Thiết kế và tính toán phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch đường

- Sự tạo cặn trong thiết bị cô đặc: Các chất hòa tan khi có tác dụng sẽ tạo thành các hợp chất kết tủa chủ yếu là các muối canxi sinh ra cáu cặn làm giảm chất phi đường và tăng độ tinh k

Lời cảm ơn

Đối với một sinh viên trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đồ án môn

học ngành Công nghệ thực phẩm với đề tài: “ Thiết kế và tính toán phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống thẳng đứng dùng cho

cô đặc dung dịch đường” là quá trình cố gắng, nỗ lực của bản thân và hơn

hết là sự giúp đỡ , hỗ trợ tận tình của thầy cô và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thế Hữu đã chỉ dẫn tận tìnhtrong quá trình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơnđến các thầy cô khác trong khoa cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những

ý kiến tư vẫn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này Tuy nhiên do kiếnthức còn hạn hẹp nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhậnđược nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

MỞ ĐẦU

Trong thời đại 4.0 công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, có rất nhiềungành công nghiệp được ưa chuộng và phát triển tại Việt Nam Nước ta đangđứng trước nhiều cơ hội và thử thách để trở thành nước có nền kinh tế pháttriển song hành với các quốc gia trên thế giới Hiện tại có rất nhiều ngànhcông nghiệp đang phát triển lớn mạnh ở nước ta trong đó có nghành côngnghiệp thực phẩm được đầu tư mạnh mẽ nhằm thúc đẩy nền kinh tế đất nước

cà chăm lo cho đời sống của người đân Ngành công nghiệp thực phẩm baogồm các hoạt động công nghiệp hướng tới chế biển, chuyển đổi, chuẩn bị, bảoquản cà đóng gói sản phẩm Ngày nay, công nghiệp thực phẩm đã trở nên đadạng hóa, với việc sản xuất từ các hoạt động nhỏ, truyền thống do các giađình quản lý đến các quy trình công nghiệp lớn Ngành này cung các nhu yếuphẩm về ăn uống cho con người, nó bao gồm rất nhiều ngành khác như trồngtrọt, chăn nuôi, đánh bắt thủy sản,… Khi ngành công nghệ thực phẩm đi lênthì nó cũng giúp các nghành khác đặc biệt là nông nghiệp phát triển theo Đâyđược voi là nghành mũi nhọn trong việc phát triển nền kinh tế-xã hội chungcủa đất nước,cụ thể:

- Về xã hội: thúc đẩy nghành công nghiệp hóa nông thôn góp phần giảiquyết việc làm cho người dân

- Về kình tế: cung cấp nhiều mặt hàng về xuất khẩu chủ lực như thủyhải sản, gạo,cà phê, cao su, đường,… nhằm mang lại nguồn thu vềngoài tệ lớn

Hiện này nghành công nghiệp thực phẩm Việt Nam đã có sự phát triển

và thay đổi qua nhiều giai đoạn khác nhau, gồm rất nhiều nghành chính như:rượu-bia-nước giải khát, chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa, dầu thực vật,công nghiệp sản xuất thuốc lá, bánh kẹo,… Đặc biệt là sự phá triển củanghành công nghệ chế biến sản xuất đường, một ngành công nghệ không thểthiếu có truyền thống lâu đời ở Việt Nam Đường saccaroza là một sản phẩmquan trọng trong công nghiệp thực phẩm, nó là nguyên liệu của nhiều sảnphẩm thực phẩm và các ngành công nghiệp khác ( bánh kẹo, nước giải khát,

đồ hộp, sữa, làm thuốc, thức ăn kiêng và sản xuất acid hữu cơ) Đườngsaccaroza thường được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều sản phẩm thực

phẩm vì chúng có khả năng tạo chất ngọt và đồng thời cũng là nguồn dinhdưỡng cung cấp năng lượng không thể thiếu đối với con người Đường sẽgiúp cơ thể con người được cung cấp năng lượng cho các hoạt động mỗingày Mỗi khi thấy mệt mỏi, stress hoặc đói bụng cần nạp nhanh năng lượngthì những thực phẩm chứa nhiều đường sẽ là sự lựa chọn tốt nhất cho cơ thể

Vì vậy công nghệ chế biến đường rất quan trọng với sự phát triển củacông nghiệp chế biến thực phẩm đi đôi với đó là đáp ứng nhu cầu của conngười trong xã hội hiện này Về công nghệ chế biến đường, hiện nay ở ViệtNam đã áp dụng công nghệ hiện đại vào sản xuất, phần lớn là được cơ giớihóa có một số được tự động hóa Để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng đường củacon người hiện nay, việc cô đặc đường saccaroza là hết sức quan trọng, nógiúp ta đưa nống độ đường về nồng độ mong muốn để phục vụ vho sản xuất

thực phẩm Do đó em chọn đề tài đồ án “ Thiết kế và tính toán phân xưởng

cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch đường” Với đồ án này, việc cần làm rõ đầu tiên chính là về

nguyên liệu, tiếp đó là hệ thốn thiết bị cô đặc sau đó tính toán thiết bị chính vàthiết kế phân xưởng cho hệ thống thiết bị cô đặc Với đồ án này chúng ta sẽ

có thể tím hiểu rõ ràng, cụ thể hơn về cách vận hành, thông số kỹ thuật, thiếtbị, của thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức sử dụng trong cô đặc đường

Saccaroza được cấu tạo từ hai đường đơn α, D-glucoza, β và fructofuza Công thức cấu tạo của saccaroza được biểu diễn như sau:

D-Theo công thức trên, saccaroza là α, glucopiratnozit-B, fructofuranozit

D-Saccaroza có tính ức chế rất mạnh trong công việc tổng hợp Vitamin B1trong cơ thể Dùng đường quá nhiều không có lợi nhất là đối với người laođộng nặng, vì vậy nếu bổ sung Vitamin B1 không đủ khi chuyển hóa gluxittạo lactac, dễ dàng mệt mỏi ( nếu nhiều sinh phù) Ngoài ra nếu ăn nhiềuđường quá trong một lức, lượng đường trong máu tăng đột ngột đến 200-400mg% ( giới hạn là 80-120mg%), tế bào tủy sẽ không tạo đủ lượng insulin làmcho việt chuyển đường glucoza thành glucogen để dự trữ ở gan, cơ và thận sẽlàm việc quá tại và đường theo nước giải ra ngoài

1.1.2 Tính chất vật lý của đường saccaroza.

- Đường saccaroza thuộc hệ đơn tả tồn tại dưới dạng tinh thể, trongsuất và không màu

- Đường saccaroza có tỷ trọng là 1,5879 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy là186-188℃

- Đường saccaroza là loại đường có trong tự nhiên như cây mía, củ cảiđường hay trong thốt nốt Sau khi chế biến, đường saccaroza sẽ tồntại ở nhiều dạng khác như: đường phên, đường kính, đường phèn,…

- Độ hòa tan: tan tốt trong nước, độ hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng Tuynhiên độ hòa tan còn phụ thuộc vào các chất không đường có trongdịch đường

Nhiệt độ, ℃

Độ hòa tan,g sacaroza/100g nước

Nhiệt độ,℃

Độ hòa tan, g sacaroza/100g nước

Bảng 1: Bảng hòa tan của sacroza trong nước

- Đường sacaroza không hòa tan trong dầu hỏa, cloroform, CCl4, CS2,benzen, tecpen, ancol và gluxerin khan Trong dung dịch ancol cónước, đường sacaroza hòa tan ít Một gam phenol và NH3

1.1.3 Tính chất hóa học của đường saccaroza.

- Tác dụng của axit: Dưới tác dụng của axit, sacaroza bị thủy phân

thành glucoza và dructoza theo phản ứng:

- Tác dụng của kiềm: Phân tử đường saccaroza không có nhóm

hydroxit glucozit nên không có tính khử Khi tác dụng với chất kiềmhoặc kiềm thổ, saccaroza tạo thành saccarat Trong saccarat, hydrocủa nhóm hydroxyl được thay thế bời kim loại Như vậy trong môitrường này, có thể coi saccaroza như 1 axit yếu Phản ứng tạo thànhsaccarat phụ thuộc vào: nồng độ của dung dịch, lượng kiềm và lượngsaccaroza

Trong dung dịch đậm đặc và dư kiềm, saccaroza sẽ tạo thành saccarat:

C12H22O11+Na+ ¿OH− ¿⇄ HOH+NaC12H21O11 ¿ ¿

- Tác dụng của enzim: Dưới tác dụng của enzim invertaza, saccaroza

sẽ chuyển thành glucoza và fructoza Sau đó dưới tác dụng củaohuwcs hệ enzim, glucoza và fructoza sẽ chuyển thành ancol và CO2

C6H12O6men rượu

→ 2C2H5OH +CO2

Glucoza hoặc Fructoza

1.1.4 Vai trò của đường saccaroza.

- Là chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng

- Là loại thức ăn, thức uống, thực phẩm mang lại cho con người cảmgiác dễ chịu và được con người ưa thích

- Về công nghiệp: là nguyên liệu của nhiều sản phẩm thực phẩm và cácngành công nghiệp khác (bánh kẹo, nước giải khát, đồ hộp, sữa, làmthuốc, thức ăn kiêng và sản xuất acid hữu cơ)

1.1.5 Tình hình sản xuất đường saccaroza trong nước và quốc tế.

1.1.5.1 Tình hình trong nước:

Nước ta là một nước có truyền thống sản xuất đường từ lâu đời Từ lâu,nhân dân ta đã biết dùng những máy ép giản đơn như máy ép bằng đá, máy épbằng gỗ dùng sức trâu bò kéo Nước mía ép được nấu ra nhiều dạng sản phẩmkhác nhau: Mật trầm, đường phèn, đường thô, đường cát vàng Ở miên Trung,nhân dân ta đã biết dùng lòng trắng trứng, đát bùn, vôi để làm sạch nướcmía, sản xuất các loại đường đặc sản như đường muỗng, đường phèn, đườngphổi, đường bông, đường bát dùng trong nước và xuất khẩu

Bức tranh toàn cảnh hoạt động sản xuất kinh doanh ngành đường niên độ2020/2021 có những gam màu trầm, song ngành mía đường cũng được đánhgiá có những điểm sáng, kỳ vọng vào sự phục hồi, phát triển Theo đó, nhậnđịnh của các chuyên gia cho biết, sau hơn một năm tăng giá nhờ thâm hụt sảnlượng sản xuất đường toàn cầu, giá đường trong nước được kỳ vọng tiếp tụcgiữ vững ở mức cao trong những tháng cuối năm 2021 Các doanh nghiệp sảnxuất đường đang được hưởng lợi từ giá bán tăng, đây là một trong nhữngđiểm tích cực đối với ngành sản xuất mía đường trong thời gian tới Cụ thểnhư: Công ty cổ phần Thành Công, Biên Hoà vừa công bố Báo cáo tài chínhniên độ 2020/2021 với doanh thu đạt 14.901 tỷ đồng, tăng gần 16% so vớicùng kỳ và đường vẫn là sản phẩm đóng góp chính với tỷ trọng gần 95%doanh thu Kết quả này có được là nhờ việc tiêu thụ thành công 1,16 triệu tấnđường, tăng 10% so với niên độ trước Phía Công ty cho biết, niên vụ2020/2021 do kiểm soát tốt chi phí đầu vào giúp cải thiện lãi gộp nên mức lợinhuận sau thuế của Công ty đạt mức kỷ lục với 675 tỷ đồng, tăng 86% so vớiniên độ trước (Nguồn: PHS)

1.1.5.2 Tình hình quốc tế:

a Brazil:

Theo công ty phân tích thị trường CovrigAnalytics , khu vực Trung Namcủa Brazil dự kiến sản xuất 34,2 triệu tấn đường trong niên vụ 2022-2023(tháng 4 năm trước đến tháng 3 năm sau), tăng nhẹ so với con số 33,1 triệutấn dự kiến trong niên vụ hiện tại

Trong niên vụ 2021 - 2022, dự kiến sản lượng của Brazil sẽ giảm hơn12% xuống mức thấp nhất trong một thập kỷ, do hạn hán khắc nghiệt vàsương giá làm giảm khả năng sản xuất Do đó sẽ cần có thời gian để khôiphục lại cây trồng về mức bình thường trong mùa vụ tới, điều này sẽ khiếnsản xuất khó phục hồi nhanh trong niên vụ tới

b Ấn Độ:

Hiệp hội các nhà máy đường Ấn Độ (ISMA) cho biết, sản lượng đườngcủa Ấn Độ trong niên vụ 2021-2022 đã tăng 5,6% tính đến cuối tháng 1/2022.Hiện đang có 507 nhà máy đường tại Ấn Độ đang hoạt động với sản lượng18,7 triệu tấn đường, tăng 1 triệu tấn so với cùng kỳ niên vụ trước

Theo ISMA, diện tích mía tăng 11% có thể giúp cho sản lượng đườngcủa Ấn Độ trong niên vụ 2021-2022 (tháng 10 đến tháng 9) dự kiến đạt tổngcộng 31,5 triệu tấn, tăng 3% so với ước tính trước đó là 30,5 triệu tấn Đồngthời cao hơn mức 31,2 triệu tấn của niên vụ 2020-2021.

2018, trước khi giảm xuống 74,8 triệu tấn trong niên vụ 2019 - 2020 và 66,6triệu tấn trong niên vụ 2020 - 2021 FTI kỳ vọng sản lượng mía niên vụ 2022-

23 sẽ tương đương niên vụ 2021 - 2022

1.1.6 Những biến đổi của đường saccaroza tròn quá trình cô đặc.

Trong nhà máy đường hiện đại, nước mía cô đặc ở hệ cô đặc 4- 5 hiệuvới nhiệt độ khoảng 60- 130°C Kết quả là hơi nước bị bốc đi và trên cơ bảnkhông có sự thay đổi thành phần hoặc tính chất của chất khô trong dung dịch.Tuy nhiên, trong quá trình cô đặc vẫn xảy ra nhiều phản ứng hoá học vàhoá lý dẫn đến sự thay đổi thành phần và đặc tính của chất tan Nước ngưng

tụ trong hệ cô đặc nhiều nồi không phải là nước nguyên chất mà chứa ítđường và chất không đường Sự có mặt của đường trong nước ngưng sẽ dẫnđến ăn mòn nồi hơi Mặt khác, dưới tác dụng của nhiệt độ xảy ra phản ứngphân huỷ đường và chất không đường

1.1.6.1 Sự thay đổi pH:

- Sự phân hủy các amit

- Phân hủy đường khử tạo các acid hữu cơ

- Sự tạo caramel của đường saccaroza

1.1.6.2 Sự gia tăng màu sắc:

Trong điều kiện nhiệt độ cao, đường saccarose bị caramel hoá làm tăngmàu sắc dịch nước mía Lượng caramel này phụ thuộc vào nhiệt độ, thời giantruyền nhiệt, và pH

Ngoài ra, đường khử cũng bị phân huỷ hay kết hợp với các hợp chấtchứa nitơ tạo thành melanoidin làm tăng màu sắc nước mía

1.1.6.3 Độ tinh khiết:

Độ tinh khiết tăng trong quá trình cô đặc phụ thuộc vào phương pháplàm sạch Đối với phương pháp với độ tinh khiết tăng từ 0,7-1,0; đối vớiphương pháp sunfit hoá độ tinh khiết tăng từ 0,8 – 1,0; đối với phương phápcacbonat hoá độ tinh kiết tăng 0,2 – 0,5

Độ tinh khiết tăng là do các nguyên nhân:

- Chất không đường bị phân hủy: Các chất phi đường chủ yếu là các hợp chất amid phân hủy tạo ra NH3, muối cacbonat tạo ra C 02, muối sunfit tạo ra SO2, các chất này theo hơi nước đường thoát ra ngoài làmgiảm phần phi đường, do đó làm tăng độ tinh khiết

- Sự tạo cặn trong thiết bị cô đặc: Các chất hòa tan khi có tác dụng sẽ tạo thành các hợp chất kết tủa chủ yếu là các muối canxi sinh ra cáu cặn làm giảm chất phi đường và tăng độ tinh khiết của dịch đường

- Sự thay đổi góc quay riêng của chất không đường đặc biệt là đường khử

1.1.6.4 Sự tạo cặn:

Sự tạo cặn xuất phát từ những nguyên nhân:

- Cùng với việc nồng độ đường tăng cao, nồng độ tạp chất cũng không ngừng tăng lên trong quá trình cô đặc Khi nồng độ tạp chất vượt quá

độ bão hoà chúng sẽ lắng thành cặn

- Các oxit kim loại dạng keo như (oxit silic, oxit nhôm, oxit sắt) trong quá trình gia nhiệt tách dần ra khỏi dung dịch tạo thành cặn.

- Muối canxi hoà tan kết hợp với muối hoà tan của kali và natri tạo thành muối cacbonat kết tủa

- Các muối sunfit có độ hoà tan thấp, dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ tạo thành muối kết tủa

1.2 THIẾT BỊ NỒI CÔ ĐẶC.

1.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc.

Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành côngnghiệp khác nói chung, thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứachất tan không bay hơi Để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thườnglàm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độsôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc

Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóachất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thudung môi ở dạng nguyên chất Dung dịch được chuyển đi không mất nhiềucông sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu Thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiềuloại như: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồngđốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết

bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặcống tuần hoàn trung tâm…

Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị côđặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩmnhư mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

1.2.2 Sơ lược về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứachất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích :

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suấtchân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị côđặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

- Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.

- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để

sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độdung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ởdạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng

độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quátrình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng

độ trong hỗn hợp

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơithứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiềunồi,làm việc gián đoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các

áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (ápsuất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thìdùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi

áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độgiữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thựcphẩm, ví dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm

Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết

bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quảkinh tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người

ta thường chọn cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý

Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồithứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vàođun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuối cùng đivào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia,qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết

để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt vàdung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứtrong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứcủa 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

1.2.3 Dây chuyền sản xuất:

Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều có phòng đốt ngoài :

Chú thích:

1 Thùng chứa dung dịch đầu 8 Thùng chứa nước

3 Thùng cao vị 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet

4 Lưu lượng kế 11.Thiết bị tách bọt

5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 12.Bơm chân không

không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng.Nước ngưng được đưa

ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốclên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơithứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buồng đốt của thiết bị (7) Dung dịch từ nồi(6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi,

áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau

do đó dung dịch đi vào nồi thứ (7) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi Kết quả làdung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượngnước gọi là quá trình tự bốc hơi Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưavào thùng chứa sản phẩm (9) qua thiết bị bơm (2).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7)được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10) Trong thiết bị ngưng tụ, nướclàm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảyqua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt(11) hơi sẽ được bơm chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảyvào thùng chứa nước ngưng

 Nhược điểm :

- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

Dung dịch cô đặc: đường

Năng suất ban đầu: 3,17 tấn/giờ

Chiều cao ống truyền nhiệt: 4m

Nống độ đầu: 63,1%

Nồng độ cuối: 95,5%

Áp suất hơi đốt nồi: 4at

Áp suất hơi ngưng tụ: 0,29 at

G d: Lượng dung dịch đầu, kg/h

x d , x c: Nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, %

Ta có: G d= 3,17 tấn/giờ = 3170 kg/h

x d: 63,1%

x c= 95,5%

→W=3170 ×(1− 63,195,5)≈ 1075,48 kg/h

2.2.2 Lượng hơi thứ bốc ra khỏi mỗi nồi, W 1, W2 :

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W 1 , (kg/h)

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W 2, (kg/h)

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi sau lớn hơn nồi trước Để đảm bảo việc dùng toàn

bộ lượng hơi thứ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau ta chọn:

W1:W2=1:1,03

Ta có hệ: {1,03× W1−W2 =0

W1+W2=W ⟹{W1=529,79 kg/h

W2=545,69 kg/h

2.2.3 Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi, x1, x2:

Được tính theo công thức:

2.3.1 Chênh lệch áp suất chung của hệ thống, ∆ p:

Theo công thức : ∆ p=p1− p ng (at )

Theo bài ra ta có:

Áp suất hơi đốt nồi: p1=4at

Áp suất hơi ngưng tự: p ng =0,29 at

⟹∆ p=4−0,29=3,71at

2.3.2 Chênh lệch áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi:

Áp suất chênh lệch ở nồi 1 và nồi 2 là: ∆ P1

Áp suất chênh lệch ở nồi 2 và thiết bị ngưng là: ∆ P2

Theo công thức: p i = p i−1 −∆ P i−1, ilà thứ tự nồi

- Nhiệt lượng riêng: i1=2744 kJ /kg

- Nhiệt hóa hơi: r1=2141kJ /kg

Nồi 2: với p2=1,77 at ta được:

- Nhiệt độ hơi đốt: T2=115,75 ℃

- Nhiệt lượng riêng: i2=2708 kJ /kg

- Nhiệt hóa hơi: r1=2218 kJ/kg

Với p ng =0,29 at ta được: T ng =67,74 ℃

2.3.3 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:

Gọi t i: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi thứ i, ℃

∆ i m: tổn thất nhiệt do trở lực đường ống thường chọn từ 1÷1,5℃ Để đơn giản hơn ta chọn ∆1m =∆2m =1℃

Áp dụng công thức: t i ' =T i+1 +∆ i m, ℃

Ta có:

Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là: t1' =T2+∆1m =115,75+1=116,75 ℃

Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là: t2' =T ng +∆2m =67,74+1=68,74 ℃

Tra bảng [I.250-ST1-T313] ( Tính chất lý hóa của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ) ta có:

Nồi 1: với t1' =116,75 ℃ ta được:

- Áp suất hơi thứ: p1' =1,82 at

- Nhiệt lượng riêng: i'1=2706 kJ /kg

- Nhiệt hóa hơi: r '1=2216 kJ /kg

Nồi 2: với t2' =68,74 ℃ ta được:

- Áp suất hơi thứ: p2' =0,3 at

- Nhiệt lượng riêng: i'2=2624 kJ/kg

- Nhiệt hóa hơi: r '2=2336kJ /kg

Bảng tổng hợp số liệu:

Nồi P ,atHơi đốtT ,℃ p ' ,atHơi thứt ' ,℃ p ngHơi ngưng tụ,at t ng ,℃

Bảng 2: Kết quả tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi.

2.3.4 Tổn thất nhiệt cho mỗi nồi:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất nhiệt độ này

là do nồng độ tăng cao (∆ '), do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆ ''), do trở lực đường ống (∆ '' ')

2.3.4.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆ '):

Gọi ∆ ' là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất

Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra

Phụ thuộc vào nồng độ chất tan, áp suất, bản chất của chất tan và dung môi Tổn thất nhiệt do nồng độ xác định bằng thực nghiệm hoặc tính theo công thức Lisenco Tổn thất nhiệt độ khi áp suất cô đặc bằng áp suất khí quyển

Trong đó:

∆0': độ tăng phí điểm tại áp suất khí quyển,℃

K s: hằng số nghiện sôi của dung môi

M: phân tử khối của chất tan

x: nồng độ chất tan trong dung dịch,%

2.3.4.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆¿):

Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu Trên mặt thoáng nhiệt

độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng, nguyên nhân là do cột

áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at)

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m)

h2: chiều cao của ống truyền nhiệt (m)

p dds: khối lượng riêng của dung dịch sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 20℃ (kg/m3)

g: gia tốc trọng trường (m/s2)

định theo bảng [I.86-ST1-T58] và sử dụng nội suy Largrange:

t tb: nhiệt độ sôi ứng với áp suất p tb,℃

t0: nhiệt độ sôi ứng với áp suất p0,℃

Vậy tổn thất do áp suất thủy tĩnh của từng nồi là:

∆} = {t} rsub {tb1} - {{t} ^ {'}} rsub {1} =119,98-116,75=3,23 ¿

2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi:

2.3.5.1 Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống:

2.3.5.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:

Là hệ số nhiệt độ hơi đốt T i và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc

∆ T2=T2−t s 2 =115,75−84,09=31,66 ℃

Bảng tổng hợp số liệu:

Nồi ∆ ' ,℃ ∆ '' ,℃ ∆ '' ' ,℃

Hiệu số nhiệt độ hữu ích

∆ T i ,℃

Nhiệt độ sôi của dung dịch

t si ,℃

Hiệu số nhiệt

độ hữu ích trong hệ thống

⇒Số liệu lựa chọn thỏa mãn sai số nhỏ hơn 5%

2.3.6 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Trong đó:

D: lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất, kg/h

G d: lượng hỗn hợp dẫn đầu đi vào thiết bị, kg/h

i1, i2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1 và nồi 2, J/kg.độ

i'1,i'2: nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

θ ,θ: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, ℃

C0,C1,C2: nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2, J/kg.độ

C nc1 ,C nc2: nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

Q m1 ,Q m2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2

W1,W2: lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h

t so ,t s1 ,t s 2: nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2, ℃

2.3.6.1 Nhiệt lượng vào gồm có:

- Nồi 1:Nhiệt do hơi đốt mang vào: D i1

Nhiệt do dung dịch mang vào: G d

- Nồi 2:Nhiệt do hơi thứ mang vào: W1.i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang:(G d −W1)C1.t s 1

2.3.6.2 Nhiệt lượng mang ra:

2.3.6.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Phương trình lập dựa trên nguyên tắc:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

 Phương trình cân bằng nhiệt từng nồi:

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, ra khỏi nồi 2:

Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2) ta áp dụng công thức sau [I.44 - ST1 - T152]

C=C ht x+4186(1−x)(J/kg.độ)Trong đó :

- Cht: là nhiệt dung riêng của đường (C12H22O11) xác định theo côngthức (I.41─ ST1 – T152) :

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiện như sau: W1:W2 = 1:0,67

cân bằng vật chất < 5%, vậy thoả mãn

2.3.5 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:

2.3.5.1 Tính hệ số cấp nhiệt a khi ngưng tụ hơi:

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi

1 và nồi 2 là : Δ11, Δ12

- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 4m, hơingưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấpnhiệt được tính theo công thức (V.101/ST2 – T28)

α=2,04 A.( Δt r i

1i H )0 ,25 W/m2 độTrong đó:

- α1i : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i, W/m2 độ

- Δ1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc

với hơi ngưng của nồi I (o C)

 Với r1, r2: Nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng, bên trong cặn bẩn do dung dịch)

Tra theo bảng (V.I ─ ST2 – T4):

r1 = 0,387.10-3 m2 độ/W

r2 = 0,232.10-3 m2 độ/WTra bảng ( VI.6 ─ ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

Trong đó:

- λ : Hệ số dẫn nhiệt, W/m độ.

- ρ : Khối lượng riêng, kg/m3.

- C: Nhiệt dung riêng, J/kg độ

- μ : Độ nhớt, Cp.

λ, ρ,C ,μ : Lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch (Bảng 2.2)

ts1 = 111,753 oC

ts2 = 77,139 oC

a) Khối lượng riêng

- Khối lượng riêng của nước: Tra bảng (I.249 ─ ST1 – T310)

- Khối lượng riêng của dung dịch đường: Tra bảng (I.86 ─ ST1 –T58):

b) Nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng của nước: Tra bảng ( I.249 ─ ST1 – T 310 ):

Cn1 = 4294,25 (J/kg.độ)

Cn2 = 4229,8475 (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của dung dịch đường: ( Theo bảng 2.3 )

C1 = 3369,73 J/kg độ

Độ nhớt của dd đường( bảng I.107 ─ ST1- 100 ):

Tổng hợp các kết quả ta được bảng sau :

Nồi 1: α21

= 45,3.1,52590,5.5,58872,33.0,8478 = 2614,501 (W/m2.độ)Nồi 2: α22 = 45,3 0,21240,5 7,13732,33 0,9993 = 2032,8506 (W/m2.độ)

2.3.5.4 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch:

K2 = q tb 2

∆ T2 = 14566,436728,2405 = 515,7995 (W/m2.độ)Lượng nhiệt tiêu tốn:

2.3.7 So sánh ∆T i * và ∆ T i tính được ban đầu theo giả thiết phân bố áp suất.

K2.∆ T2¿ = 515,7995.27,70711311,9652.103 = 91,8016 (m2)Vậy F1 = F2 = 91,8016 m2

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 3.1 TÍNH THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU.

Để đun nóng hỗn hợp đầu người ta gia nhiệt bằng thiết bị trao đổi

nhiệt ống chùm loại đứng dùng hơi nước bão hòa để đun nóng hỗn hợp

đầu Chọn áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa p = 4at Khi đó nhiệt

độ hơi nước bão hòa tbh = 142,9 0C (bảng I.251, [1-314])

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với các thông số sau:

Tra bảng [V10-ST2-T44], ta có:

Bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích: 15-40 m2/m3

Lượng kim loại cần cho một đơn vị tải nhiệt: 1

Lượng kim loại cần cho một đơn vị bề mặt đốt: 30-80 kg/m2

Đường kính trong của ống: d= 0,032m

Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống

3.1.1 Nhiệt lượng trai đổi (Q).

Q = F.Cp.(tF – tf) ,W

Trong đó : F: lưu lượng hỗn hợp đầu, F = 5400 kg/h

tF: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp, tF = tso = 116,1434 oC

Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp:

Nguyên lý làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếploại khô ngược chiều chân cao là phun nước lạnh vào trong hơi, hơi tỏa

ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại Do đó thiết bị ngưng tụ trựctiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá

trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làmnguội.

Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet ngượcchiều loại khô được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1)

có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống Baromet(3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài

Hơi thứ vào thiết bị đi từ dưới lên, nước chảy từ trên xuống, chảytràn qua cạnh tấm ngăn, đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấmngăn Hỗn hợp nước làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuốngống Baromet, khí không ngưng đi lên qua ống (4) sang thiết bị thu hồibọt (2) và tập trung chảy xuống ống Baromet Khí không ngưng đượchút ra qua phía trên bằng bơm chân không (5)

Ống Baromet thường cao H > 10,5m để khi độ chân không trongthiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là nước tự chảy ra được không cần bơm nêntốn ít năng lượng, năng suất lớn

Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ Baromet chân caongược chiều loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiềunồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suấtchân không

3.2.2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ:

Số liệu cần thiết:

- Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc: W2 = (kg/h)

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: png = 0,29 at

→ Tng= 67,74 0C

- Các thông số vật lý của hơi thứ ra khỏi nồi cuối của hệ thống:

t2' = 68,74 0C

Gn= (2607.104181,0432.(50−25)3−4181,0432.50) 2160,5045 = 49564,4446 (kg/h)

3.2.2.2 Đường kính trong D tr của thiết bị ngưng tụ:

Theo công thức VI.52, [2-84]

Dtr= 0,02305 √ W2

ρ h .ω h ,mTrong đó:

W2: lượng hơi ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/h.

có thể chọn ω h= 35 m/s

Do đó ta có:

Dtr= 0,02305 √ 2160,5045

0,12855.35 = 0,5051 (m)Qui chuẩn thành Dtr = 500 mm

- Chiều dày tấm ngăn chọn δ = 4mm

- Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn = 40mm

- Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ:

f= G n 10−3

3600.ω c ,m (VI.54, [2-85])Trong đó:

Gn: lưu lượng nước, kg/h Gn = 49564,4446 (kg/h)

ωc: tốc độ của tia nước, m/s

ωc = 0,62 m/s khi chiều cao của gờ tấm ngăn = 40mm

dlỗ: đường kính của lỗ đĩa đã chọn, dlỗ = 2mm

3.2.2.4 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ:

Chiều cao thiết bị ngưng tụ phụ thuộc mức độ đun nóng

Mức độ đun nóng được xác định theo công thức:

β = t 2c −t 2 d

t bh −t 2d (VI.56, [2-85])Trong đó:

t2d, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước tưới bị ngưng tụ, 0C

tbh: nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ, 0C

tbh= tng= 59,7 0C

→ β= 50−25 = 0,7205