Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm 1

LỜI NÓI ĐẨU Các quả trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng trên cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Đặc điếm của lĩnh vực này ỉà nghiên cứu những qui luật hoạt động của các quá trình đ ể đinh ra cơ câu thiết bị, nhằm thích ứng vói thực tế sản xuất. Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho các kỹ sư khả năng tính toán, thiết k ế thiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng nhất cho một công nghệ cụ thê, với năng suất và hiệu suất cao. Do đó, đôi tượng phục vụ của cuốn sách này rất rộng, bao gồm các ngành công nghệ hóa chât, thực phẩm, như công nghệ hóa dầu, phản bón, ch ế biến lương thực, dược liệu, xử lý môi trường, v.v. Các quá trình và thiết bị (hóa công) được coi là một môn học cơ sở rất quan trọng cho sinh viên ngành hóa chất, thực phàm., luyện kim . Mục đích trang bị cho sinh viên các ngành này những kiến thức về các quá trình thủy lực, truyền nhiệt, chuyên khôi và các quá trình hóa học; hiếu biết về phương pháp phân riêng hệ không đồng nhất dưới tác dụng của cơ học (lắng, lọc, ly tâm) hoặc dưới tác dụng của nhiệt (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, kết tinh). Ngoài ra còn trang bị thêm những kiên thức về truyền nhiệt, cô đặc, sấy, lạnh đông và đập, nghiền, sàng. Nội dung được trình bày gồm những phần sau: Tập 1: Các quá trình thủy lực (thủy tĩnh, thủy động, vận chuyến chất lỏng và nén khí). Tập 2: Phân riêng hệ không đồng nhất (lắng, lọc, ly tâm); khuấy trộn chất lồng và đập, nghiền, sàng. Tập 2: Truyền nhiệt và các quá trình nhiệt (dẫn nhiệt, nhiệt đôi lưu và bức xạ nhiệt; đun nóng, làm nguội, ngưng tụ và cô đặc); lạnh đông. Tập 4: Các quá trình chuyển khôi (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, kết tinh và sấy...). 3 Tập 5: Các quá trình hóa học (nhiệt động, động hóa học và cản bằng Ịlóa học, thời gian lưu, động lực học...). Trong từng phần có trình bày cơ sở lý thuyết và tính toán; mô tả nguyên lý câu tạo của thiết bi điển hình, cũng các ví dụ và bài tập. Bộ sách được dùng làm tài liệu học tập, tham khảo cho sinh viên đại học thuộc ngành công nghệ hóa học, thực phẩm và các ngành có liên quan khác. Đồng thời củng được dùng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật thuộc các ngành trên. Mặc dù bộ sách được viết trên cơ sở tham khảo của nhiều tài liệu trong và ngoài nước, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí độc giả. Ỷ ktẾSTgbi gửi về Bộ môn Quá trình - Thiết bi công nghê Hóa và Thưc phẩm, Trường đai hoc Bách khoa Hà Nôi. Chương I KHÁI NIỆM Cơ BẢN 1.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM vụ MÔN HỌC Kỹ thuật công nghệ hóa học bao gồm nhiều quá trình rất khác nhau và được thực hiện trong các dạng thiết bị khác nhau. Trong đó nguyên vật liệu thông qua các tác động tướng tác về mặt vật lý, hóa lý và hóa học sẽ biên đổi hoặc chuyển hóa để thành sản phẩm. Cùng vối sự biến đổi về chất có sự thay đổi về năng lượng và động lượng. Vì vậy đối tượng của kỹ thuật công nghệ hóa học là các quá trình và thiết bị. Qua nghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa học, sẽ tạo điều kiện cải tiên quá trình cù, cải tiến thiết bị, nhằm đổi mới công nghệ để tăng nhanh sản lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm. Mặc khác nghiên cứu quá trình và thiết bị cũng nhằm tiên hành cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất, áp dụng kỹ thuật tiên tiên, nhằm giảm mức sử dụng nguyên vật liệu, chi phí chất đốt, năng lượng để đạt hiệu quả kinh tê cao nhất. Khác vối các quá trình cơ lý, trong đó vật chất chỉ bị thay đổi về hình dạng, trạng thái hay tính chất vật lý; quá trình hóa học làm biên đổi hoàn toàn cấu tcạo và thành phần hóa học hay tính chất hóa học của vật chất. Trong công nghệ hóa học và thực phẩm bao gồm nhiều phương pháp sản xuất rất khác nhau, song nhìn chung các quá trình chê biên đếu được thực hiện bơi các quá trình vật lý, hóa lý giông nhau như lắng, lọc, đun nóng, Tàm nguội, chưng luyện, hấp thụ, trích ly, sấy khô, đông lạnh, v.v. Các quá trình đều được tiên hành trong thiết bị. Vì vậy, các thiêt bị trong nhà máy hóa chất, thực phẩm cũng có nhiều loại, nhiều kiểu, song khi đảm nhận cùng nhiệm vụ thì cũng có cùng nguyên tắc cấu tạo. 5 Nắm vững kiến thức m ôn học "Quá trìn h , th iết bị công nghệ hóa học và thực phẩm " có nghĩa là các nhà kỹ th u ậ t đã có kiến thức sâu sắc về vật lý, hóa lý của các quá trìn h , và hiểu biết về quá trìn h và th iết bị tro n g dây chuyền sản xuất của m ột công nghệ. Đồng thòi cũng nắm vững các nguyên tắc cấu tạo và phương pháp tín h toán th iết k ế các th iết bị để tiến h àn h các quá trìn h đó. N hư vậy, khi đã được tran g bị đầy đủ kiến thức của m ôn học, các nhà kỹ th u ậ t có khả năng: 1- Trong điểu hành sản xuất, dễ dàng tiếp cận được ch ế độ làm việc thích hợp để nâng cao năng su ất th iết bị và chất lượng sản phẩm ; biết tìm ra khâu yêu trong dây chuyền sản xuất dể cải tiên. 2- T rong th iêt kê, biêt đánh giá và lựa chọn sơ đổ công nghê và loại thiêt bị thích hợp cho từ ng quá trĩnh; biết tín h ''''to án , th iết k ế th iết bị. 3 - Trong nghiên cứu khoa học, có phương pháp nghiên cứu hợp lý có kha năng thực nghiệm và đánh giá kêt quả chính xác, để chỉnh lý và khái quát hóa các kết quả khỉ ứng dụng vào thực tế sản xuất. 1.2. NỘI DUNG « Bên cạnh phan ứng hóa học, các quá trìn h công nghệ hóa hoc bao gồm nhiều quá trìn h vật lý và hóa lý k h á^n liau . Dựa vào qui lu ật đặc trư n g của từng quá trình, m ôn học được chia th àn h các phần sau: Phần thứ nhất: Các quá trìn h thủy lực, thủy cơ và cơ học N ghiên cứu các định luật về thủy tĩnh, thủy dộng, chuyển động chất long, khí; các quá trìn h và th iêt bị vận chuyên chất lỏng, khí (bơm, quạt, m áy nén); phân riêng các hệ không đồng n h ất (lắng, lọc, ly tâm ), đập nghiền và sàng. Phần th ứ hai: Các quá trìn h n h iệt và kỹ th u ậ t lạnh N ghiên cứu các định lu ật về tru y ền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt); các quá trìn h và th iế t bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội ngưng tụ, cồ đặc); quá trìn h và th iết bị lạnh. P hần th ứ ba: Các quá trìn h khuếch tá n N ghiên cứu cơ sỏ lý th u y ết chung và các định lu ật về chuyển khôi; các quá trìn h và th iết bị chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, kết tinh, sấy. 6 P h ầ n th ứ tư: C ác q u á tr ìn h hóa học N g h iê n cứ u các q u á tr ìn h v à th iê t bị p h ả n ứ n g h ó a học. M ôn học n à y là m ộ t m ô n học kỹ th u ậ t cơ sở cho kỹ sư các n g à n h hóa c h ấ t, th ự c p h ẩm , lu y ệ n k im , v.v. Đ ây là m ô n học có cd sỏ'''' lý th u y ê t rộ n g n h ư n g lại r ấ t g ầ n vói th ự c tê s ả n x u ấ t. Vì vậy, n g h iê n cứ u m ôn học này sin h v iên c ầ n tìm h iể u sâ u về lý th u y ế t, n ắ m v ữ n g p h ư ơ n g p h áp tín h to á n v à n g u y ê n lý v ậ n h à n h th iế t bị. Đ ồng th ờ i p h ả i liên h ệ với th ự c tê và q u a n s á t th ự c tê. Đ ề p h ụ c vụ cho lý th u y ê t c ủ a m ôn học còn có các b ài tập , th í n g h iệm và đồ á n m ôn học. N ội d u n g c ủ a c h ủ n g đ ều được r ú t r a từ th ư c tê sả n x u ất. M ục đích k h ô n g ch ỉ đế làm sá n g tỏ th ê m lý th u y ê t, m à dể biiốc đ ầ u học sin h tậ p dượt, g iải q u y ế t n h ữ n g v ấ n đ ể cụ th ể tro n g th ự c tê sa n x u ấ t. 1.3. NHỮNG KHÁI NIỆM C H U N G M ỗi q u á trìn h sả n x u ấ t n g o ài sức lao động củ a con người còn có: — N g u y ên v ậ t liệ u th a m g ia vào q u á trìn h và s ả n p h ẩm . — N ă n g lư ợ ng dưới các d ạn g : đ iệ n n ă n g , cơ n ă n g v à n h iệ t n ăn g . — T h iế t bị, m áy m óc v à các tr a n g bị k h ác. C ác q u á trìn h có th ế được tiê n h à n h th e o p h ư ơ n g th ứ c g ián doạn, liên tụ c h a y b á n liê n tụ c. T ro n g q u á tr ìn h g ián đ o ạn , v ậ t liệ u được n ạ p vào th iê t bị v à s ả n p h ẩ m được th á o ra k hỏi th iế t bị th à n h từ n g m ẻ m ột. Do đó k h i tín h to á n c ầ n th ờ i g ian n ạ p liệu v à th á o s ả n p h ẩ m . T ro n g m ỗi ch u kỳ làm việc, các q u á trìn h tiế n h à n h tu ầ n tự tro n g th iế t bị, n ê n các th ô n g sô kỹ th u ậ t (n h iệ t độ, áp s u ấ t, n ồ n g độ, v.v.) th a y đổi th e o th ờ i g ian từ đ ầu đôn cuối q u á trìn h . T ro n g q u á tr ìn h liê n tụ c, việc n ạ p liệu và th á o sả n p h ẩm được th ự c h iệ n liê n tụ c. K hi đó các g iai đ o ạn c ủ a q u á tr ìn h xảy ra đồng thời n h iín g ở các p h ầ n k h á c n h a u c ủ a th iế t bị, n ê n các th ô n g sô kỹ th u ậ t tạ i m ỗi vị tr í c ủ a th iế t bị được giữ n g u y ê n k h ô n g th a y dối th e o th ờ i g ian , và q u á trìn h làm việc là ổn đ ịn h . T ro n g n h iề u trư ờ n g hợp, k h ô n g p h ả i đồng thời v ậ t liệ u cho vào v à s ả n p h ẩ m lấy ra liê n tụ c, m à có th ể ch ỉ v ậ t liệ u cho vào, hoặc s ả n p h ẩ m lấy ra liê n tụ c, k h i đó ta gọi q u á tr ìn h b á n liê n tụ c. So với q u á tr ìn h g iá n đ o ạn , q u á tr ìn h liê n tụ c có ư u điểm : — Có k h a n ă n g tự đ ộng h ó a v à cơ giới h ó a q u á trìn h , q u a dó giảm lao dộng th ủ cô n g đ ên m ứ c tô i th iể u ; 7 - Có tính Ổn định cao, qua đó tăn g năng su ất và chất lượng sản phẩm ; - Có thể tra n g bị đồng bộ, qua đó giảm giá đầu tư và giá th àn h . Khi nghiên cứu các quá trìn h hay tín h toán th iêt kê th iêt bị, m áy cần nắm vững m ột số khái niệm cơ bản sau đây. 1.3.1. Tính cân bằng vật liệu N guyên v ật liệu, bán sản phẩm và sản phẩm của m ột quá trìn h trong thực tê không ỏ dạng nguyên chất m à là m ột hỗn hợp gồm nhiều cấu tử. T hành phần của hỗn hợp được chia theo p h ần khôi lượng hoặc p h ần mol. Đế xác định lượng nguyên liệu tiêu tôn, lượng sản phẩm th u được, kích thưóc và năng su ất của th iế t bị, người ta phải tín h cân bằng vật liệu dựa trê n định lu ật bảo toàn khôi lượng. Theo định lu ật bảo toàn khôi lương th ì tổng của lượng vật liệu dưa vào th iết bị trong quá trìn h sản xuất phải bằng tổng lượng vật liệu di ra khỏi th iế t bị (có kể đến lương tổn thất): s ơ vAo = £ ơ r„ + Gtl (1.1) Phương trìn h (1.1) là phương trìn h cân bằng vật liệu. Nó có ý nghĩa không chỉ cho một quá trìn h xác định, hoặc toàn bộ các quá trìn h m à đúng cho m ột không gian của quá trìn h . Phương trìn h cân bằng vật liệu có th ể tín h theo toàn bộ lượng v ật liệu (hỗn hợp) tham gia vào quá trìn h hoặc chỉ theo m ột cấu tử nào đó có tro n g vật liệu; có thế dùng cho m ột th iêt bị, m ột bộ phận th iế t bị hay m ột nhóm th iết bị. Việc th iết lập phương trìn h cân bằng vật liệu có ý nghĩa lớn tro n g thực tế. Q ua phương trìn h cân bằng v ật liệu người ta có thể: - Trong th iế t kê chọn được dây chuyền san x u ất và kích thưốc th iế t bị thích hdp. - Trong sản x u ất xác định được lượng hao tốn vật liệu, lượng san phẩm phu và tạp chất đế tìm biện pháp khắc phục. Phương trìn h cân bằng vật liệu được dùng để đánh giá m ức độ hoàn th iện của quá trìn h công nghệ. Mỗi công nghệ cần th ể hiện đầy đủ cân bằng v ật liệu. Tổn th ấ t vật liệu và sản phẩm phụ càng ít thì công nghệ càng hoàn hảo. 8 1.3.2. Cân bằng nhiệt lượng Khi chê biên vật liệu trong các quá trìn h luôn kèm theo sự tiêu tốn năng lượng, gồm cơ năng, điện năng'''', n hiệt năng, v.v. Để’ tín h năng lượng tiêu th ụ ta dựa vào định lu ật bảo toàn năng lương. Sự chuyển đổi đơn vị của các dạng năng lượng ỏ đây rấ t cần th iết như ở bảng 1.1. Trong đó có các đại lượng tru n g gian được dùng để tín h toán sau: - Gia tốc trọng trường: 9,81 m /s“ , - Cơ năng: 427 kp.m /kcal (kp là kilogam lực) - M ã lực (HP): 75 kp.m /s - Kilôoát (kW): 102 kp.m /s Theo định lu ật bảo toàn năng lượng, tổng lượng nhiệt được đưa vào bằng tổng lượng n h iệt đtíỢc lấy ra (kể cả tổn thất): Phương trìn h cân bằng n h iệt lượng (1.2) trong thực tế có th ể bao gổm các lượng n h iệt sau: Qi - lượng nhiệt do nguyên vật liệu m ang vào, kcal; Q ‘ - lượng nhiệt tiêu tôn được cung cấp vào, kcal; Q:ì - lượng nhiệt được tỏa ra trong quá trìn h , kcal; Q I - lượng nhiệt do sản phẩm và vật liệu m ang ra, kcal; Qr> - lương nhiệt m ất m át ra môi trường, kcal. Vộy phương trìn h cân bằng vật liệu sẽ là: Lượng n hiệt được tóa ra trong quá trìn h Q3 có thể do thay đổi tran g thái như n hiệt ngưng tụ, kêt tinh, hòa tan hoấc phan ứng hóa hoc, v.v. Lượng n hiệt này có thê là dương nêu quá trìn h tỏa n hiêt hoặc âm nêu quá trìn h th u nhiệt. Dựa vào phương trìn h cân bằng n hiệt ta tín h toán lượng nhiệt cần th iêt cho quá trìn h , cũng như kích thước cần th iết của th iết bị. 1.3.3. Năng suât N ăng su ất là đặc trư n g co'''' bản của th iết bị và máy, là lượng vật liệu vào hoặc san phẩm ra tín h theo một đơn vị thời gian. Đơn vị của năng suất có thê tín h theo: - đơn vị khôi lượng gồm : kilôgam , tấn; ( 1.2) Q i + Q i + Q.) - Q a + Qr> (1.3) 9 - đơn vị th ể tích : lít, m ét khối; - sổ" lượng vật thể. # Ví dl1 nầnẽ su ất m áy nghiền tính theo kg/h, kg/s, tấn/h, nhưng năng snất của bơm thường tính theo 1/h, Vs, 1/ph, m 3/h, m 3/s, còn đối vói các máy ép nhựa năng su ất lại tính bằng số tấn theo đơn vị thời gian. o những điểu kiện giông nhau, năng suất của th iết bị và máy phụ thuộc vào kích thước và vân tôc của quá trìn h 1.3.4. Hiệu suât Hiệu su ất là tỷ lệ phần trăm giữa lương sản phẩm th u được so với lượng nguyên liệu đầu được đưa vào th iết bị. 1.3.5. Cường độ sản xuât Cường độ sản xuất là năng suất dựa trên đại lượng nào đó đặc trư ng cho thiết bị và máy. Ví dụ cường độ sản xuất của thiết bị cô đặc là lượng nước bốc hơi tính trên 1 m 2 bề m ặt gia nhiệt của th iết bị trong một đơn vị thời gian. Khi tăng cường độ sản xuất, vởi một quỉ mô n h ất đinh ta giảm được số thict bị cản dùng hoặc giảm được kích thước của chúng. Nhờ đó giảm được vôn đầu tư xây dựng và chi phí vận hành, tăng được năng suất lao động. 1.3.6. Công suất và hiệu suât Công suất là lượng công do th iết bị, m áy tiêu th ụ hoặc sinh ra trong một đơn vị thời gian. Thông thương công suất được tính theo kw hoặc m ã lực. Công suất do một động cơ tạo ra truyền đến máy qua bộ phận truyền đọng như trục hoặc dây đai, thường khác vối công suất máy. Trong thực tê công suất của động cơ lớn hơn nhiều so với công suất của m áy do sự m ất m át năng lương ở động cơ và qua bộ phận truyền động. Vì vậy, công su ất có ích luôn nhỏ hơn công su ất thực tế. Tỷ lệ giữa công su ất có ích và công suất thực tê tiêu tốn được gọi là hiệu suất (hoặc còn gọi là hệ sô'''' tác dụng hữu ích) của máy và thiết bị: _ N 11 = 7 í1-4) Trong thực te lnẹu suât luôn nhỏ hơn 1 và càng gần 1, máy hoặc th iết bị càng tô''''t. 10 1.4. HỆ ĐON Vị T rong tín h toán các quá trìn h và th iết bị công nghệ hóa và thực phẩm cần đến những sô'''' liệu về tín h chất vật lý như độ nhót, khối lượng riêng, ... và nhữ ng thông sô'''' trạn g th ái như áp suất, n h iệt độ, vận tô''''c, ... của vật chất. Các đại lượng này được đo bằng những hệ đơn vị khác nhau. H iện nay trong đời sôhg và trong khoa học kỹ th u ậ t người ta sứ dụng nhiều hệ dơn vị khác nhau. N hưng phổ biến hơn cả có Các hệ sau đây: 1- Hệ đơn vị CGS (centim ét - gam - giây) được dùng chủ yêu trong các phép đo vật lý. 2 - Hệ đơn vị M KGS (m ét - kilôgam lực - giây) được dùng tro n g các phép đo kỹ th u ật.