f) Tác dụng với NH3:
4.5.2. Tính diện tích truyền nhiệt
Theo kinh nghiệm khi chế tạo và sử dụng thùng hoạt hóa men giống thì: Cứ 1m3 dịch cần 0.6 m2 diện tích truyền nhiệt (làm mát).
⇒8.4 m3 dịch cần 0.6×8.4 = 5.04 m2.
Do bám cặn hệ số truyền nhiệt giảm đi 0.85 nên bề mặt truyền nhiệt phải tăng lên để bù vào.
⇒Ft = 5.04
0.85= 6 m2.
Chọn ống truyền nhiệt giống với ống truyền nhiệt của thùng hoạt hóa. - dtr = 20 mm.
- dtb = 22 mm vậy chiều dài ống truyền nhiệt là: 3 6 86.85 . tb 3.14 22.10 F L d π − = = = × m.
Bố trí hệ thống ống tương tự như nồi đường hóa nhưng chỉ có 2 vòng. - Vòng 1 nằm ngoài cùng cách vỏ 0.25 m.
⇒đường kính vòng ngoài d1 = D – 2×0.5 = 2.32 – 0.5= 1.82 m.
Chọn bước xoắn là h = 0.1 m.
⇒chiều dài 1 vòng xoắn lớp 1 là:
l1 = 2 2 1 (πd ) +h = (3.14 1.82)× 2+0,12 =5.71 m. - Vòng 2 cách vòng 1 là 0.25 m. Đường kính vòng 2 d2 = D – 4(0.25) = 2.32 – 1 = 1.32 m. l2 = 2 + 2 = 2) (πd h (3.14 1.32)× 2+0.12 =4.15 m. Tổng chiều dài 1 vòng ống là: T = l1 + l2 = 5.71 + 4.15 = 9.86 m. Vậy số tầng ống trong thùng là: n = 86.85 9 9.86 L T = = tầng ống. 4.6. Tính và chọn bơm.
Trong phân xưởng nấu, đường hóa và lên men cần bơm ở các vị trí sau:
Bơm dịch đường từ nồi đường hóa sang thùng lên men và thùng hoạt hóa men giống. - Lượng dịch cần chuyển sang thùng lên men (chuyển 90% dịch bột của nồi
đường hóa sang thùng lên men): 39796.65 lít trong thời gian 15 phút. - Chọn 2 bơm cùng làm việc.
Vậy cần chọn bơm có năng suất tối thiểu: Q = 39796.653 60 79.6
2 15 10 × =
× × m3/h.
Do vậy lựa chọn bơm có năng suất 80 m3/h.
Bơm này cũng sử dụng để chuyển 10% dịch đường sang thùng hoạt hóa men giống. Do đặc tính của dịch đường có độ nhớt cao và nhiều váng nên em lựa chọn loại bơm ly tâm.
Bơm giấm chín từ thùng lên men sang hệ thống chưng luyện, bơm cho hệ thống làm lạnh, bơm nước lạnh cho hệ thống làm lạnh, bơm đảo trộn tuần hoàn cho hệ thống chưng cất em chọn bơm ly tâm có công suất 50 m3/h.
4.7. Tính và chọn cho thiết bị chưng cất.4.7.1. Tính cho tháp thô. 4.7.1. Tính cho tháp thô.
4.7.1.1. Đường kính tháp.
Đường kính tháp thô được tính theo công thức sau: D1 = πω4V
Trong đó:
V: Thể tích hơi bốc lên khi chưng cất ở tháp thô. ω: Tốc độ hơi đi vào trong tháp. Chọn ω = 0.5 m/s. Mặt khác ta có:
V =
3600
i
GV
Vi: Thể tích riêng của hỗn hợp rượu nước ở áp suất 1.1 atm và có nồng độ 37.456 % KL. Tra bảng phụ lục V và nội suy ta có Vi = 1.175 m3/kg.
G: lượng hơi từ tháp thô bốc lên trong 1h. G = 1956.825 kg/h.
⇒V = 1956.825 1.175
3600 ×
⇒D1 = 4 0.64
3.14 0.5 ×
× = 1.27 m. Lấy tròn là 1.3 m (vì trong thực tế ta thường chọn
đường kính tháp lớn hơn so với tính toán để đảm bảo năng suất của hệ thống chưng luyện).
4.7.1.2. Chiều cao của tháp.
Theo kinh nghiệm ta chọn các thông số cho tháp thô loại mâm chóp là: - Khoảng cách các đĩa: h = 350 mm.
- Số đĩa là: n = 26.
- Chiều cao khoảng trống đỉnh tháp: h1 = 600. - Chiều cao khoảng trống đáy tháp: h2 = 950. - Chiều cao tổng của tháp là: H1 = h(n-1) + h1 + h2
⇒ H1 = 10300 mm.
4.7.2. Tính cho tháp aldehyt 4.7.2.1. Đường kính tháp. 4.7.2.1. Đường kính tháp.
Theo kinh nghiệm với năng suất 20000 lít/ngày thì em chọn đường kính của tháp aldehyt là D2 = 1000 mm.
4.7.2.2. Chiều cao tháp.
- Khoảng cách các đĩa: h = 170 mm. - Số đĩa là: n = 46.
- Chiều cao khoảng trống đỉnh tháp: h1 = 450. - Chiều cao khoảng trống đáy tháp: h2 = 700. Chiều cao tổng của tháp là: H2 = h(n-1) + h1 + h2
4.7.3.Tính cho tháp tinh. 4.7.3.1. Đường kính tháp tinh.
Theo kinh nghiệm với năng suất 20000 lít/ngày thì em chọn đường kính của tháp tinh là D3 = 1300 mm.
4.7.3.2. Chiều cao tháp.
- Khoảng cách các đĩa: h = 160 mm. - Số đĩa là: n = 80.
- Chiều cao khoảng trống đỉnh tháp: h1 = 600. - Chiều cao khoảng trống đáy tháp: h2 = 1000. - Chiều cao tổng của tháp là: H3 = h(n-1) + h1 + h2.
⇒ H3 = 14240 mm.
4.7.4. Các thiết bị phụ. 4.7.4.1. Bình hâm giấm.
Các thông số:
- Nhiệt độ ban đầu của giấm vào bình hâm giấm là: t1 = 250 C.
- Nhiệt độ giấm được hâm nóng lên sau khi qua bình hâm giấm: t2 = 700C. - Nhiệt độ hơi ngưng tụ của rượu ở nồng độ 37.456% KL là 93.20C. Diện tích truyền nhiệt:
F = tb t k Q ∇ × (****) Trong đó:
Q: Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng giấm từ nhiệt độ 250 C đến 700C. k: Hệ số truyền nhiệt.
tb t
∇ : Hiệu số nhiệt độ trung bình.
Tính Q.
Q = GC(t2 – t1) Trong đó:
- G = 10778.75 kg/h: Lượng giấm cần gia nhiệt trong 1h. - C = 0.95 Kcal/Kgđộ: Nhiệt dung riêng của giấm chín.
⇒ Q = 10778.75 ×0.95×(70 – 25) = 460791.56 Kcal/h.
Tính k:
Ta có công thức thực nghiệm: k = B3 ω2 .
- B = 700 w/m2độ: Hệ số truyền nhiệt riêng của ống đồng. - ω = 0.4 m/s: Tốc độ chất lỏng chảy trong ống.
⇒ k = 7003 2
0.4 = 380.02 Kcal/m2độ.
Nhưng trong thực tế do quá trình làm việc có lắng cặn nên hệ số truyền nhiệt giảm đi một nửa do đó hệ số truyền nhiệt thực tế là:
ktt = 380.02
2 = 190 Kcal/m2độ.
Tính ∇ttb.
- Nhiệt độ hơi ngưng tụ là 93.350C - ∇tmax= 93.2– 25 = 63.20C. - ∇tmin = 93.2 – 70 = 23.2 0C min max t t ∇ ∇ = 63.2 23.2 = 2.71 > 2 ⇒∇ttb= min max min max ln t t t t ∇ ∇−∇ ∇ = 63.2 23.2 63.2 ln 23.2 − = 41.90C.
F = 460791.56
190 41.9× = 57.88 m2.
Chọn ống truyền nhiệt có các thông số sau: - dt = 50 mm.
- Chiều dày ống: 2 mm.
⇒ Đường kính ngoài của ống: dn = 50 + 2×2 = 54 mm.
⇒ Đường kính trung bình của ống là: dtb = 54+250= 52 mm.
⇒ Tổng chiều dài ống truyền nhiệt là: L = tb d F π = 3 57.88 3.14 52 10× × − = 354.48 m.
Bố trí các ống truyền nhiệt theo hình lục lăng, số ống xếp trên đường chéo là: b = 13 ống.
Số ống có thể xếp trên tiết diện của bình hâm giấm là:
n = ( 1) 1
4
3 b2− + = 3 2
(13 1) 1
4 − + = 127 ống.
Vậy chiều dài mỗi ống là: l = Ln = 354.48
127 = 2.79 m.
Đường kính thiết bị bình hâm giấm: D = t(b –1) + 2C
Trong đó:
t: Khoảng cách tâm giữa hai ống liền nhau trên hình lục lăng. c: Khoảng cách từ tâm ống ngoài cùng đến thành thiết bị. Chọn: t = 2dn = 2×54 = 108 mm.
⇒ D = 108 (13–1) + 54 = 1350 mm. Chiều dài bình hâm giấm:
Lb = l + 2×d0 = 2.79 + 2×0.25 = 3.29 m.
d0: khoảng cách từ ống truyện nhiệt đến 2 đầu thiết bị. Vậy chọn bình hâm giấm có các thông số sau:
- F = 57.88 m2. - D = 1350 mm. - L = 3290 mm.
4.6.3.2. Bình ngưng tụ hồi lưu của tháp thô.
Tính diện tích truyền nhiệt.
Ta biết lượng hơi bốc lên trong 1h là: G = 1863.65 kg/h do vậy lượng nhiệt cần lấy đi để ngưng tụ hơi là:
Q = G×r Trong đó:
- r = 409.85 Kcal/Kg: Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu ở nồng độ 37.456% KL.
⇒ Q = 1863.65 ×409.85 = 763816.95 Kcal/h.
Biết rằng lượng nhiệt bốc hơi ở trên được sử dụng gia nhiệt cho giấm chín ở bình hâm giấm, lượng nhiệt lấy đi là 438849.1 Kcal/h.
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:(tổn thất nhiệt bằng 5% Q). Qm = 0.05×763816.95 = 38190.85 Kcal/h.
Vì vậy lượng nhiệt thực tế cần phải lấy đi để cho hơi ngưng tụ là: Q’ = 763816.95 - 438849- 38190.85 = 286777.1 Kcal/h
⇒ Vậy diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ là: F =
tb t k Q ∆ × '
Tính hệ số truyền nhiệt của ống truyền nhiệt.
- ω: vận tốc nước lạnh đi trong ống: 1m/s.
- thực thế hệ số truyền nhiệt của ống chỉ là ktt = 0.5×700 = 350 Kcal/m2độ.
Tính hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ttb.
- Nhiệt độ nước lạnh vào bình ngưng tụ là 250C. - Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tụ là 500C.
- Nhiệt độ ngưng tụ của hơi rượu ở nồng độ 37.456 % KL là 93.2. max t ∆ = 93.2 – 25 = 68.20C. min t ∆ = 93.2 – 50 = 43.20C. ⇒ min max t t ∇ ∇ = 68.2 43.2= 1.58 < 2. ⇒ ∆ttb= 2 min max t t +∆ ∆ = 68.2 43.2 2 + = 55.20C. Vậy diện tích truyền nhiệt là F = 286777.1
350 55.2× = 14.84 m2.
Trong thực tế sản xuất thì diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ thường lớn hơn 1.2 lần so với tính toán. Do đó diện tích truyền nhiệt của bình thực tế là: Ftt = 1.2×14.84 = 17.8 m2.
Chọn thiết kế 2 bình ngưng tụ nên F1= F2 = 8.9 m2.
Tính toán kích thước của mỗi bình ngưng tụ. Chọn loại ống truyền nhiệt kích thước:
- Đường kính trong: dt = 32 mm. - Chiều dày ống: 1.5 mm.
⇒ Đường kính ngoài của ống: dn = 32 + 2×1.5 = 35 mm.
⇒ Đường kính trung bình của ống là: dtb = 35+232= 33.5 mm.
L = tb d F π 1 = 3 8.9 3.14 33.5 10× × − = 84.6 m.
Bố trí số ống truyền nhiệt xếp theo hình lục lăng có số ống xếp trên đường chéo là b = 9 ống.
Số ống có thể xếp được trên tiết diện bình ngưng là:
n = ( 1) 1
4
3 b2− + = 3 2
(9 1) 1
4 − + = 61 ống.
Vậy chiều dài mỗi ống là: l = Ln = 84.6
61 = 1.39 m.
Đường kính thiết bị bình ngưng tụ.
D = t(b –1) + 2C
Chọn: t = C = 2dn = 2×35 = 70 mm.
⇒ D = 70×(9–1) + 70 = 630 mm. Chiều dài bình ngưng tụ.
Lb = l + 2×d0 = 1.39 + 2×0.25 = 1.89 m.
d0 = 0.25: khoảng cách từ ống truyện nhiệt đến 2 đầu thiết bị . Vậy chọn bình ngưng tụ có các thông số sau:
- F = 8.9 m2. - D = 630 mm. - L = 1890 mm.
4.6.3.3. Bình ngưng tụ hồi lưu và bình khí khó ngưng của tháp aldehyt.
Trong thực tế người ta chọn 1 bình ngưng tụ hồi lưu của tháp aldehyt bằng bình ngưng tụ tháp thô.
- F = 8.9 m2. - D =560 mm. - L = 1890 mm.
Và thêm 1 bình ngưng tụ khí khó ngưng tụ (thiết bị tách khí khó ngưng) có diện tích gần bằng 1/4 diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ hồi lưu.
- F = 2 m2.
Chọn ống truyền nhiệt làm từ đồng có các kích thước như sau: - Đường kính trong: dt = 15 mm.
- Chiều dày ống: 1mm.
⇒ Đường kính ngoài của ống ruột gà: dn = 15 + 2×1 = 17 mm.
⇒ Đường kính trung bình của ống là: dtb = 15+217 = 16 mm.
⇒ Tổng chiều dài ống truyền nhiệt là: L = tb d F π = 3 2 3.14 16 10× × − = 39.81 m.
- Bước xoắn ống ruột gà: t = 0.06 m. - Đường kính vòng xoắn: dx =0.6m.
⇒ Chiều dài một vòng xoắn: lv = ( )2 2
t dx + π = ( )2 2 3.14 0.5× +0.06 lv = 1.885 m. ⇒ Số vòng xoắn: n = x l L = 39.81 1.885= 21.12; quy tròn là 22 vòng. Chiều cao của phần ruột gà: h = n×t = 22×0.06 = 1.32 m.
Chiều cao của bình ngưng tụ khí khí ngưng: H = h + 2×h0 = 1.32 + 2×0.2 = H = 1.72 m. Đường kính của bình ngưng tụ khí khó ngưng: D = dx + 2×d0 = 0.6 + 2×0.1 D = 0.8 m.
Vậy bình ngưng tụ khí khó ngưng của tháp aldehyt có các thông số kỹ thuật sau: - F = 2.97 m2.
- D = 800 mm. - H = 2420 mm.
4.6.3.4. Bình ngưng tụ hồi lưu và bình ngưng tụ khí khó ngưng cho tháp tinh.
a. Bình ngưng tụ hồi lưu.
Tính diện tích truyền nhiệt.
Lượng nhiệt cần lấy đi để ngưng tụ trong 1h là Q. Q = v×R×r
- r = 218.9 Kcal/Kg: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu ở nồng độ 96.5%. - R = 659.7 kg/h: lượng cồn sản phẩm lấy trong 1h.
- v = 5: chỉ số hồi lưu của tháp tinh.
⇒ Q = 5×659.7×221 = 728968 Kcal/h.
⇒ Vậy diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ là: F =
tb t k Q ∆ × .
Tính hệ số truyền nhiệt của ống truyền nhiệt. - k = B3 ω2 = 700 3 12 = 700 Kcal/m2độ. - ω: vận tốc nước lạnh đi trong ống: 1m/s.
- thực thế hệ số truyền nhiệt của ống chỉ là ktt = 0.5×700 = 350 Kcal/m2độ.
Tính hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ttb
- Nhiệt độ nước lạnh vào bình ngưng tụ là 250C. - Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng tụ là 600C.
- Nhiệt độ ngưng tụ của hơi rượu ở nồng độ 96.5% KL là 780C. max t ∆ = 78 – 25 = 530C. min t ∆ = 78 – 60 = 180C.
⇒ min max t t ∇ ∇ = 1853 = 2.94 > 2. ⇒∇ttb= min max min max ln t t t t ∇ ∇−∇ ∇ = 18 53 ln 18 53− = 32.40C.
Vậy diện tích truyền nhiệt là F = 728968.5
350 32.4× = 64.3 m2.
Trong thực tế sản xuất thì diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ thường lớn hơn so với tính toán. Do đó diện tích truyền nhiệt của bình thực tế là: Ftt = 64.5 m2.
Chọn thiết kế 2 bình ngưng tụ nên F1= F2 = 32.25 m2.
Tính toán kích thước của mỗi bình ngưng tụ hồi lưu. Chọn loại ống truyền nhiệt kích thước:
- Đường kính trong: dt = 30 mm. - Chiều dày ống: 2 mm.
⇒ Đường kính ngoài của ống: dn = 40 + 2×2 = 42 mm.
⇒ Đường kính trung bình của ống là: dtb = 40 44
2 +
= 42 mm.
⇒ Tổng chiều dài ống truyền nhiệt là: L = tb d F π 1 = 3 32.25 3.14 42 10× × − = 244.54 m.
Bố trí số ống truyền nhiệt xếp theo hình lục lăng có số ống xếp trên đường chéo là b = 13 ống.
Số ống có thể xếp được trên tiết diện bình ngưng là:
n = ( 1) 1
4
3 b2− + = 3 2
(13 1) 1
Vậy chiều dài mỗi ống là: l = Ln = 244.54
127 = 1.92 m.
Đường kính thiết bị bình ngưng tụ hồi lưu.
D = t(b –1) + 2C
Chọn: t = C = 2dn = 2×44 = 88 mm.
⇒ D = 88(13–1) + 88 = 1144 mm. Chiều dài bình ngưng tụ hồi lưu.
- Lb = l + 2×d0 = 1.92 + 2×0.25 = 2.42 m.
- d0 = 0.25: khoảng cách từ ống truyện nhiệt đến 2 đầu thiết bị. Vậy chọn bình ngưng tụ có các thông số sau:
- F = 32.25 m2. - D = 1144 mm. - L = 2420 mm.
b. Bình ngưng tụ khí khó ngưng.
Chọn thiết bị bình ngưng tụ khí khó ngưng của tháp tinh bằng năng suất thiết bị bình ngưng tụ khí khó ngưng của tháp aldehyt
- F = 2 m2. - D = 800 mm. - H = 1720 mm. 4.6.3.5. Thùng làm mát cồn sản phẩm, bình làm mát cồn đầu và bình làm mát dầu fusel. a. Thùng làm mát cồn thực phẩm.
Tính hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ttb
- Nhiệt độ nước lạnh vào thiết bị: 250C.
- Nhiệt độ nước lạnh ra sau khi làm lạnh: 300C.