4.3.1. Lượng nước bốc hơi ở các hiệu
Theo tính tốn cân bằng ta cĩ tổng lượng nước bốc hơi trong cơng đoạn cơ đặc:
W = TL nước mía trong – TL mật chè
KL mía =
2062,46 – 521,83
2000 = 73,03% so với mía. Gọi W1, W2, W3,W4 lần lượt là hơi nước bốc hơi ở các hiệu I, II, III, IV. Gọi E1, E2, E3 lần lượt là lượng hơi nước rút ra từ hiệu một cho gia nhiệt I, gia nhiệt II, nấu đường. Giả thiết hiện tượng bốc hơi và nhiệt độ tổn thất khơng đáng kể khi cho nước mía vào thiết bị thực hiện quá trình bố hơi, ta cĩ:
Lượng nước bốc hơi hiệu IV, hiệu III, hiệu II là: W4 = W3= W2.
Lượng nước bốc hơi hiệu III là: W3.
Lượng nước bốc hơi hiệu II là: W2.
Lượng nước bốc hơi hiệu I là: W1 = W4+ E1+ E2+ E3.
Tổng lượng lước bốc hơi W = W4+ W3+ W2+ W1 = 4W4+ E1+E2+ E3
Theo thống kê lượng hơi lấy từ hiệu I được cấp cho gia nhiệt là:
Gia nhiệt 1: E1 = 8,5% so với mía.
Gia nhiệt 2: E2 = 7,5% so với mía.
Nấu đường: E3 = 11,15% so với mía.
Tổng lượng hơi cần cung cấp cho nấu đường là 21,5% so với mía trong đĩ 10% Từ tua bin và 11,5% lấy từ hiệu I.
W4 = W – (E1+ E2+E3) 4 = 77,03 – (8,5+7,5+111,5) 4 =12,38%. W2 = W3 = W4= 12,38% so với mía. W1 = W4 + E1+ E2 + E3 = 12,38 + 8,5 + 7,5 + 11,15 = 39,53% so với mía. 4.3.2. Tính nồng độ chất khơ các hiệu
Nước mía trong hỗn hợp : + G = TL nước mía trong
TL mía ×100 =
2062,46 – 521,83
B0 = 160Bx. + Bx1 = G ×Bx0 G – W1 = 103,12×16 103,12 – 39,53 = 26% so với mía. + Bx2 = G ×Bx0 G – (W1+W2) = 103,12×16 103,12 – (39,53+12,38) = 32,22% so với mía. + Bx3 = G ×Bx0 G – (W1+W2+W3) = 103,12×16 103,12 – (39,53+12,38+12,38) = 42,5% so với mía. + Bx4 = G×Bx0 G – (W1+W2+W3+W4_) = 103,12×16 103,12 – (39,53+12,38+12,38+12,38) = 62,4% so với mía.
4.3.3. Lượng hơi tiêu hao cho cơng đoạn bốc hơi
Lượng hơi tiêu hao cho cơng đoạn bốc hơi là lượng hơi thứ (tuabin) cấp cho hiệu I của hệ bốc hơi, chọn hệ số bốc hơi của hiệu I là K = 1,15. Do đĩ lượng hơi tiêu hao cho bốc hơi được tính:
Dhh = K × W1 = 1,15 × 39,53 = 45,46% so với mía.
Bảng 4.4. Tổng kết hơi tiêu hao cho phân xưởng cơ đặc
Tên thiết bị Nguồn hơi % so với mía
Tính theo năng suất 2000 tấn mía/ngày
Tấn hơi/h Tấn hơi/ngày
1 2 3 (4) = (3)×2000/24 (5) = (3)×2000
Bốc hơi Tua bin 45,46 37,88 990,20
CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ 5.1. Tính tốn và chọn thiết bị
5.1.1. Cơng đoạn cơ đặc
Theo E.Hugot, diện tích các thiết bị gia nhiệt được tính theo cơng thức: Sp = ep
Cp×∆P Trong đĩ:
- Sp: Diện tích truyền nhiệt tương ứng với mỗi nồi (m2). - ∆p: Độ sụt nhiệt độ biểu kiến.
- d: Độ tăng điểm sơi.
- c: Các hệ T.E.S.R (kg/m2.h.0C). - ep: Lượng nước bốc hơi trong nồi.
- B: Brix trung bình của nước mía trong nồi.
Theo Dessin, cơng thức tính tỷ suất bốc hơi: c = 0,0008 × (100 – B)(T – 54) Với:
- c: Tỷ suất bốc hơi.
- B: Brix trung bình của nước mía ra khỏi nồi. - T: Nhiệt độ hơi đun nĩng trong chùm ống.
5.1.1.1. Nồi 1
Theo giả thiết ta cĩ:
∆p1 = 8,20C. + Bx1tb = Bx0+Bx1 2 = 16+26 2 = 210Bx. T1 =1220C. Áp dụng cơng thức: C1 = 0,0008 × (100 – Bx1tb )(T1 – 54) = 0,0008 × (100 – 21)(122 – 54) = 4,3(kg/m2.h.0C). ep1 = 39,53% so với mía.
ep1 = 39,53×200 100 = 790,6 tấn/ngày = 32941,67 kg/h. Vậy: S1 = ep1 Cp1 ×∆p1 = 32941,67 4,3×8,2 = 934,25m2. 5.1.1.2. Nồi 2
Theo giả thiết ta cĩ:
∆p2 = 9,70C. + B2 = Bx1 + Bx2 2 = 26 + 32,22 2 = 29,11 0Bx. T2 = 113,4560C. Áp dụng cơng thức: C2 = 0,0008 × (100 – Bx2tb)(T2 – 54) =0,0008 × (100 – 29,11)(113,456 – 54) = 3,37kg. ep2 = 12,38% so với mía. ep2 = 12,38×200 100 = 247,6 tấn/ngày =10316,67 kg/h. Vậy: S2 = ep2 Cp2×∆P2 = 10316,67 3,37×9,7 = 315,6m2. 5.1.1.3. Nồi 3
Theo giả thiết ta cĩ:
∆p3 = 12,90C. + Bx3tb = Bx2 + Bx3 2 = 32,2 + 42,5 2 = 37,6Bx. T3 = 102,1090C. Áp dụng cơng thức: C3 = 0,0008 × (100 – Bx3tb )(T3 – 54) = 0,0008 × (100 – 37,36)(102,109 – 54) = 2,41(kg/m2.h.0C). + ep3 = 12,38% so với mía. ep3 = 12,38×200 100 = 247,6 tấn/ngày = 10316,67 kg/h. Vậy: S3 = ep3 Cp3×∆P3 = 10316,67 2,41×12,9= 331,85m2.
5.1.1.4. Nồi 4
Theo giả thiết ta cĩ:
∆p4 = 23,90C. + Bx4tb =Bx3 + Bx4 2 = 42,5 + 62,4 2 = 52,45 0Bx. T4 = 86,3740C. Áp dụng cơng thức: C4 = 0,0008 × (100 – Bx4tb )(T4 – 54) = 0,0008 × (100 – 52,45)(86,374 – 54) = 1,23(kg/m2.h.0C). ep4 = 12,38% so với mía ep4 =12,38×200 100 =247,6 tấn/ngày =10316,67 (kg/h). Vậy: S4 = ep4 Cp4×∆P4 = 10316,67 1,23×23,9 = 350,95m2.
5.1.2. Tổng diện tích truyền nhiệt tối thiểu
Thang áp suất ở bảng 2 khơng phải là điều kiện cốt yếu trong vận hành của hệ, thay vì khởi đầu điều kiện này, ta cĩ thể thực hiện theo các điều kiện tìm được, theo cách nhìn nhận phải đạt một tổng diện tích tối thiểu. Thang áp suất sẽ được xác định bởi các điều kiện ban đầu đĩ, và theo E.Hugot chỉ cần sửa lại một lần các nhiệt độ đã dùng như vậy là hầu như luơn đủ.
Cách tiến hành giữ nguyên các phần đã tính, giữ nguyên các giả định ở quá trình trước, ta sẽ tiếp tục tính cho hệ 4 hiệu để tìm tổng diện tích tối thiểu.
5.1.2.1. Tính tốn khả năng bốc hơi
Gọi t =e
clà khản năng bốc hơi trong một nồi.
Trong một nồi đa hiệu, cái thực sự cĩ giá trị chính là diện tích và độ sụt nhiệt độ, cịn t của một nồi là số đo sử dụng m2 và độ sụt nhiệt độ mà ta phải tính căn cứ vào vị trí đứng của nồi đĩ trong một dãy các nồi bốc hơi.
t = e
Ta cĩ: +t1 = e1 c1 = 32941,67 4,3 = 7660,85. +t2 = e2 c2 = 10316,67 3,37 = 3061,33. +t3 = e3 c3 = 10316,76 2,41 = 4280,78. +t4 = e4 c4 = 10316,76 1,23 = 8387,537. 5.1.2.2. Tính tốn chỉ số lặp + r4 = ∆3 ∆4 =√ t3 2 × t4 =√ 4280,78 2 × 8387,537 = 0,5. + r3 = ∆2 ∆3 =√ (1 + 1 r4) 2 × (t3 + t4 ×r4) =√ (1+ 0,51) × 3061,33 2 × (4280,78 + 8387,537 × 0,5) = 0,74. + r2= ∆1 ∆2 = √ (1 + r1 3 + r 1 3 × r4) ×3061,33 2 × (t2+ t3× r3+ t4× r3× r4) = √ (1+ 1 0,74 + 0,74 × 0,51 )× 7660,85 2×(3061,33+ 4280,78× 0,74+ 8387,537× 0,74× 0,5) = 1,44. + r1 = 1 + 1 r2 + 1 r2 × r3 + 1 r2 × r3 × r4 =1 + 1 1,44 + 1 1,44 × 0,74 + 1 1,44 × 0,74 × 0,5 = 4,51. 5.1.2.3. Tính các độ sụt nước lý thuyết + ∆1 = ∆ r1 = 54,7 4,51 = 12,130C. + ∆2 = ∆1 r2 = 12,13 1,44 = 8,420C. + ∆3 = ∆2 r3 = 8,42 0,74 = 11,380C.
+ ∆4 = ∆3
r4 = 11,38
0,5 = 22,760C.
5.1.2.4. Cải chính các độ sụt đã tìm được
Sự cải chính chủ yếu ở các trường hợp là thêm vào độ sụt đã cĩ được ở cơng đoạn bốc hơi.
Với một hệ bốc hơi 4 hiệu: (theo E.Hugot). - Cho nồi 1: 0,8%.
- Cho nồi 2: 0,6%. - Cho nồi 3: 0,3%. - Cho nồi 4: -1,7%.
Các độ sụt nhiệt độ được cải chính như sau: - ∆1 = 12,13 + 54,7 × 0,008 = 12,570C. - ∆2 = 8,42 + 54,7 × 0,006 = 8,750C. - ∆1 = 11,38+54,7 × 0,003 = 11,550C. - ∆1 = 22,76+54,7 × (-0,017) = 21,80C.
5.1.2.5. Thang cải chính nhiệt độ
Bảng 5.1. Kết quả cải chính nhiệt độ
Hơi nước d0C Nước mía 0C Độ sụt thực
0C Hơi thứ 122 Hiệu 1 108,6 0,8 109,4 12,6 Hiệu 2 98,5 1,3 99,8 8,8 Hiệu 3 84,8 2,1 86,9 11,6 Hiệu4 56,9 6,1 63 21,8
5.1.2.6. Tính tốn các diện tích gia nhiệt
S1 = e1 c1 = 32941,67 0,0008×(100 – 21)(122 – 54)×12,6 = 608,35m2 chọn s1 =615m2. S2 = e2 c2 = 10316,67 0,0008×(100 – 29,11)(108,6 – 54)×8,8 = 378,6m2 chọn s2 = 385 m2.
S3 = e3 c3 = 10316,67 0,0008×(100 – 37,36)(98,5 – 54)×11,6 = 399m2 chọn s3 = 410m2. S4 = e4 c4 = 10316,67 0,0008×(100 – 52,45)(84,8 – 54)×21,8 = 404m2 chọn s4 = 410m2. Chọn thiết bị cơ đặc:
Chọn thiết bị cơ đặc ống chum cĩ ống tuần hồn trung tâm.
Dựa vào thực tế chọn kích thước ta cĩ các ống truyền nhiệt như sau:
a. Nồi 1
Diện tích trao đổi nhiệt: S1 = 615m2.
Kích thước: d t× dn × L: 0,038 × 0,041 × 3 (m).
Được chế tạo bằng thép khơng rỉ SUS 304.
Số ống truyền nhiệt được tính: n = S1
π×L×dt = 615
π×3×0,038 = 1718,069 chọn n = 1719 ống.
Đường kính ống tuần hồn trung tâm được tính theo cơng thức thực nghiệm: D = n×d
2n
E Với d2
n: Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt.
E: Hệ số tuần hồn. Với sự tuần hồn tự nhiên theo thực tế, chọn E = 3,8. D = 1719×0,41
2
3,8 = 0,724 chọn D = 0,73(m).
Chiều cao buồng bốc hơi: thường h = (1-1,2) × L. Chọn h =1,2 × 3 = 3,3m.
Chiều cao của phần đáy: 0,8m.
Chiều cao của phần thốt hơi nước: 0,8m.
Chiều cao bộ phận thu hồi đường: 1,2m.
Tổng chiều cao tồn bộ thiết bị là: H = 3 + 3,3 + 0,8 + 0,8 + 1,2 = 9,1m.
b. Nồi 2
Kích thước: dt × dn × L: 0,038 × 0,041 × 3 (m).
Được chế tạo bằng thép khơng rỉ SUS 304.
Số ống truyền nhiệt được tính: n = S2
π×L×dt = 385
π×3×0,038 = 1075,54 chọn n = 1076 ống.
Đường kính ống tuần hồn trung tâm được tính theo cơng thức thực nghiệm: D = n×d
2 n
E Với d2
n: Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt.
E: Hệ số tuần hồn. Với sự tuần hồn tự nhiên theo thực tế, chọn E =3,8. D = 1076×0,41
2
3,8 = 0,460 chon D = 0,46(m).
Chiều cao buồng bốc hơi: thường h = (1-1,2) × L Chọn h = 1,2 × 3 = 3,3m.
Chiều cao của phần đáy: 0,8m.
Chiều cao của phần thốt hơi nước: 0,8m.
Chiều cao bộ phận thu hồi đường: 1,2m.
Tổng chiều cao tồn bộ thiết bị là: H = 3 + 3,3 + 0,8 + 0,8 + 1,2 = 9,1m.
c. Nồi 3
Diện thích trao đổi nhiệt: S2 = 410m2.
Kích thước: dt × dn × L: 0,038 × 0,041 × 2,8 (m).
Được chế tạo bằng thép khơng rỉ SUS 304.
Số ống truyền nhiệt được tính: n = S3
π×L×dt = 410
π×2,8×0,038 = 1227,192 chọn n = 1228 ống.
Đường kính ống tuần hồn trung tâm được tính theo cơng thức thực nghiệm: D = n×d
2n
E Với d2
n: Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt.
D = 1228×0,41
2
3,8 = 0,543 chọn D = 0,55(m).
Chiều cao buồng bốc hơi: thường h = (1-1,2) × L. Chọn h =1,2 × 2,8 = 3,36m.
Chiều cao của phần đáy: 0,8m.
Chiều cao của phần thốt hơi nước: 0,8m.
Chiều cao bộ phận thu hồi đường: 1,2m.
Tổng chiều cao tồn bộ thiết bị là: H = 2,8 + 3,36 + 0,8 + 0,8 + 1,2 = 8,96m.
d. Nồi 4
Diện thích trao đổi nhiệt: S2 = 410m2.
Kích thước: dt × dn × L: 0,038 × 0,041 × 2,5 (m).
Được chế tạo bằng thép khơng rỉ SUS 304.
Số ống truyền nhiệt được tính: n = S4
π×L×dt = 410
π×2,5×0,038 = 1374,45 chọn n = 1375 ống.
Đường kính ống tuần hồn trung tâm được tính theo cơng thức thực nghiệm: D = n×d
2 n
E Với d2
n: Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt.
E: Hệ số tuần hồn. Với sự tuần hồn tự nhiên theo thực tế, chọn E = 3,8. D = 1375×0,412
3,8 = 0,6 chọn D = 0,6(m).
Chiều cao buồng bốc hơi: thường h = (1-1,2) × L. Chọn h = 1,2 × 2,5 = 3m.
Chiều cao của phần đáy: 0,8m.
Chiều cao của phần thốt hơi nước: 0,8m.
Chiều cao bộ phận thu hồi đường: 1,2m.
Tổng chiều cao tồn bộ thiết bị là: H = 2,5 + 3 + 0,8 + 0,8 + 1,2 = 8,3m.
5.1.3. Tính tốn thiết bị lắng nổi
Thời gian lưu lại là 35 phút.
Hệ số chứa đầy: 0,9
Thể tích sirup sau khi lọc:
V = khối lượng sirup sau khi lọc×thời gian lưu lại trơng thùng 60×hệ số chứa đầy
= 21,74×35
60×0,9 = 14,09m3.
Chọn thể tích bể lắng nổi là 15m3.
Bơm sirup đi nấu:
Chọn bơm cĩ lưu lượng 20m3/h.
Chiều cao cột áp: 35mH2O.
Cơng suất: 7,5kw.
Số lượng: 2 máy.
5.1.4. Tính tốn thiết bị lắng chìm
Khối lượng sirup trước khi lọc: G =2 117,36 tấn/ngày = 88,22m3/h.
Thời gian lưu lại là 60 phút.
Hệ số chứa đầy: 0,9
Thể tích sirup sau khi lọc:
V = khối lượng sirup trước khi lọc×thời gian lưu lại trơng thùng 60×hệ số chứa đầy
= 88,22×60
60×0,9 = 98m3. Chọn thể tích bể lắng nổi là 100m3.
Bơm sirup đi nấu
Chọn bơm cĩ lưu lượng 120m3/h.
Chiều cao cột áp: 35mH2O.
Cơng suất: 22kw.
5.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị
5.2.1. Thiết bị cơ đặc
5.2.1.1. Sơ đồ hệ thống thiết bị cơ đặc
Để cơ đặc nước mía ta dùng phương pháp bốc hơi áp lực-chân khơng và sử dụng hệ 4 hiệu để bốc hơi. Cấu tạo nồi bốc hơi gồm hai đoạn thân trịn cĩ đường kính khác nhau, buồng bay hơi cĩ đường kính lớn hơn đường kính buồng đun nĩng để cĩ lợi cho nước đường chạy qua ống tuần hồn rồi đi vào nồi.
Hình 5. 1. Hệ thống bốc hơi
5.2.1.2. Cấu tạo của thiết bị cơ đặc
a. Cấu tạo
Hình 5.2. Cấu tạo thiết bị bốc hơi
6 13 8 14 4 3 1 5 2 16 9 10 17 11 7
Hình 5.3. Thiết bị bốc hơi
1. Mật chè vào. 2. kính quan sát. 3. Ống truyền nhiệt.
4. Ống dẫn khí khơng ngưng. 5. Nĩn thu hồi đường.
6. Ống tuần hồn.
7. Tháp ngưng tụ hơi và tạo chân khơng.
8. cửa vệ sinh.
9. Nước lạnh bơi vào. 10. Baromet.
11. Thùng chứa nước. 12. Mật chè đi ra. 13. Cửa xả cặn. 14. Hơi nước vào. 15. Ống xả nước ngưng. 16. Ống dẫn hơi nước thứ.
b. Nguyên lý hoạt động
Nước mía được hút vào thiết bị bốc hơi I (hiệu I), tại đây nước mía được đun nĩng do trao đổi nhiệt với hơi nước (hơi tuabin + hơi nước), cịn hiệu II sử dụng hơi thứ của hiệu I làm hơi đốt, tương tự hiệu III sử dụng hơi thứ của hiệu II và hiệu IV sử dụng hơi thứ của hiệu III làm hơi đốt. Do trao đổi nhiệt, nước mía được đun nĩng và sơi. Vì các ống truyền nhiệt nhỏ, diện tích truyền nhiệt lớn nên nhiệt độ trong ống truyền nhiệt lớn hơn trong ống tuần hồn, do đĩ tỷ trọng nước mía ở trong ống truyền nhiệt nhỏ hơn trong ống tuần hồn nên sẽ tạo nên vịng tuần hồn làm nước mía ở trong ống truyền nhiệt đi lên và trong ống tuần hồn đi xuống.
Trong quá trình sơi và đối lưu, nước mía bay hơi làm cho nồng độ mật chè ở các hiệu lần lượt tăng lên, đến cuối cùng thì Bx = 55-60%. Nước mía chuyển từ hiệu I đến hiệu IV là do sự chênh lệch áp suất giữa các hiệu, áp suất ở hiệu I > hiệu II > hiệu III > hiệu IV nên nhiệt độ ở hiệu I > hiệu II > hiệu III > hiệu IV.
Hơi thứ ở hiệu I được tận dụng đi nấu đường. Nước ngưng ở các hiệu được xả ra để cung cấp cho lị hơi hoặc làm nước thẩm thấu, hồi dung, ly tâm, nấu đường, khí