Thiết kế hệ thống cô đặc nhằm sản xuất sữa dừa, năng suất 1800 kgh

Dừa hay còn gọi là cọ dừa có tên danh pháp 2 phần: Cocos nucifera. Là 1 loài cây trong họ Cau (Arecaceae). Nó cũng là thành viên độc nhất trong chi Cocos và là 1 chiếc cây lớn, thân đơn trục (phổ biến khi gọi là lực lượng thân cau dừa) mang thể cao đến 30 m. Mang những lá đơn xẻ thùy lông chim một lần, cuống và gân chính dài 4 – 6m các thùy với gân cấp hai. Có thể đạt được chiều dài 60 – 90cm. Lá thường biến thành bẹ dạng lưới ôm lấy thân những lá già lúc rụng để lại vết sẹo trên thân. Quả dừa không chỉ mang đến một loại nước giải khát mát lành cho người dân miền nhiệt đới, trái dừa còn chứa rất nhiều chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe. Trái dừa được giới chuyên môn đánh giá rất cao vì những giá trị mà nó mang lại. Trái dừa không chỉ là nguồn cung cấp muối khoáng dồi dào mà còn hỗ trợ hoạt động miễn dịch trong cơ thể.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NHẰM SẢN XUẤT SỮA DỪA, NĂNG SUẤT 1800 KG/H

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1 Đôi nét về cây dừa 3

1.1 Giá trị dinh dưỡng trong cùi dừa 3

1.2 Giá trị dinh dưỡng trong nước dừa 3

1.3 Nguyên liệu và đặc tính của quá trình cô đặc sữa dừa: 4

1.4 Những biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc: 4

2 Cô đặc và quá trình cô đặc 5

2.1 Định nghĩa: 5

2.2 Các phương pháp cô đặc: 5

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: 5

2.4 Ứng dụng của sự cô đặc: 6

2.5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc: 6

2.6 Các thiết bị cô đặc nhiệt: 6

2.6.1 Phân loại và ứng dụng: 6

2.6.2 Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn: 8

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 9

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ: 9

2.2 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ: 9

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 11

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: 11

II TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: 11

3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ: 11

3.2 Xác định tổn thất nhiệt độ: 12

3.2.3 Nhiệt độ sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: 13

3.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch: 13

3.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: 13

3.4.Cân bằng nhiệt lượng: 13

III TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT: 15

7.2 Chiều dày buồng bốc: 33

7.3 Tính cho đáy thiết bị 34

7.4 Tính nắp thiết bị 37

8 CHỌN MẶT BÍCH VÀ ĐỆM: 39

8.1 Tính bính: 39

8.2 Đệm: 40

9 TAY TREO THIẾT BỊ: 40

9.1 Khối lượng buồng đốt: 40

9.1.1 Khối lượng ống truyền nhiệt: 41

9.1.2 Khối lượng của đáy: 41

9.2 Khối lượng buồng bốc: 42

9.2.1 Khối lượng thân: 42

9.2.2 Khối lượng nắp: 42

9.3 Khối lượng dung dịch trong thiết bị: 42

9.4 Tổng khối lượng của thiết bị: 43

CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET 44

I LƯỢNG NƯỚC LẠNH LÀM NGUỘI TƯỚI VÀO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET: 44

II THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN RÚT RA KHỎI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ: 45

10.1 Nhiệt độ không khí: 45

10.3 Thể tích không khí rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở 00C và 760mmHg 45

10.4 Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ trong điều kiện làm việc của thiết bị: 46

III CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET: 46

11.1 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ: 46

12 Bơm chân không 57

13 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 58

14 Bơm nhập liệu 60

15 Bơm tháo liệu 62

16 Cửa sữa chữa 64

17 Kính quan sát 65

Tài liệu tham khảo: 66

Bảng 3.2: Tổn thất nhiệt do nồng độ 12

Bảng 8.1a: Bích nối nắp với buồng bốc 39

Bảng 8.1b: Bích nối buồng đốt với đáy 40

Bảng 8.1c: Bích nối buồng bốc và buồng đốt 40

Bảng 9.4: Giá trị của tay treo 43

Bảng 11.1 Kích thước Baromet 49

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Kỹ thuật thực phẩm là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ thực phẩm Bên cạnh đó, môn học 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

“Thiết kế hệ thống cô đặc nhằm sản xuất sữa dừa, năng suất 1800kg/h” là đồ án

được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Phan Thế Duy, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm, trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về quá trình cô đặc, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu

Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn

Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất là thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, Và trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Kỹ thuật thực phẩm Ngoài ra, việc giải các bài toán

công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Thế Duy cũng như các thầy cô của bộ môn Kỹ thuật thực phẩm đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em trong quá trình thiết kế

Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Đôi nét về cây dừa

Dừa hay còn gọi là cọ dừa có tên danh pháp 2 phần: Cocos nucifera Là 1 loài cây trong họ Cau (Arecaceae) Nó cũng là thành viên độc nhất trong chi Cocos và là 1 chiếc cây lớn, thân đơn trục (phổ biến khi gọi là lực lượng thân cau dừa) mang thể cao đến 30 m Mang những lá đơn xẻ thùy lông chim một lần, cuống và gân chính dài 4 – 6m các thùy với gân cấp hai Có thể đạt được chiều dài 60 – 90cm Lá thường biến thành bẹ dạng lưới ôm lấy thân những lá già lúc rụng để lại vết sẹo trên thân

Quả dừa không chỉ mang đến một loại nước giải khát mát lành cho người dân miền nhiệt đới, trái dừa còn chứa rất nhiều chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe Trái dừa được giới chuyên môn đánh giá rất cao vì những giá trị mà nó mang lại Trái dừa không chỉ là nguồn cung cấp muối khoáng dồi dào mà còn hỗ trợ hoạt động miễn dịch trong cơ thể

1.1 Giá trị dinh dưỡng trong cùi dừa

Lượng kalo dồi dào, mỗi 100g cùi dừa non sẽ có 354 đơn vị kalo Cacbohydrat: đường và chất xơ thực phẩm

Chất béo: Chất béo bão hòa, không bão hòa đơn, không bão hòa đa Chất đạm

Các loại vitamin: B1, B2, B3, B5, B6, B9, vitamin C Chất khoáng: Canxi, sắt, magie, phốt pho, kali, kẽm

1.2 Giá trị dinh dưỡng trong nước dừa

Thông tin dinh dưỡng dưới đây do USDA cung cấp, trong 1 cốc 100% nước dừa, khoảng 240 gram chứa:

1.3 Nguyên liệu và đặc tính của quá trình cô đặc sữa dừa:

Sản phẩm phải có hương vị và màu sắc của nguyên liệu ban đầu Sữa dừa là một sản phẩm giàu chất sắt, canxi và vitamin nên không chịu được nhiệt độ cao, các thành phần quý giá trong dịch quả dễ bị thủy phân dưới tác dụng của hệ nhiệt

1.4 Những biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc:

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi:

Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền

2 Cô đặc và quá trình cô đặc 2.1 Định nghĩa:

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

2.2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt (đun nóng): 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 tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

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 lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là 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 nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc

2.4 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…

2.5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc:

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

2.6 Các thiết bị cô đặc nhiệt: 2.6.1 Phân loại và ứng dụng:

Theo cấu tạo:

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 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

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…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

Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 1000C Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác

Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô đặc chân không, cô 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 áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

2.6.2 Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn:

Ưu điểm:

- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi - Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ:

Khởi động bơm chân không đến áp suất PCK = 0,7 atm

Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 15% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bằng bơi ly tâm Quá trình nhập liêu diễn ra trong vòng 10 phút đến khi nhập đủ 1800kg thì ngừng

Khi đã nhập đủ 1800kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt) Dung môi là nước bốc hơi và thải ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa Phần không ngưng tụ sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài

Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 50% thì ngưng cung cấp hơi Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu

2.2 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ: a) Bơm:

Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: Bơm ly tâm và bơm chân không

Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng Bánh guồng được gắn trên trục truyền động Ống hút và ống đẩy

Bơm ly tâm được dùng để bơm nước ép dư hấu từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đăc

Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc

b) Thiết bị cô đặc:

Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và buồng đốt Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kín lớn hơn

Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ Ống tuần hoàn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hoàn trong thiết bị

c) Thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp ( thiết bị ngưng tụ baromet) Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần máy bơm

d) Thiết bị tách lỏng:

Thiết bị tách lỏng được đặc sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử bay hơi còn sót lại chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không

e) Các thiết bị phụ trợ khác:

Bẫy hơi

Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:

Dữ liệu ban đầu: Nồng độ ban đầu: xđ = 15% Nồng độ sản phẩm: xc = 50%

Năng suất nhập liệu: Gđ = 1800kg/h

Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: chọn tđ = 30℃

Gđ: lượng dung dịch vào thiết bị, kg/h P: lượng dung dịch ra khỏi thiết bị, kg/h W: lượng hơi thứ bốc lên trong hệ thống, kg/h

Chọn tổn thất đường ống là 1oC

Tsdm(P0) - Tc= Δ’’’=10K=> Tsdm(P0)= Tc+1= 75,4+1 = 76,4oC

Áp suất hơi thứ trong buồng bốc : Tra bảng 57, VD và BT T10 [7], trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 76,4 oC là 0,42 at

3.2 Xác định tổn thất nhiệt độ:

Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ ∆’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco

∆’ = ∆’0 f (VI 10, STQTTB T2, 59 [2])

Trong đó: ∆’0: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường

f : là hệ số hiệu chỉnh Với:

f = 16,2 T2

r (VI.11, STQTTB T2, 59 [2]) Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,0K

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

Theo bảng tra tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ a ( % về khối lượng) ở áp suất thường ( STQTTT T2, TS Trần xoa, TS Nguyễn Trong Khuôn)

Tại nhiệt độ tnt = 75,4 0C suy ra: f = 0,87 ( theo bảng điều chỉnh hệ số f theo

3.2.3 Nhiệt độ sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: 3.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch:

Theo những kết quả tính toán ở mục 3.2, ta có nhiệt độ sôi của dung dịch là 76,40C

3.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích thđược tính từ tổng hiệu suất nhiệt độ trừ tổng nhiệt

 : tổn thất nhiệt trên đường ống, ,=1 Như vậy, hiệu số nhiệt độ hữu ích:

Cth 56,64,1552,450 

3.4.Cân bằng nhiệt lượng:

a) Nhiệt lượng tiêu thu cho cô đặc (QD):

Theo công thức VI.3, sổ tay tập 2 [2], trang 57:

𝑄𝐷 =𝑄đ+ 𝑄𝑏ℎ + 𝑄𝑘𝑛 + t𝑄𝑡𝑡 = 0,323.109 + 2,922.109 + 4% 𝑄𝐷 ⇒𝑄𝐷 = 3,380.109 J (nhiệt lượng cần cung cấp trong 1 giờ) Nhiệt lượng cần cung cấp trong 1s

Q’= 3,380.109/3600 = 938888,9 J Trong đó:

𝑄đ: nhiệt lượng để đun nóng đến nhiệt độ sôi, J 𝑄𝑏ℎ: nhiệt lượng làm bốc hơi nước,J

𝑄𝑡𝑡: nhiệt độ tổn thất ra môi trường, J

b)Nhiệt lượng dùng để đun nóng đến nhiệt độ sôi:

Theo Sổ tay tập 2, trang 57:

𝑄đ = 𝐺đ*𝐶𝑡𝑏*(𝑡𝑠𝑜𝑖 – 𝑡đ) = 1800*3873,085*(76,4 - 30) = 0,323.109 J Với: 𝐺đ=3808,8 kg/mẻ

𝐶𝑡𝑏: nhiệt dung riêng của dung dịch

Theo công thức I.50 Sổ tay tập 1, tr 153:

c) Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh):

Theo Sổ tay tập 2, trang 57:

Qbh = W*r = 1260*2318,8*103 = 2,922.109 J Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 1260kg r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,42at Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: r = 2318,8.103 J/kg Nhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn):

Theo sổ tay tập 2, trang 57: Qkn =Qhtđ- Qhtc

Trong đó:

Qhtđ, Qhtc : lần lượt là nhiệt hòa tan tích phân của dung dịch đường ở nồng độ đầu và cuối của quá trình cô đặc, thường Qkn rất bé có thể bỏ qua

d Nhiệt lượng tổn thất (Qtt):

Theo QT và TBTN T5 [3], tr 186: chọn Qtt = 4% QD

III TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT:

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát sau:

Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W F: bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt, m2

 : hệ số cấp nhiệt thành thiết bị đến dung dịch, W/m2độ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, W/mđộ : chiều dày của ống truyền nhiệt, m

r1, r2: nhiệt trở của lớp cao cặn trên thành thiết bị phía hơi nước ngưng tụ và phía chất lõng sôi, m2độ/ W

Do quá trình truyền nhiệt ta xét: truyền nhiệt qua thành ống thiết bị 1 lớp nên công thức trên có thể viết lại:

  : nhiệt trở của lớp cao cặn hai phía và bản thân thành thiết bị

4.1.1 Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1:

H: chiều cao ống truyền nhiệt , H =1,5m

A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (thd + tv1)/2 A: tra ở sổ tay tập 2, trang 29

Với thd, tv1 : nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2 K

C : nhiệt dung riêng của dung dịch, Cd= 3899,33 J/kgđộ

( Các giá trị trên tra ở nhiệt độ sôi 76,40C)

P: áp suất làm việc, P= 0,42 at

 : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt phía tiếp xúc với dung dịch và nhiệt độ sôi của dung dịch

Xét quá trình truyền nhiệt lượng từ hơi nước ngưng tụ cho dung dịch, ta thấy: Nếu gọi:

q1: là nhiệt lượng truyền từ hơi nước ngưng tụ đến thành ống truyền nhiệt q : là nhiệt lượng truyền xuyên qua thành ống truyền nhiệt

q2: là nhiệt lượng truyền từ thành ống truyền nhiệt đến dung dịch

 Chiều cao ống truyền nhiệt, H= 1,5 m

 Đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn= 0,02667 m  Chiều dày thành ống truyền nhiệt,  = 0,003912 m

Vật liệu làm ống truyền nhiệt: Thép không gỉ 1X18H19T, = 37,6 W/mđộ r1: nhiệt trở của hơi nước, r1= 0,000232 m2độ/ W

r2: nhiệt trở của hơi các hợp chất hữu cơ, r2= 0,000116 m2độ/ W

Theo điều kiện ban đầu, ta có: Nhiệt độ của hơi đốt: t1=132,90C Nhiệt độ sôi của dung dịch: ts=76,40C

Nhiệt độ hai bên thành ống truyền nhiệt tT1, tT2 chưa biết Nội suy A theo giá trị tm, ta có: A= 190,3

(Trang 238- Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM)

Q: nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình, W r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt(ở 138.60C), J/kg

r = 2154200 J/kg (Sổ tay thiết kế thiết bị hoá chất và chế biến thực phẩm- T.S PHAN

Hb: chiều cao buồng bốc, chọn Hb = 3 m

Vb: thể tích buồng bốc, được tính theo công thức sau:

H: chiều dài ống truyền nhiệt, H= 1,5 m d: đường kính ống truyền nhiệt, m

Với 1 2thì d = dn = 0.02m: đường kính ngoài ống truyền nhiệt

Ta chọn số ống truyền nhiệt là: n = 154 ống truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt chọn theo chuẩn:

5.2.2 Xác định đường kính trong buồng đốt

Chọn bố trí ống theo hình lục giác đều

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) Áp dụng công thức :

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (VI.40 trang 74,

𝑑𝑛 : hệ số thường có giá trị từ 1.3 – 1.5 Chọn 𝛽 = 1.5 (t: bước ống m) dn = 0.02 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

𝜓 : hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0.7 – 0.9 Chọn 𝜓 = 0.9 l = 1,5 m: chiều dài của ống truyền nhiệt

Dnth = 0.25 m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm 𝛼 = 600 : gốc ở đỉnh của tam giác đều

F = 14,51: diện tích bề mặt truyền nhiệt →Dt =√0,4 ∗ 1,52∗ 0,02 ∗0,02∗𝑠𝑖𝑛 600 ∗14,51

0.9∗1.2 + (0,25 + 2 ∗ 1,5 ∗ 0,02)2

= 0,32 m

→chọn Dt = 800mm = 0.8 m theo tiêu chuẩn

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức:

Chọn b = 7 ống Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 7 ống trên đường xuyên tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế là:

n = 3

4 * (b*2 -1) + 1 = 3

4 ( 7*2 -1 ) + 1 = 11 ống

Số ống truyền nhiệt còn lại là: 𝑛′= 154 – 11 = 143 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

(Công thức VI.41/74- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất_ Tập 2 [2]) Đường kính các ống dẫn được quy chuẩn theo:

http://www.engineeringtoolbox.com/ansi-stainless-steel-pipes-6_247.html http://www.engineeringtoolbox.com/steel-pipes-dimensions-d_43.html

Vs: lưu lượng dung dịch chảy trong ống, m3/s

s GV Gd: khối lượng dung dịch chảy trong ống, kg/s

: khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

: vận tốc thích hợp của dung dịch chảy trong ống, m/s

Do dung dịch ra có độ nhớt lớn , vì vậy nếu ống dẫn có đường kính nhỏ thì việc tháo liệu trở nên khó khăn Vì vậy ta chọn ống tháo sản phẩm như sau:

CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ

( Tham khảo tài liệu:

Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất_ Tập 2 [2]) Ứng suất làm việc của thiết bị:

Vật liệu làm vỏ thiết bị: thép không gỉ 1X18H9T

Ứng suất cho phép được xác định theo các công thức:

C : bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị

Đối với vật liệu bền( 0,05- 0,1 mm/năm) lấy C1=1 mm( tính theo thời gian làm việc 15- 20 năm)

C : đại lượng bổ sung do hao mòn, có thể bỏ qua (vì C2chỉ cần tính đến trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn ở trong thiết bị Đại lượng C2 thường được chọn theo thực nghiệm Đa số trường hợp khi tính toán thiết bị hóa chất ta có thể bỏ qua)

D : đường kính trong của buồng đốt, Dd = 0,8 m

: hệ số bền của thiết bị theo phương dọc,  = 0,95( Bảng XIII.8/362)

  : ứng suất cho phép của thiết bị,   = 160,106 N/m2

C: hằng số bổ sung do ăn mòn và dung sai về chiều dày, C = 0,002 m

p: áp suất trong thiết bị, N/m2