch đường, = 0,723.10-3 Ns/m2 + : hệ số trở lực ma sát chảy ống, = f(Re) Re= 𝜌.𝜔1 𝑑 𝜇 = 1082,87.1,59.0,04 0,723.10−3 = 95256,6 >104 Ống thép chọn độ nhám = 0,2 mm 𝑑 8/7 Regh= 6.( ) 𝜀 40 8/7 =6.( ) 0,2 𝑑 9/8 Ren= 220.( ) 𝜀 = 2558 40 9/8 =220.( ) 0,2 = 85326 𝜀 0,25 Vậy Re> Ren nên theo [2]: = 0,11.( ) 𝑑 hhút= 1,592 2.9,81 (0,029 0,04 = 0,11.0,27 = 0,029 + 7,97)= 1,21 m Tính hđẩy: Hđẩy= 𝜔22 2.𝑔 𝑙 ( + ∑ ) 𝑑 Trong đó: + Chọn ống có kích thước đặc trưng giống ống hút d= 0,04m, = 0,2mm + L2: chiều dài ống đẩy, l2= 5m + ∑ : tổng hệ số trở lực đầu đẩy, chọn đầu đẩy có khuỷu 900 ∑ = 0,9 78 GVHD: MẠC XUÂN HÒA + 2: vận tốc nước ống đẩy, 2=1= 1,59 m/s + : hệ số ma sát đường ống yếu không đổi nên = 0,029 Hđẩy= 1,592 2.9,81 (0,029 0,04 + 0,9)= 0,58 m H= 0,58 +1,21= 1,79 m H= 0+ 1,79+ 5= 6,79 m Chọn bơm theo bảng 1.7 tr35 tài liệu [4], ta có: Hiệu bơm: X20/18 Lưu lượng Q =5,5.10-3 m3/s Cột áp H= 10,5 m Số vòng: 48,3 Động điện: loại A02-31-2 Công suất N= 3kW Hiệu suất = 0,83 7.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ: Công suất bơm: N= 𝑄.𝐻.𝜌.𝑔 0,002.20,37.1082,87.9,81 1000. = 1000.0,75 = 0,577 kW Trong đó: + : hiệu suất bơm, chọn = 0,75 + Q: lưu lượng nhập liệu, m3/s; Q= 𝑛= 3,07.10-3 m3/s + H: cột áp bơm, m 𝐺 𝜌 Theo phương trình Bernoulli cơng thức 1.1 vd bt tập 10 H= 𝑝2 −𝑝1 𝜌.𝑔 +H0+ H Trong đó: 79 GVHD: MẠC XN HỊA + Ho: chiều cao hình học để hút dịch + p1, p2: áp suất đầu hút đầu đẩy, p1= 1at, p2=pc= 0,25 at + H: cột áp khắc phục trở lực đường ống hút đẩy Tính H0 H0= Hống Baromet+ P+ a1+ a2+ a3+ a4 =9000+1200+ 220+ 260+ 320 +360 +390= 11750mm= 11,75 m Chọn H0= 12 m Tính H: H= hhút+ hđẩy Trong đó: hhút, hđẩy: trở lực đường ống hút đẩy Tính hhút: Hhút= 𝜔12 2.𝑔 𝑙 ( + ∑ ) 𝑑 Trong đó: + d: đường kính ống hút, chọn d= 0,1 m + 1: vận tốc nước ống hút; 1= + g= 9,81 m/s2 + l1: chiều dài ống hút, chọn l1= 2m + ∑ : tổng hệ số trở lực đầu hút, chọn đầu nút có van lưới lọc ∑ = + : khối lượng riêng nước, = 997 kg/m3 + : độ nhớt nước nhiệt độ vào 250C, = 0,8937.10-3 Ns/m2 + : hệ số trở lực ma sát chảy ống, = f(Re) Re= 𝜌.𝜔1 𝑑 𝜇 = 997.0,39.0,1 0,8937.10−3 4.𝑄 𝜋.𝑑2 = 4.3,07.10−3 𝜋.0,12 = 0,39 m/s = 43507,9 >104 Ống thép chọn độ nhám = 0,2 mm 80 GVHD: MẠC XUÂN HÒA 𝑑 8/7 Regh= 6.( ) 𝜀 =6.( 𝑑 9/8 Ren= 220.( ) 𝜀 100 8/7 ) 0,2 =220.( = 7289,3 100 9/8 0,2 ) = 239201,5 Vậy Regh