Đồ án thiết kế hệ thống Cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 1000 kgh

 Sự chuyển hóa đường saccarose Nếu nước mía trong có tính acid và các chất không đường tạo acid thì trong quá trình bốc hơi, đường saccarose bị thủy phân thành hỗn hợp glucose và fructose làm tổn thất đường. Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ, thời gian lưu của nước mía trong thiết bị cô đặc, nồng đọ dung dịch đường. Thông thường, khi nhiệt độ càng cao, trị số pH càng thấp, thời gian lưu càng dài thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, tổn thất đường càng nhiều. 1  Sự phân hủy saccarose và tăng cường độ màu Trong quá trình bốc hơi, độ màu của nước mía luôn tăng đậm. Nguyên nhân chủ yếu là do phản ứng khử tạo caramen của đường saccarose và sự phân hủy đường khử. Lượng caramen tạo thành phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ và thời gian lưu của nước mía và chỉ cần một lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía có màu đậm. Ngoài ra, đường khử kết hợp với acid amine tạo thành chất màu melanoidine làm tăng màu sắc của nước mía. 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng 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 án sau này ạ

Cuối cùng, với lòng quý trọng và biết ơn sâu sắc em xin kính chúc thầy (cô) dồi dào sức khỏe và thành đạt hơn nữa trong sự nghiệp, chúc quý nhà hàng ngày càng phát triển lớn mạnh trong lĩnh vực kinh doanh

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

1.1 Sơ lược về nguyên liệu và sản phẩm 2

1.1.1 Đặc điểm của nguyên liệu 2

1.1.2 Đặc điểm của sản phẩm (yêu cầu sản phẩm) 3

1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm 3

1.2 Cô đặc và quá trình cô dặc 4

1.2.1 Khái niệm 4

1.2.2 Bản chất của quá trình cô đặc 4

1.2.3 Ứng dụng của sự cô đặc 5

1.3 Các thiết bị cô đặc nhiệt 5

1.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng 5

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

2.1 Nguyên lí hoạt động của hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục 7

2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc dạng ống chùm tuần hoàn trung tâm 8 2.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet 9

2.4 Thao tác vận hành 10

2.4.1 Chuẩn bị 10

2.4.2 Vận hành 10

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

3.1 Cân bằng vật chất và năng lượng 11

3.1.1 Dữ liệu ban đầu 11

3.1.2 Cân bằng vật chất 11

3.1.3 Cân bằng năng lượng 11

3.1.4 Các tổn thất nhiệt độ 12

3.2 Cân bằng nhiệt lượng 14

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 17

4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 17

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi nhưng tụ hơi 17

4.1.2 Nhiệt tải phía tường (qv) 19

4.1.3 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 19

4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 20

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 20

4.2 Tính kích thước của thiết bị cô đặc 21

4.2.1 Tính kích thước buồng đốt 21

4.3 Tính kích thước buồng bốc 23

4.3.1 Đường kính buồng bốc (Db) 23

4.3.2 Chiều cao buồng bốc (Hb) 24

4.3.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 25

5.3 Tính cho đáy thiết bị 33

5.3.1 Sơ lược cấu tạo 33

5.7 Khối lượng và trai treo 43

5.7.1 Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ 43

5.7.2 Khối lượng các bộ phận thiết bị 44

5.7.3 Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch trong thiết bị 47

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49

6.1 Thiết bị truyền nhiệt 49

6.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 49

6.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 50

6.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường 51

6.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 51

6.2 Tính thiết bị ngưng tụ baromet 54

6.2.1 Chọn thiết bị ngưng tụ 54

6.2.2 Tính thiết bị ngưng tụ 54

6.3 Bồn cao vị 59

6.4 Bơm 61

6.4.1 Bơm chân không 61

6.4.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 62

6.4.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 64

6.4.4 Bơm tháo liệu 66

KẾT LUẬN 69TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống cô đặc 1 nồi 7 Hình 2.2 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thành phần của nước mía [1] 2

Bảng 4.1 Các thông số của dung môi 18

Bảng 4.2 Các thông số của dung dịch 18

Bảng 4.3 Tổng kết đường kính các ống dẫn 27

Bảng 5.1 Số liệu của bích nối với buồng đốt – buồng bốc 41

Bảng 5.2 Số liệu của bích nối buồng đốt - đáy 41

Bảng 5.3 Số liệu của bích nối buồng bốc – nắp 42

Bảng 5.4 Bảng tổng hợp khối lượng của thiết bị 47

Bảng 5.5 Thông số cảu tai treo 48

Bảng 6.1 Các thông số hóa lí của dung dịch mía đường 25% ở tw và t 50

Bảng 6.2 Các hệ số gây trở lực cục bộ 61

Bảng 6.3 Các hệ số gây trở lực cục bộ 63

Bảng 6.4 Các hệ số gây trở lực cục bộ 66

Bảng 6.5 Các hệ số gây trở lực cục bộ 68

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ 3, môn học Đồ án kĩ thuật thực phẩm là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng

Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 1000 kg/h” Với:

+ Năng suất nhập liệu 1000kg/h + Nồng độ nhập liệu: 15% khối lượng + Nồng độ sản phẩm: 25% khối lượng

+ Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at

+ Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm + Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30oC (tự chọn)

Vì đồ án kĩ thuật thực phẩm là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy, Cô để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn

Chúng em chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về nguyên liệu và sản phẩm

1.1.1 Đặc điểm của nguyên liệu

Thành phần hóa học của nước mía phụ thuộc giống mía, đất đai, khí hậu, mức độ chín,

Chất không đường hữu cơ khác

Chất không đường chưa xác định 3,0 – 5,0

Lúc mía chín, phần đường cao, chất không đường thấp, do đó độ tinh khiết tương đối cao, đồng thời phần nước giảm, phần xơ cũng tăng lên [1]

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

 Dung môi : nước [1]

 Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc [1]

1.1.2 Đặc điểm của sản phẩm (yêu cầu sản phẩm)

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

 Dung môi: nước

 Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu

1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm

 Sự chuyển hóa đường saccarose

Nếu nước mía trong có tính acid và các chất không đường tạo acid thì trong quá trình bốc hơi, đường saccarose bị thủy phân thành hỗn hợp glucose và fructose làm tổn thất đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ, thời gian lưu của nước mía trong thiết bị cô đặc, nồng đọ dung dịch đường Thông thường, khi nhiệt độ càng cao, trị số pH càng thấp, thời gian lưu càng dài thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, tổn thất đường càng nhiều [1]

 Sự phân hủy saccarose và tăng cường độ màu

Trong quá trình bốc hơi, độ màu của nước mía luôn tăng đậm

Nguyên nhân chủ yếu là do phản ứng khử tạo caramen của đường saccarose và sự phân hủy đường khử Lượng caramen tạo thành phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ và thời gian lưu của nước mía và chỉ cần một lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía có màu đậm Ngoài ra, đường khử kết hợp với acid amine tạo thành chất màu

melanoidine làm tăng màu sắc của nước mía [1]  Biến đổi độ tinh khiết

Độ tinh khiết tăng là do các nguyên nhân sau:

 Chất không đường bị phân hủy Do sự phân hủy amide tạo ra NH3 và muối carbonate tạo ra CO2, các chất này theo hơi nước ra ngoài làm giảm chất phi đường, tăng độ tinh khiết [1]

 Một phần chất không đường tạo kết tủa [1]

 Sự tạo cặn trong các thiết bị cô đặc (2000 tấn 15oBx tạo ra khoảng 1 tấn cặn) [1]

Độ tinh khiết giảm:

Trong quá trình bốc hơi, tổn thất đường saccarose do chuyển hóa làm độ tinh khiết giảm [1]

1.2 Cô đặc và quá trình cô dặc

1.2.1 Khái niệm

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi [2]

Mục đích cô đặc:

 Làm tăng nồng độ dung dịch loãng [2]

 Để kết tinh [2]

Các loại hơi:

 Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch [2]

 Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc [2]

 Hơi phụ: hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc [2]

Nhiệt độ sôi dung dịch: Nhiệt độ sôi dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng 1 áp suất [2]

1.2.2 Bản chất của quá trình cô đặc

Quá trình bốc hơi:

Quá trình bay hơi theo thuyết động học phân tử, các phân tử dung môi nằm gần mặt thoáng có chuyển động nhiệt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt và trở thành trạng thái hơi

Khi bay hơi, các phân tử phải khắc phục liên kết các phân tử ở trạng thái lỏng (ẩn nhiệt hoá hơi trong rt) và áp suất bên ngoài (ẩn nhiệt hoá hơi ngoài rn ), tổng năng lượng nhiệt tiêu tốn đó gọi là ẩn nhiệt bay hơi r r = rt + rn

Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt thoáng, trong lòng chất lỏng Chất lỏng sôi khi áp suất hơi > áp suất mặt thoáng

1.2.3 Ứng dụng của sự cô đặc

Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường ,mì chính,các dung dịch nước trái cây

Dùng trong sản xuất hóa chất NaOH, NaCl,CaCl2 các muối vô cơ

1.3 Các thiết bị cô đặc nhiệt

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 [3] Gồm:

 Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

 Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

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 cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt [3] Gồm:

 Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

 Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm

biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa ép…[3] Gồm:

 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí khó vỡ

 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

1.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

 Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

 Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ

 Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

 Phân bố hơi đều

 Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

 Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

 Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất

 Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Nguyên lí hoạt động của hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục

1 Bể chứa dung dịch 5 Thiết bị gia nhiệt 9 Bơm chân không

3 Bồn cao vị 7 Bồn chứa dung dịch cô đặc 11 Nước ngưng 4 Lưu lượng kế 8 Thiết bị ngưng tụ baromet 12 Hơi đốt

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) để ổn áp Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế (4) đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ (5) và được đun nóng đến nhiệt độ sôi, rồi đưa vào nồi cô đặc (6) Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứ đưa qua bộ ngưng tụ baromet số (8) để tạo chân không cho nồi cô đặc Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn (7) [2]

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống cô đặc 1 nồi

2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc dạng ống chùm tuần hoàn trung tâm

Hình 2.2 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là buồng bốc 1 phần dưới của thiết bị là buồng đốt 2 có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong buồng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo [2]

Nguyên lý hoạt động:

Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào buồng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống

truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên

Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị (trong trường hợp thiết bị làm việc liên tục) Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch được đưa vào thiết bị gián đoạn, và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoạn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1,5 m/s

Ưu điểm:

 Cấu tạo đơn giản dễ vận hành, sửa chữa và làm sạch

 Hơi nước đun nóng được phân phối đều trong phòng đốt, dễ tháo nước ngưng và khí không ngưng

 Trong cô đặc nước mía, có ống thoát dung dịch nước mía lớn ở giữa khiến nước mía trong nồi tuần hoàn tự nhiên

Nhược điểm:

 Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

 Diện tích đun nóng tương đối nhỏ

2.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet

 Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: + Hơi nước (chủ yếu)

+ Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng

Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất

Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng)

Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân

không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn tách lỏng

Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển

2.4 Thao tác vận hành

2.4.1 Chuẩn bị

 Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu

 Kiểm tra độ kín của hệ thống

 Đóng các van

 Tắt bơm

2.4.2 Vận hành

 Khởi động bơm chân không cho hệ thống đạt điều kiện chân không( khi lần đầu hoạt động) Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên Đợi cho đến khi quá trình ổn định

 Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp

 Mở từ từ van hơi đốt

 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

 Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất, sẵn sàng ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra

 Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Cân bằng vật chất và năng lượng

3.1.1 Dữ liệu ban đầu

- Dung dịch nước mía

- Nồng độ nhập liệu :15% khối lượng - Nồng độ sản phẩm: 25% khối lượng

- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,74 at ⇒ Áp suất tuyệt đối Ptd = Pa – Pck = 1- 0,74 =0,26 at

- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa

- Sử dụng thiết bị ống chùm dạng tuần hoàn trung tâm - Năng suất nhập liệu 1000 kg/h

- Nhiệt độ đầu vào (tự chọn): 30oC

3.1.3 Cân bằng năng lượng

Có nồng độ nhập liệu là 15%, nồng độ cuối là 25%, suy ra nồng độ trung bình là 20% Tra từ bảng A1.7, [4] ⇒ Nhiệt độ sôi của dung dịch tại 20% là 100,4oC

Tra bảng I.251, trang 315, [6], chọn áp suất hơi bão hòa là 2 at để có nhiệt độ hơi đốt là

tc : nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet

tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng) Tra bảng I.251, trang 314, [6]:

Nội suy tại áp suất 0,26at, nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là: tc = 65,1oC

Mà tsdm(P0) =∆′′′+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)  tsdm(P0) = 65,1+1 =66,1oC Tra bảng I.250, trang 312, [6]:

Nội suy áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 66,1oC:

∆’: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc

∆0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển f : hệ số hiệu chỉnh

f = 16,2 𝑇2 𝑟

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [K]

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]

3.1.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

Áp suất thủy tĩnh: Theo công thức VI.12, trang 60, [7], ta có :

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m)

𝝆𝒅𝒅𝒔: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

Tra bảng I.251, trang 314, [1], nội suy tại Ptb = 0,3257 at: ttb = 70,42 oC Theo công thức trang 296, [3], ta có:

Tra bảng A.4 trang 784, [5], nội suy tại 𝑥𝑡𝑏 = 20%, 𝑡𝑡𝑏 =70,42oC: độ tăng điểm sôi của dung dịch là 0,27 oC

⇒ tsdd(Ptb) = 70,42 + 0,27 = 70,69oC

∆” = tsdd(Ptb) – tsdd(P0)= 70,69 – 66,54 = 4,15oC Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 4,15oC

 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆thi)

3.2 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt mang vào:

 Dung dịch đầu, sôi: Gđ.Cđ.tđ (kW)

 Hơi đốt (bão hòa khô): D.iD (kW) Nhiệt mang ra:

 Hơi thứ mang ra: W.iW (kW)

Nhiệt lượng hơi bão hòa (hơi đốt) cần dùng:

Nhiệt dung riêng của đường Tra bảng A.6, trang 786, [5]:

Nội suy tại x = 15% và tđ = 66,54oC: Cđ = 3,88521 kJ/kgC = 3885,21 J/kg.C

Vậy nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc là 998170560 J/h = 279,49 kW

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi nhưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hòa tinh

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2.K)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2 at, r = 2208.103 J/kg (tra bảng

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch

Theo công thức VI.27, trang 71, [7]:

Trong đó:

𝛼𝑛: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, trang 26 [7]:

Với:

+ P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2)

Có P = 0,2688 at, P = 0,2688 × 9,81 × 104 = 26369,28 N/m2 + ∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), J/(kg.K)

Cdm: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), J/(kg.K) µdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), N.s/m2

µdm: độ nhớt của nước ở tsdm(ptb), N.s/m2

ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), kg/m3 ρdm: khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb), kg/m3 λdd: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb), W/(m.K) λdm: hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb), W/(m.K)

Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314, [6], nội suy tại nhiệt

4.1.2 Nhiệt tải phía tường (qv)

Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104:

4.1.3 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

4.1.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

4.2 Tính kích thước của thiết bị cô đặc

do: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, do = 27mm - Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L= 1,5m

Chọn theo dãy chuẩn trang 275, [3]: Dđ = 600 mm

 Đường kính ống tuần hoàn:

Chọn theo kinh nghiệm từ 1/4 đến 1/8 lần đường kính vỏ buồng đốt ( theo

d = 25 mm: đường kính ống truyền nhiệt ( vì α1> α2 nên lấy d = dt = 25 mm, dt là đường kính trong ống truyền nhiệt)

l= Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt

F= 10 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

 Chọn n = 91 ống

Theo bảng V.11, trang 48 [7] bố trí theo hình lục giác đều

4.2.1.3 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Bố trí ống ở đỉnh tam giác tạo thành hình lục giác đều có ống tuần hoàn ở giữa m: số ống trên đường chéo

Chọn theo bảng V.11 trang 48 [7]: m = 11 ống Theo công thức 3.87, trang 202, [3]:

Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng: Vậy số ống truyền nhiệt là n-n’= 91-7 = 84 ống

Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:

F= 𝜋.Hd.( n.dt+dth) = 𝜋 1,5.(84.0,025+ 0,159) = 10,65 m2 >Ftính toán= 5,66 m2.(thỏa mãn)

4.2.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

 Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 mm

 Đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt: Dt

 Số ống truyền nhiệt là 84 ống có kích thước d25/27 mm

 Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth = 159 mm

 Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 600 mm

 Chiều cao buồng đốt Hd = 1,5m

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 10 m2

 Chiều cao đáy nón Hnon = 544 mm

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h)

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,2688at

Tra bảng I.251, [6], trang 314, nội suy tại P0 = 0,2688 at : ρh = 0,1666 kg/m3

ρ’= 979,93 kg/ m3: khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m3 (tra bảng I.249, trang 311 [1]: tra ở nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc tsdm(Po) = 66,10C)

ρ”= ρh = 0,1666 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi

d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m tra trang 276 [3] g = 9,81m/s2: gia tốc trọng trường

ξ: hệ số trở lực, tính theo Re

Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 1000 mm = 1 m Kiểm tra lại Re:

𝑅𝑒 = 3,96

12 = 3,96 (𝑡ℎỏ𝑎 𝑚ã𝑛 0,2 < 𝑅𝑒 < 500) Vậy đường kính buồng bốc Db = 1000 mm

4.3.2 Chiều cao buồng bốc (Hb)

Theo công thức VI.34, [7], trang 72: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:

𝐻𝐾𝐺𝐻 =4 𝑉𝐾𝐺𝐻 𝜋 𝐷𝑏2 , 𝑚 Trong đó:

Db: đường kính buồng bốc, m VKGH: thể tích không gian hơi, m3

Công thức VI.32, [7], trang 71:

𝑉𝐾𝐺𝐻 = 𝑊

𝜌ℎ 𝑈𝑡𝑡, 𝑚3 Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h

ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,2688 at, kg/m3

Tra bảng I.251, [6], trang 314, nội suy tại áp suất P0 = 0,2688 at: ρh = 1,666kg/m3 Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích nước bay hơi trên 1 đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian)

Utt = f Utt_(1at) Với:

f = 1,3: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, [7], trang 72)

Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at, m3/m3.h Theo [7], trang 72, chọn Utt_(1 at) = 1600 m3/m3.h

Vậy chiều cao buồng bốc Hb = 1,5 m

4.3.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng

G: lưu lượng lưu chất, kg/s

ω = 0,75 m/s (dung dịch sau có độ nhớt tương đối, trang 74, [2]) ρc = 1105,51 kg/m3 (tra theo xc= 25%, bảng A.1, trang 779, [5])

 Ống dẫn hơi đốt

D = 452,07 kg/h = 0,1256 kg/s

ω = 30 m/s (trang 74_hơi bão hòa, [7])

PD = 2 at  ρD = 1,107 kg/m3( tra theo bảng I.251, [6], trang 315)

ω = 40 m/s (chọn theo hơi quá nhiệt, trang 74, [2])

P0 = 0,2688 at  ρhoi thu = 0,1666 kg/m3 (tra theo bảng I.251, trang 314, [6])

Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng

 dkhi khong ngung = 9 mm

CHƯƠNG 5 TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 Tính cho buồng đốt

5.1.1 Sơ lược về cấu tạo

Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1500 mm

Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

5.1.2 Tính toán

 Bề dày tối thiểu S’:

Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 5 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là: pm = pD – pa = 2 – 1 = 1 at = 0,101325 N/mm2

Lấy áp suất tính toán bằng với áp suất làm việc, do đó Pt = Pm = 0,101325 N/mm2 Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 119,60C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 119,6 + 20 = 139,60C

Theo hình 1.2, trang 16, [12], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

 [σ]* = 117 N/mm2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [12]) Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Dt = 600 mm – đường kính trong của buồng đốt

Pt = 0,101325 N/mm2– áp suất tính toán của buồng đốt

 Bề dày thực S:

Dt = 600 mm ⇒ Smin = 3 mm > 0,29 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [12])

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1mm (thời gian làm việc 10 năm) Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9,

Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm

 Đường kính ngoài của buồng đốt

Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt S = 5 mm – bề dày của buồng đốt

Ống xả nước ngưng dt = 10 mm <d max Ống xả khí không ngưng dt = 10 mm <d max

Ống dẫn hơi đốt có dt= 7 0 mm > dmax nên cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào Đường kính ngoài của lỗ dẫn hơi đốt dn = 76 = dt + 2.Slỗ

→ Bề dày khâu tăng cứng Slỗ = (76 – 70)/2 = 3 mm

5.2 Tính cho buồng bốc

5.2.1 Sơ lược cấu tạo

Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 1000 mm, chiều cao Ht = 1500 mm Thân có 4 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và kính quan sát Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

5.2.2 Tính toán

 Bề dày tối thiểu S’:

Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài

Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,2688 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

Pn = pm = 2pa – p0 = 2 ×1 – 0,2688 = 1,7312 at = 0,1754 N/mm2

Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm (po) = 66,1oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 66,1 + 20 = 86,1 oC (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng 1-8, trang 19, [12], hàn 2 phía)

Theo hình 1.2, trang 16, [12], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

 [σ]* = 125 N/mm2