Tính tốn hệ thống khuấy:

4 .2Tính tốn thiết kế thiết bị

4.2.3 Tính tốn hệ thống khuấy:

 Ta có độ nhớ mơi trường làm việc dựa trên công thức:

𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 𝐵 − 0,0014 ∗ 𝐵 ∗ 𝑡) ∗ 10−3

Với B: nồng độ phần trăm (%) t: nhiệt độ của môi trường (0C)

suy ra: 𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 13 − 0,0014 ∗ 13 ∗ 30) ∗ 103 = 1,252 ∗ 10−3

Khối lượng riêng 𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚3

 Đường kính cánh khuấy: 𝑑𝑘 =𝐷

3 = 0,8𝑚

Chọn cánh khuấy mái chèo tua bin 3 cánh thẳng ( dựa trên “ Các quá trình và thiết bị trong cơng nghệ hóa chất và thực phẩm tập 2) Bảng 6.2; 6.3

𝐻 𝑑𝑘 = 3; 𝐷 𝑑𝑘 = 3; 𝑆 𝑑𝑘 = 0,33 Số Renoyl 𝐴 = 6,8; 𝑚 = 0,2; 𝑎 = 1; 𝑏 = 40 𝑅𝑒𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑 2 𝜇 Với n: số vòng quay ( vòng/s)

𝑛 = 𝜔 𝜋 ∗ 𝑑𝑘 𝜔: 𝑣ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦 (𝑚 𝑠) Tuabin có 𝜔 = 1,5 ÷ 2,0𝑚 𝑠 Chọn 𝜔 = 2,0𝑚 𝑠 Ta có 𝑛 = 2 𝜋∗0,8= 0,8𝑣ị𝑛𝑔 𝑠 = 48𝑣ị𝑛𝑔 𝑝ℎú𝑡 𝑅𝑒𝑚 = 1068,27 ∗ 0,8 ∗ 0,8 2 1,252 ∗ 10−3 = 4.37 ∗ 105 𝑅𝑒𝑚 > 7 ∗ 104 → 𝐸𝑣𝑀 = 𝐴

 Phương trình cơng suất:

𝑁𝑀 = 𝐴 ∗ 𝜌 ∗ 𝑛3 ∗ 𝑑5∗ (𝑛 2 ∗ 𝑑 𝑔 ) ∗𝑎 − log 𝑅𝑒𝑀 𝑏 = 6,8 ∗ 1068,26 ∗ 0,83 ∗ 0,85 ∗ (0,8 2 ∗ 0,8 9,81 ) ∗1 − log(4,37 ∗ 10 5) 40 = 1716,66 𝑊

 Cơng thức tính tốn cho trục khuấy trộn:

𝑁𝑝 = 𝑘1 ∗ 𝑘2∗ (∑ 𝑘 + 1) ∗ 𝑁𝑀

Với k1: hệ số chứa đầy, k2: hệ số có tính đến tăng cơng suất do tăng sức cản của mơi trường trong q trình phát triển của môi trường ( k2=1,1)

∑ 𝑘 : hệ số tính đến sự tăng công suất để vượt thắng sức cản gây ra do cơ cấu phụ.

∑ 𝑘 = 𝑘𝑛 + 𝑘𝑀 + 𝑘𝑇

kn: hệ số cản của vách ngăn phản xạ ( kn=1,5) kM: hệ số cản bộ khung trộn ( kM=0,2)

kT: hệ số cản của ống lót trục ( kT=0,3)

∑ 𝑘 = 1,5 + 0,2 + 0,3 = 2,0

Suy ra: 𝑁𝑝 = 0,65 ∗ 1,1 ∗ (2 + 1) ∗ 1716,66 = 3682,24 𝑊

Đường kính trục dẫn của máy khuấy:

𝑑𝐵 = 1,7 ∗ √𝑀𝑥 𝜏𝑐𝑝

3

Với Mx : momen xoắn.

𝜏𝑐𝑝: ứng suất tiếp cho phép đối với vật liệu CM: hiệu chỉnh rò rỉ. 𝑀𝑥 = 0,163 ∗𝑁𝑝 𝑛 = 0,163 ∗ 3682,24 2,6 = 230,85 𝑁/𝑚 Trục chế tạo bằng thép CT45. Giới hạn bền 𝜎𝑏 = 610 ∗ 106 𝑁 𝑚2 , hệ số an toàn n=2,6 Ứng suất cho phép: [𝜎] = 𝜎𝑏 𝑛 = 234,6 ∗ 106 𝑁/𝑚2

Ứng suất tiếp cho phép:[𝜏] = 0,6 ∗ [𝜎]

Ứng suất cho phép đối với các trục của cơ cấu khuấy:

[𝜏′]𝑐𝑝 = 0,5 ∗ [𝜏] = 0,5 ∗ 0,6 ∗ [𝜎] = 70,38 ∗ 106 𝑁/𝑚2

Suy ra: 𝑑𝐵 = 1,7 ∗ √ 230,85

70,38∗106

3

= 0,025𝑚 = 2,53𝑐𝑚

Để đảm bảo độ bền cần lấy tích của dB với hệ số 1,25 Suy ra 𝑑′𝐵 = 𝑑𝐵∗ 1,25 = 3,16𝑐𝑚

Đường kính đoạn trục nằm cao hơn tuabin nhỏ phía dưới

𝑑′′𝐵 = 1,07 ∗ 𝑑′𝐵 = 3,38𝑐𝑚

Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu (m) với:

𝑆𝑐 = 0,044 ∗ √𝑑′′

𝐵= 8,09 ∗ 10−3 = 8,1𝑚𝑚 𝑑′′𝐵: đường kính trục (m)

Chiều cao miếng đệm: ℎ𝑐 = 6𝑆𝑐 = 48,54𝑚𝑚

Công suất để thắng ma sát trong vòng chắn dầu trục:

𝑁𝑐 = 2 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2𝐵∗ 𝑆𝑐 ∗ 𝑃 ∗ (𝑒0,1∗ℎ𝑐𝑆𝑐 − 1) = 1056392,97 𝑊

P: áp suất khí làm việc trên mức lỏng ( 𝑃 = 1. 105𝑁/𝑚2) Công suất động cơ:

𝑁 = 1,15 ∗(𝑁𝑝 + 𝑁𝑐)

𝜂 = 1741552 ,13 𝑊 ≈ 1,7 𝑀𝑊

Với 𝜂: là hiệu suất truyền động (70%).

4.3 Tính tốn nhập liệu

 Thể tích hỗn hợp lỏng nhập liệu GF = 18m3

 Thời gian bơm nhập liệu :  = 30 phút = 0,5h

 Suất lượng thể tích của dịng nhập liệu đi trong ống QF = 𝐺𝐹

 =

18

0,5 = 36 m3/h

4.4 Tính tốn chi ều cao bồn cao vị

Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu d= 150(mm),độ nhám ống  = 0,1 (mm), chiều dài ống 15 (m)

µ = 1,25.10-3N/m.s

 Chọn bơm có năng suất là Qb = 36m3/h

 Vận tốc dòng nhập liệu trong ống VF = 4.𝑄𝐹

3600.𝜋.𝑑ℎ2 = 4.36

3600.𝜋.0,152 = 0, 566(m/s)

 Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu

ReF = 𝑑.𝜌𝐹 .𝑣𝐹

𝜇𝐹 = 0,566 . 0,15 . 1068,27

1,252.10−3 = 72441

Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập 1, ta có:

 Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6. (𝑑ℎ

𝜀 ) 8 7

= 25584

 Chuẩn số Reynolds khi bắt đàu xuất hiện vùng nhám Ren = 220. (𝑑ℎ

𝜀 ) 9 8

= 823237.88

Suy ra : Regh < Re < Ren

 Khu vực chảy quá độ  = 0,1. (1,46. 𝜀

𝑑ℎ+ 100

𝑅𝑒)0,25= 0,022  Xác định ∑

Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua:  van cầu : 𝑣 = 10. 3= 30

 7 chỗ uốn công : 𝑢 = 7. 1,1 = 7,7

 lần đột thu : 𝑡1 = 2. 0,5 = 1

 lần đột mở : 𝑚1 = 2. 1= 2

Vậy tổn thất trong ống dẫn liệu: h = (0,022 . 20

0,15+ 40,7) .0,566

2

2.9,81 = 0,7124 (m chất lỏng)

 mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị  mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp

 Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2) z1 + 𝑃1 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣1 2 2.𝑔 = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣2 2 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 Với :

 z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị Hcv = z1

 z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất :

z2 = hchân đỡ + hbình = 0,5 + 7,23 = 7,73 (m)  p1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1) , chọn p1 = 1at  p2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2) chọn p2 = 1at  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1) , xem như v1 = 0 (m/s)  v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu , v2 = vF = 0,566 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

∑ ℎ𝑓1−2 = h = 0,7124 (m)  Vậy chiều cao bồn cao vị Hcv = z2 + 𝑝2−𝑝1

𝜌𝐹.𝑔 + 𝑣22−𝑣12 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 = 7,73 + 0,566 2 2.9,81 + 0,7124 = 8,46 m  Chọn cao vị là 10m

4.5 Chọn bơm nhập liệu

Chọn bơm nhập liệu có năng suất 3,6m3/h. Đường kính ống hút và đẩy bằng nhau bằng d = 150(mm)

Nhiệt độ trung bình nhập liệu là 300C và  = 1068,27 kg/m3 µ = 1,25.10-3N/m.s Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút đẩy

Vh = vd = 4.𝑄𝑏

3600.𝜋.𝑑ℎ2 = 4.36

3600.𝜋.0,152 = 0,566(m/s) Với

- 𝑙ℎ: chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m) - 𝑙𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m) - ∑ℎ: tổng tổn thất cục bộ trong ống hút - ∑

𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy -  : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu ReT = 𝑑.𝜌𝑇 .𝑣𝑇

𝜇𝑇 = 0,566 . 0,15 . 1068

1,25 .10−3 = 72538,56

Theo “ sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập 1 Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6. (𝑑ℎ

𝜀 ) 8 7

= 25584,08

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren = 220. (𝑑ℎ

𝜀 ) 9 8

= 823237,88

Suy ra : Regh < Re < Ren

 = 0,1. (1,46. 𝜀 𝑑ℎ+ 100 𝑅𝑒)0,25= 0,022  Xác định ∑ ℎ Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua - 1 van cầu : vh = 10

- 1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5 suy ra : ∑ℎ = vh + t = 10,5

 Xác đinh ∑

𝑑

Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua  1 van cầu : : = 10

 lần uốn cong : u = 3. 1,1 = 3,3 Suy ra ∑𝑑 = vd + u = 13,3

 Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,022.1,5+11,5

0,15 + 10,5 + 13,3).0,5662

2. 9,81 = 0,417

Chọn: Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị.

Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2): z1 + 𝑃1 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣1 2 2.𝑔 + Hb = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣2 2 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2

 z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất.

 z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.

 p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1at

 v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

 Hb : cột áp của bơm

Suy ra : Hb = ( z2- z1) + hhd = Hcv + hhd = 10,42m

Chọn hiệu suất của bơm là 80%

Công suất thực tế của bơm Nb = 𝑄𝑏.𝐻𝑏.𝜌𝐹.𝑔

3600 . 0,8 = 36 . 10,42 . 1068,27. 9,81.

3600 . 0,8 =

1364,64 (W)

4.6 Chọn bơm tháo liệu

Lưu lượng dòng nhập liệu là 36 m3/h

Chọn bơm có cơng suất là 36 m3/h. đường kính ống hút đẩy bằng nhau bằng 150(mm)

Dòng tháo liệu có nhiệt độ trung bình là 30oC Các tính chất của dịch sản phẩm:

 Khối lượng riêng  = 964,2 (kg/m3)  Độ nhớt động lực µ = 1,772.10-3 (N/m2s) Vận tốc dòng tháo liệu VT = 4.𝑄𝑇 3600.𝜋.𝑑ℎ2 = 4.36 3600.𝜋.0,152 = 0,566 (m/s) Tổng trở lực trong ống hút đẩy Hhd = (.𝑙ℎ+𝑙𝑑 𝑑ℎ𝑑 + ∑ℎ + ∑𝑑). 𝑉𝑇 2 2.𝑔 Với - 𝑙ℎ: chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m)

- 𝑙𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m) - ∑ ℎ: tổng tổn thất cục bộ trong ống hút - ∑ 𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy -  : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy

Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu ReT = 𝑑.𝜌𝑇 .𝑣𝑇

𝜇𝑇 = 0,566 . 0,15 . 964,2

1,772 .10−3 = 46196,72

Theo “ sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập 1 Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6. (𝑑ℎ

𝜀 ) 8 7

= 25584

Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren = 220. (𝑑ℎ

𝜀 ) 9 8

= 823237.88

Suy ra : Regh < Re < Ren Khu vực chảy quá độ

 = 0,1. (1,46. 𝜀 𝑑ℎ+ 100 𝑅𝑒)0,25= 0,024 Xác định ∑ ℎ Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua  1 van cầu : vh = 10

 1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5  1 lần uốn góc : u = 1,1

suy ra : ∑

ℎ = vh + t = 10,5

 Xác đinh ∑

𝑑

 1 van cầu : : = 10

 lần uốn cong : u = 3. 1,1 = 3,3  1 lần đột mở : m = 1

Suy ra ∑𝑑 = vd + u + m = 14,3

 Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,024.1,5+11,5

0,15 + 10,5 + 14,3).0,5662

2. 9,81 = 0,439

Chọn: Mặt cắt (1-1) là đáy chất lỏng trong bồn lên men

Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa sản phẩm. Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2):

z1 + 𝑃1 𝑔.𝜌 + 𝑣1 2 2.𝑔 + Hb = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌 + 𝑣2 2 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2

 z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất.

 z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.

 p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1,4. 106𝑁/𝑚2

 p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2=1at = 101325 N/m2  v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)

 Hb : cột áp của bơm

Suy ra : Hb = ( z2- z1)+𝑝2−𝑝1

𝜌.𝑔 hhd

Do áp suất trong bồn lên men lớn hơn rất nhiều so với áp suất ở bồn chứa sản phẩm nên ta không cần dùng đến bơm.

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN

Sau quá trình tìm hiểu và tính tốn thiết kế thiết bị lên men Ethanol sinh học từ rơm rạ, chúng em đã thiết kế một hệ thống lên men dịch đường sau thủy phân theo phương pháp ni cấy chìm dạng mẻ và đưa ra các đặc tính kĩ thuật của thiết bị chính ( bồn lên men) với các thông số đã cho ban đầu:

 Thể tích nhập liệu: 𝑉 = 20𝑚3

 Nhiệt độ lên men: 𝑇 = 410C

 Thời gian lưu: 36 giờ

 Nhiệt độ: 300C

 Hàm lượng men: 10% tổng dịch đường lên men.

 Thiết bị chính: Bồn lên men

 Chọn vật liệu là thép CT 3

 Thể tích thiết bị: 𝑉 = 31𝑚3

 Chiều cao bồn lên men: 7,23m

 Đường kính trong của thiết bị: 2,41m

 Chiều dày vách: 1,43cm

 Chiều dày đáy và nắp elip: 16mm

 Hệ thống khuấy

 Độ nhớ dung dịch:𝜇 = 1,252 ∗ 10−3  Chọn cánh khuấy tuabin 3 cánh thẳng.

 Đường kính cánh khuấy: 0,8m

 Số vòng quay: 48 vịng/phút

 Cơng suất trục khuấy trộn: 3682,24 W

 Đường kính trục dẫn của máy khuấy: 3,16cm

 Đường kính trục nằm cao hơn tuabin nhỏ phía dưới: 3,38cm

 Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu: 8,1cm

 Bơm nhập liệu:

 Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút ,đẩy: 0,566 (m/s)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa học, truyền khối tập 3 – Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

[2]. Sổ tay quá trình và thiết bị tập II – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006

[3]. Hồ Lê Viên, “ Thiết kế và tính tốn các chi tiết thiết bị hóa chất”, nhà xuất bản giáo dục, 1978.

[4]. Bài giảng truyền nhiệt truyền khối – PGS. TS Trương Vĩnh – Trưởng BM. Cơng Nghệ Hóa Học – Trường ĐH Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

[5]. http://doc.edu.vn/tai-lieu/do-an-nghien-cuu-sane-xuat-phan-compost-tu-vo- ca-phe-11557 [6].http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol-tu- rom-ra [7]. http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524/ [8]. http://d3.violet.vn/uploads/previews/561/2252381/preview.swf [9]. https://cdtp4.files.wordpress.com/2011/10/chuong-5_len-men.pdf

[10]. “ Các quá trình thiết bị trong cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập II” – Nguyễn Pin.