Cô đặc 3 nồi cho dung dịch đường mía, năng suất 5200 kg h tính theo nhập liệu

Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc ba nồi cho dung dịch đường mía, năng suất thiết bị là 5200 kgh tính theo nguyên liệu đầu vào. Nồng độ ban đầu 8% tới nồng độ cuối là 40% (theo khối lượng) Sử dụng loại nồi cô đặc liên tục, có ống tuần hoàn trung tâm Sử dụng hơi bão hòa làm nguồn cấp nhiệt 1.2. Tính chất nguyên liệu Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozo Nước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 1215%. Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường. Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ống Trong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy. Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186C. Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30C với nồng độ 10% thì độ nhất là 1.37cP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 3 NỒI CHO DUNG DỊCH ĐƯỜNG MÍA, NĂNG SUẤT 5200 KG/H TÍNH

THEO NGUYÊN LIỆU ĐẦU VÀO

Sinh Viên Thực Hiện:

Giáo Viên Hướng Dẫn: PHAN THẾ DUY

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Sinh Viên Thực Hiện:

Giáo Viên Hướng Dẫn: PHAN THẾ DUY

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là quá trình làm bài và được sự hướng dẫn của giảng viên Phan Thế Duy Các nội dung trong đề tài “ Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi cho

dung dịch đường mía, năng suất 5200 kg/h tính theo nguyên liệu đầu vào ” của chúng em

là trung thực Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được cá nhân thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung bài tiểu luận của

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Thực Phẩm của trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án

Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Phan Thế Duy, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

1.1 Tên đề tài 2

1.2 Tính chất nguyên liệu 2

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế 2

1.4.1 Định nghĩa quá trình cô đặc 3

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8

3.1 Dữ kiện ban đầu 8

3.2 Cân bằng vật chất 8

3.3.1 Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt mỗi nồi 10

3.3.2 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ cho mỗi nồi 11

3.4 Tính tổn thất nhiệt độ mỗi nồi 12

3.4.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 12

3.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’) 13

3.4.3 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ (Δ’’’) 14

3.4.4 Tổn thất cho toàn hệ thống 15

3.4.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi 15

3.4.6 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 16

CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ CHÍNH 21

4.1 Tính kích thước buồng đốt 21

4.1.1 Số ống truyền nhiệt 21

4.1.2 Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm (tính theo bề mặt trong) 22

4.1.3 Đường kính trong buồng đốt 22

4.1.4 Chiều dày buồng đốt 23

4.1.5 Chiều dày đáy buồng đốt 26

5.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet 40

5.1.1 Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 40

5.1.2 Lượng không khi cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 40

5.1.3 Đường kính thiết bị ngưng tụ 41

5.4.2 Bơm tháo liệu 61

5.4.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ 64

5.4.4 Bơm chân không 66

KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số hơi đốt 10

Bảng 3.2 Các thông số hơi thứ 11

Bảng 3.3 Kết quả tính toán của phương trình cân bằng nhiệt lượng 20

Bảng 4.1 Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 34

Bảng 4.2 Bích liền kim loại đen loại 1 để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn 35

Bảng 5.1 Các hệ số trở lực cục bộ 50

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển cộng nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu

Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tên đề tài

Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc ba nồi cho dung dịch đường mía, năng suất thiết bị là 5200 kg/h tính theo nguyên liệu đầu vào

Nồng độ ban đầu 8% tới nồng độ cuối là 40% (theo khối lượng)

Sử dụng loại nồi cô đặc liên tục, có ống tuần hoàn trung tâm

Sử dụng hơi bão hòa làm nguồn cấp nhiệt

1.2 Tính chất nguyên liệu

Thành phần chủ yếu trong nước mía là saccarozo

Nước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 12-15% Cần cô đặc đến nồng độ khoảng 65% để đáp ứng nhu cầu nấu đường

Nồng độ không được quá loãng vì sẽ tốn thời gian nấu đường, cũng như không được quá đặc vì sẽ kết tinh đường trong ống

Trong quá trình cô đặc cần khống chế nhiệt độ, rút ngắn thời gian lưu để tránh tổn thất đường do chuyển hóa và phân hủy Nhiệt độ nóng chảy và phân hủy của saccarozo là 186C

Dung dịch ban đầu có độ nhớt khá nhỏ, ở 30C với nồng độ 10% thì độ nhất là 1.37cP

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Có thể sử dụng cô đặc dung dịch bằng một nồi hay nhiều nồi, ở đề tài này, chúng ta chỉ xét hệ thống cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai đưa vào nồi thứ ba… hơi thứ cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên Điều kiện

cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

1.4 Qúa trình cô đặc

1.4.1 Định nghĩa quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi với mục đích:

Làm tăng nồng độ chất tan

Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

1.4.2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu từ sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

1.4.3 Bản chất của quá trình cô đặc

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lông và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nội có đặc

1.4.4 Ứng dụng của cô đặc

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung tinh dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết

Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, Cach, các muối vô cơ

1.5 Thiết bị cô đặc

1.5.1 Phân loại và ứng dụng

1.5.1.1 Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 –3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng chodung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa

1.5.1.2 Theo phương pháp thực hiện

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đối Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo căn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi dẹt Sẽ nói không liên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, có đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

1.5.2 Thiết bị chính và thiết bị phụ

1.5.2.1 Thiết bị chính

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

Buồng đốt, buông bốc, đáy, nắp

1.5.2.2 Thiết bị phụ

Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ Baromet, Thiết bị đo và điều chỉnh

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH 2.1 Thuyết mình quy trình

Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch đường mía Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn định lưu lượng sau đó vào thiết bị gia nhiệt thông qua lưu lượng kế và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt có thân hình trụ đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Hơi nước bão hòa đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch được đưa vào thiết bị, đi bên trong ống từ dưới lên Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt độ của dung dịch đến nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ được đưa vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra bên ngoài Dung dịch sau nồi 1 tiếp tục qua nồi 2, hơi từ nồi 1 dẫn qua nồi 2 để tiếp tục gia nhiệt, tương tự như vậy khi qua nồi 3

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: buồng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt thẳng đứng Dung dịch được nhập vào cửa bên dưới, gần vị trí nối ống tuần hoàn và buồng đốt, sau đó dung dịch đi trong ống truyền nhiệt, hơi đốt được cấp vào phía trên của buồng đốt sẽ đi trong khoảng không phía ngoài ống Hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống Dung dịch đi trong ống từ dưới lên và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi rồi tràn vào buồng bốc hơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài

Phần phía ngoài là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai dòng dựa theo sự khác nhau về khối lượng riêng, sản phẩm cần thu nhận có khối lượng riêng lớn hơn sẽ rơi xuống đáy buồng bốc và đi xuống theo ống tuần hoàn Khi đó, một phần dung dịch sẽ được đưa ra ngoài theo ống lấy sản phẩm, một phần sẽ được tuần hoàn lại, dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ dẫn vào cuối thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài Khí ngưng tụ chuyển thành hơi lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bị áp suất sẽ giảm Vì vậy thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ thống Áp suất làm việc của thiết bị baromet là áp suất chân không do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm

Bình tách giọt là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp suất của thiết bị ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Dữ kiện ban đầu

Nồng độ đầu xđ= 8%

Nồng độ cuối xc= 40%

Năng suất nhập liệu Gđ= 5200 kg/h

Áp suất hơi bão hòa P = 2 at

Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,76 at

Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,76 = 0,24 at

𝑊1, 𝑊2 , 𝑊3 lần lượt là lượng nước bốc hơi ở nồi 1, 2, 3 (kg/s)

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu ta giả thuyết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt thì ta được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống

cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi

Dựa vào giả thuyết trên ta có:

Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h

Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W1 : W2 :W3 = 1 : 1,1 : 1,2

Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi:

Giả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt các nồi là: ∆P1 : ∆P2 : ∆P3 = 4.2 : 2,1 : 1

3.3.1 Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt mỗi nồi

Gọi: Thđi là nhiệt độ của hơi đốt nồi thứ i

ihđi là nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi thứ i rhđi là nhiệt hóa hơi

tương ứng với áp suất hơi đốt Phđi (tra bảng I.250, trang 314 [1])

Với thiết bị ngưng tụ baromet Pnt = 0,76 at => Tnt = 41,540C

3.3.2 Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ cho mỗi nồi

Gọi ∆𝑖′′′ là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống

Chọn ∆1 = ∆2 = ∆3 = 10C

Gọi thti là nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i, 0C

Áp dụng công thức: thti = Thđi + ∆𝑖′′′

Nhiệt độ hơi thứ nồi sau = nhiệt độ hơi đốt nồi trước – 10C

Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối = nhiệt độ thiết bị baromet + 10C

Vậy từ những dữ kiện trên, ta có:

tht1 = Thđ2 + 1 = 77,9757 + 1 = 78,9757 0C

tht2 = Thđ3 + 1 = 56,3575 + 1 = 56,3575 0C

tht3 = Tnt + 1 = 41,54+ 1 = 42,540C

Gọi: Phti là nhiệt độ của hơi thứ nồi thứ i

ihti là nhiệt lượng riêng hơi thứ i rhti là nhiệt hóa hơi

tương ứng với áp suất hơi đốt thti (tra bảng I.250, trang 314 [1])

rht (kJ/kg) 2241,2 2266,5 2278,95

3.4 Tính tổn thất nhiệt độ mỗi nồi

3.4.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch (tsdd ) bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (tsdm)

Hiệu số nhiệt độ ’= tsdd – tsdm gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

Công thức tính toán : ’ = Δ’o f

Với Δ’o là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung môi

f là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung môi

f = 16,2(𝑡+273)2 𝑟

Trong đó : T là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K; r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc,J/kg

Tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (% khối lượng)

Δ’3 = 1,6 16,2.(92,52+ 273)2

2278,95.103=1,51960C

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ ở 3 nồi là: : ∑Δ’ = Δ 1’+ Δ 2’ + Δ 3’ = 2,0166C

3.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)

Polà áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch

h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch, chọn h=0,5 cho cả 3 nồi

h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi

Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở nhiệt độ 200C.(tra bảng I.86, trang 58 [1])

xdd1 = 11,9% => ρdd1 = 1047,89 kg/m3

3.4.3 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ (Δ’’’)

Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là ' '= 1÷ 1,50C Chọn nhiệt độ tổn thất trên mỗi đường ống là Δ’’’ = 1oC

3.4.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình dung dịch:

∆T2 = Thđ2 – ts2 = 77,9757 – 58,0625 = 19,910C

∆T3 = Thđ3 – ts3 = 56,3575 – 47,3596 = 8,99790C

3.4.6 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi:

D1, D2, D3 là lượng hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h

W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J/kg.độ

tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch, 0C

ts1, ts1, ts1 nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3, 0C

ihđ1, ihđ2, ihđ3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

iht1, iht2, iht3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3,J/kg

C1, C2, C3 nhiệt dung riêng của dung dịch nồi 1,2,3, J/kg.độ

Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ θ1 θ2 θ3 nhiệt nước của ngưng nồi 1,2,3, 0C

Qtt1, Qtt2, Qtt3 nhiệt tổn thất ra môi trường sung quanh, J

Theo phương trình cân bằng nhiệt, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra:

Nhiệt lượng vào:

Nồi 1:

- Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.tđ

- Do hơi đốt: D1.ihđ1

Nồi 2:

- Do hơi đốt mang vào: D2.ihđ2

- Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ – W1).C1.ts1 Nồi 3:

- Do hơi đốt mang vào : D3.ihđ3

- Do dung dịch nồi 2 mang vào: (Gđ – W1 –W2).C2.ts2

Nhiệt lựợng ra:

Nồi 1:

Do hơi đốt mang ra: W1.iht1

Do dung dịch mang ra: (Gđ – W1).C1.ts1

Do nước ngưng mang ra: D1.Cn1 θ1

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt1 = 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1)

Nồi 2:

Do hơi thứ mang ra: W2.iht2

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2).C2.ts2

Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.θ2

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2)

Nồi 3:

Do hơi thứ mang ra: W3.iht3

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3

Do nước ngưng mang ra: D3.Cn3.θ3

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0,05.D3.(ihđ3 – Cn3 θ3)

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Với ili là nhiệt lượng riêng của nức ngưng nồi 1,2,3

Thay các dữ kiện trên vào phương trình (1), (2), (3), với các ẩn là W1, W2, W3, D1 ta có kết quả như bảng sau:

Bảng 3.3 Kết quả tính toán của phương trình cân bằng nhiệt lượng

CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ CHÍNH

Thiết bị làm việc ở áp suất cao nhất là P= 2at = 2.9,81.104 = 1,962.105 N/m2 < 1,6.106 N/m2 nên coi như làm việc ở áp suất thấp

d là đường kính của ống truyền nhiệt, m

Do trong cả ba nồi hệ số cấp nhiệt của hơi đốt α1 > hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi Vậy chọn d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

Ống truyền nhiệt loại 64x7, tức là:

Đường kính ngoài: dn = 64 mm =64.10-3m

Độ dày: δ = 7mm = 7.10-3m

đường kính trong của ống d = dn - 2δ = 64.10-3 – 2.7.10-3 = 0,07m

l là chiều dài ống truyền nhiệt, m Chọn l = 4m

Vậy từ các giả thiết trên, ta có số ống trong buồng đốt là:

Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh = 23 ống

Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân = 397 ống

Tổng số ống trong tất cả hình viên phân = 42 ống

Tổng số ống của thiết bị = 439 ống

4.1.2 Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm (tính theo bề mặt trong)

Vì đây là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm Nên tiết diện tuần hoàn trung tâm Fth lấy bằng khoảng 25% - 35% tổng bề mặt tiết diện tất cả các ống truyền

4.1.3 Đường kính trong buồng đốt

Đường kính trong của buồng đốt tính theo công thức:

2 do xếp ống theo hình lục giác đều l là chiều dài ống truyền nhiệt, m Chọn l = 2m

4.1.4 Chiều dày buồng đốt

Thường dùng thép chịu nhiệt CT3

Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong P được xác định theo công thức

Trong đó:

Dtr: là đường kính trong của buồng đốt, m

 : hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc,chon =0,95

C2 – là đại lượng chống ăn mòn khi nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn Ở đây coi môi trường bão hòa nên C2 = 0

C3 – đại lượng bổ sung đo dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu,

Với η là hệ số điều chỉnh,theo bảng XIII.2/356 – [2] ta chọn η = 1

nb là hệ số an toàn theo giới hạn bền theo bảng XIII.3/356 – [2] ta chọn

*Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

Pth áp suất thử thuỷ tĩnh lấy theo bảng XIII.5/358 – [2]

Kiểm tra với áp suất làm việc lớn nhất và dung dịch có tỉ trọng lớn nhất Vậy bề dày buồng đốt cho cả 3 nồi là 10mm

4.1.5 Chiều dày đáy buồng đốt

𝑆𝑑 = 𝐷𝑡𝑟.𝑃 𝑦

2 [𝜎𝑢]𝜑ℎ + 𝐶 =

1,7.21,047 104 2

2.146,154 106 0,95+ 0,0014 = 0,0039 𝑚

Vậy ta chọn chiều dày của đáy là 30 mm

Giờ ta kiểm tra ứng suất thành đáy buồng đốt ở áp suất thủy lực

Với công thức sau:

W là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, kg/h

Vì lượng hơi thứ nồi 3 bốc ra là lớn nhất, nên ta tính theo nồi 3 và quy chuẩn cho 2 nồi còn lại

W = W3 =1512,7 kg/h

𝜌ℎ là khối lượng riêng của hơi thứ

𝜌ℎ= 𝜌ℎ𝑡3= 0,0784 kg/m3 tra khối lượng riêng hơi thứ theo nhiệt độ hơi thứ tra

f là hệ số điều chỉnh - xác định theo đồ thị ( VI.3, trang 72, [2] )

Khi Ph < 1at thì đồ thị không chính xác với Pht3 = 0,0784 at →f = 1,015 → Utt = 1,015 1600 = 1624 m3/m3h

𝑉 = 1512,7

0,0784.1624 = 4,335 (𝑚 3)

4.2.2 Chiều cao buồng bốc

Vậy ta tính được chiều cao không gian hơi H bằng công thức (VI.34, trang 72, [2])

Trong thực tế thường chiều cao của khoảng không gian hơi không nhỏ hơn 1,5m Vậy Với: Đường kính trong là Dtr= 1,8 m

Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc = 0,95

[σk] = 146,154.106 (N/m2)

Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày C= 0,0014 m

P là áp suất trong thiết bị

Khảo sát với nồi 1 là nồi có áp suất làm việc lớn nhất

Ta thấy S – C < 10 mm nên ta tăng thêm C thêm 3 mm nên ta chọn S = 7 mm

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

Vậy bề dày buồng bốc của cả 3 nồi được thiết kế là 7 mm

Để thống nhất với độ dày phòng đốt nên chọn S = 10 mm