Microsoft Word Ch8 tinh toan dong co HTLM doc TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí Giao thông Tính toán Động cơ đốt trong Chương 8 Tính toán Hệ thống làm mát 8 1 Chương 8 Tính to.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
Xoài là loại trái cây nhiệt đới thuộc họ đào lộn hột (Anacardiaceae), có tên khoa học là Mangifera indica L Có nguồn gốc từ Ấn Độ và các khu vực lân cận như Việt Nam, Myanmar, Malaysia, xoài nổi bật nhờ hương vị ngon ngọt và lợi ích sức khỏe.
Xoài là loại trái cây phổ biến nhất tại Việt Nam, trồng nhiều nhất ở Đồng bằng sông Cửu Long, miền Trung và Tây Bắc Năm 2017, diện tích trồng xoài của Việt Nam đạt hơn 92.746 ha và sản lượng khoảng 788.233 tấn Trong đó, Đồng bằng sông Cửu Long chiếm đến 46,1% diện tích và 64,4% sản lượng xoài cả nước, đóng vai trò là vùng sản xuất lớn nhất Vùng Đông Nam Bộ đứng thứ hai với 19,2% diện tích và cũng chiếm phần lớn sản lượng xoài của cả nước.
Xoài có giá trị dinh dưỡng cao, phù hợp cho mọi lứa tuổi Trong 100g xoài chín chứa: nước 86,5g; glucid 15,9g; protein 0,6g; lipid 0,3g; tro 0,6g; các chất khoáng:
Ca, P, Fe ; các vitamin: A , B1, C ; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày,46% nhu cầu vitamin C,…
Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng có trong 100 g xoài
Thành phần Hàm lượng Đơn vị
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:
Các chất hòa tan chủ yếu trong quá trình cô đặc là đường Saccaroze, cùng với nhiều cấu tử có hàm lượng rất thấp, coi như không có Những cấu tử này xem như không bay hơi khi quá trình cô đặc diễn ra, giúp giữ được độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng Việc loại bỏ các cấu tử không mong muốn này đảm bảo chất lượng và hiệu quả của quá trình tinh chế.
KHÁI QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
Cô đặc là quá trình loại bỏ nước hoặc dung môi trong dung dịch nhằm tăng nồng độ chất rắn Quá trình này giúp thu được dung dịch có nồng độ chất rắn cao hơn, tối ưu hóa quá trình chế biến và phân tích Dung dịch là một hỗn hợp đồng nhất giữa dung môi và chất rắn hòa tan, và quá trình cô đặc tập trung vào giảm lượng dung môi để đạt được mục tiêu này.
Quá trình cô đặc được thực hiện ở nhiệt độ sôi dưới áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư trong hệ thống, sử dụng một hoặc nhiều thiết bị cô đặc để tách dịch lỏng thành phần cô đặc Quá trình này giúp nâng cao hiệu quả cô đặc, giảm thiểu nhiệt độ nung và tiết kiệm năng lượng Việc lựa chọn áp suất phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quá trình cô đặc.
- Cô đặc chân không dung cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ phân hủy bởi nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển giúp không làm phân hủy dung dịch ở nhiệt độ cao, đặc biệt phù hợp với các dung dịch muối vô cơ Phương pháp này sử dụng hơi thứ để cô đặc và thực hiện các quá trình đun nóng khác nhau, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình sản xuất và xử lý hóa chất.
- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dung mà thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế
Trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất, quá trình cô đặc nhằm đậm đặc dung dịch thông qua đun sôi, giúp tách dung môi ra dưới dạng hơi Quá trình này làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch, vì dung môi thoát ra dưới dạng hơi nhưng các thành phần hòa tan không bay hơi Khác với chưng cất, quá trình cô đặc không phân lập các thành phần dựa trên khả năng bay hơi, mà chỉ tăng nồng độ dung dịch bằng cách loại bỏ dung môi.
Hơi của dung môi được gọi là hơi thứ, có thể tách ra khỏi dung dịch trong quá trình xử lý Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể sử dụng để đun nóng các thiết bị khác trong quá trình sản xuất Khi hơi thứ được dùng để đun nhiệt cho các thiết bị ngoài thiết bị cô đặc, nó được gọi là hơi phụ, đóng vai trò quan trọng trong tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa quá trình công nghiệp.
Quá trình cô đặc có thể diễn ra trong nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạn hoặc liên tục, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật Tùy vào điều kiện áp suất, quá trình cô đặc có thể thực hiện ở áp suất thường (khí quyển) bằng thiết bị hở hoặc ở áp suất thấp (chân không) bằng thiết bị kín Khi làm việc ở áp suất thường, thiết bị mở được sử dụng, còn khi làm việc dưới chân không, thiết bị kín có ưu điểm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch khi áp suất giảm, giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ diện tích bề mặt truyền nhiệt nhỏ hơn.
Cô đặc nhiều nồi là phương pháp sử dụng hơi thứ làm nguồn nhiệt chính thay cho hơi đốt, giúp tiết kiệm năng lượng và mang lại hiệu quả kinh tế cao Nguyên tắc hoạt động dựa trên chu trình tuần hoàn hơi thứ: hơi đốt của nồi đầu tiên lấy từ hơi từ nồi hơi, sau đó, hơi thứ của nồi thứ nhất dùng để đốt cho nồi thứ hai, và tiếp tục truyền nhiệt qua các nồi kế tiếp trước khi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Do tổn thất nhiệt trong quá trình truyền hơi, nhiệt độ đun nóng của các nồi sau luôn thấp hơn nồi trước, nên hệ thống cô đặc sử dụng áp suất dư cho nồi đầu và áp suất chân không cho các nồi sau để tối ưu hóa quá trình cô đặc Trong hệ thống nhiều nồi, dung dịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi kia, phần dung môi bay hơi đi làm tăng nồng độ dung dịch, đến khi đạt mức mong muốn thì dung dịch cô đặc sẽ được tháo ra để chứa.
1.2.2 Các phương pháp cô đặc
1.2.2.1 Cô đặc bằng phương pháp lạnh đông
Khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước kết tinh và lớn dần thành khối băng, tách khỏi dung dịch ban đầu Quá trình cô đặc này phụ thuộc vào nhiệt độ lạnh đông và số lượng tinh thể đá hình thành Phương pháp này giúp giữ lại vitamin, các hợp chất thơm và các chất dễ phân hủy do nhiệt, tuy nhiên, chi phí năng lượng và thiết bị cao là nhược điểm chính.
1.2.2.2 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược
Khi ngăn hai dung dịch khác nhau bằng tấm màn bán thấm, nước sẽ di chuyển từ dung dịch có nồng độ chất khô thấp đến dung dịch có nồng độ chất khô cao để cân bằng nồng độ Phương pháp này tận dụng tác dụng cơ học của áp suất thẩm thấu cao hơn, khiến nước chảy ngược lại từ nơi có nồng độ chất khô cao đến nơi có nồng độ thấp Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế tối đa mất mát các thành phần cơ bản của dung dịch, nhưng cũng đồng thời làm mất một số muối khoáng và không đảm bảo việc thanh trùng bổ sung.
1.2.2.3 Cô đặc bằng bốc hơi nhờ nhiệt độ Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay Nhờ nhiệt độ, dung dịch được đun sôi và lúc này, nước trong dung dịch diễn ra quá trình chuyển khối từ pha từ lỏng sang hơi và tách ra khỏi dung dịch Phương pháp này được dùng phổ biến, trang thiết bị tương đối đơn giản Tuy nhiên, do sử dụng nhiệt độ nên không tránh khỏi tổn thất một số chất dinh dưỡng dễ bị phân hủy bởi nhiệt Ngoài ra, trong quá trình bốc hơi, hơi nước cuốn theo các chất thơm và các chất dễ bay hơi khác của dung dịch.
1.2.3 Những biến đổi của quá trình cô đặc
Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất hòa tan tăng lên, làm thay đổi tính chất của dung dịch theo thời gian cô đặc Quá trình này xác định rõ sự thay đổi của tính chất dung dịch khi nồng độ và độ đặc ngày càng cao ở áp suất không đổi, ảnh hưởng đến các ứng dụng và phản ứng hóa học liên quan.
Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch đều giảm, giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt Tuy nhiên, khối lượng riêng, độ nhớt và tổn thất do nồng độ tăng lại có xu hướng tăng lên, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển và tiêu hao năng lượng trong hệ thống.
- Thay đổi pH của môi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấu tử tạo thành axit.
- Đóng cặn, do số muối canxi hòa tan rất chậm trong nồng độ cao, do phân hủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa.
- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất.
- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất.
- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữa đường khử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito.
- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)
- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao
1.2.4 Bản chất của quá trình cô đặc do nhiệt
Theo thuyết động học phân tử, để tạo thành hơi cần nhiệt tác dụng lên bề mặt thoáng phải lớn hơn tốc độ giới hạn, giúp các phân tử thu nhận năng lượng cần thiết để bay hơi Quá trình bay hơi diễn ra khi phân tử thu nhiệt để vượt qua lực liên kết trong chất lỏng và khắc phục trở lực bên ngoài Do đó, việc cấp nhiệt phù hợp là yếu tố quan trọng để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình chuyển từ thể lỏng sang hơi, đảm bảo hiệu quả của quá trình bay hơi.
Sự bay hơi chủ yếu xảy ra do các bọt khí hình thành khi cấp nhiệt và chuyển động liên tục trong quá trình nấu Chênh lệch về khối lượng riêng giữa các phân tử trên bề mặt và dưới đáy tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc, góp phần nâng cao hiệu quả quá trình bay hơi và cô đặc.
1.2.5 Ứng dụng quá trình cô đặc Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.
Mục đích: để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoăc đưa dung dịch qua trạng thái bão hòa để kết tinh.
Ví dụ về ứng dụng của quá trình cô đặc trong sản xuất các loại thực phẩm: đường,các loại nước ép rau, củ, quả: cà chua, dứa, xoài,…
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
Theo cấu tạo, tính chất của nhóm đối tượng cần cô đặc
* Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt
Nhóm 2 sử dụng dung dịch đối lưu cưỡng bức bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt, giúp tăng hệ số truyền nhiệt và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt trong hệ thống Phương pháp này có ưu điểm vượt trội là cải thiện khả năng truyền nhiệt nhờ vào độ nhớt cao của dung dịch, đồng thời giảm thiểu tình trạng kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của hệ thống làm lạnh hoặc truyền nhiệt.
* Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếp xúc quá lâu làm biến chất sản phẩm.
Theo phương pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi không đổi tại một áp suất nhất định, giúp quá trình cô đặc diễn ra hiệu quả và ổn định Quá trình này thường được thực hiện liên tục để duy trì mức dung dịch cố định, từ đó tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm Thời gian cô đặc ngắn giúp giảm tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ, đảm bảo quá trình diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn.
* Cô đặc áp suất chân không dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chân không.
Việc sử dụng nhiều nồi cô đặc nhằm tiết kiệm năng lượng hơi đốt nhưng không nên vượt quá số lượng hợp lý để tránh giảm hiệu quả tiết kiệm so với chi phí bỏ ra Điều này bởi vì các nồi thường sử dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau, mang lại lợi ích kinh tế cao trong quá trình hoạt động.
1.3.2 Yêu cầu về công nghệ và thiết bị
Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định
Giảm tổn thất chất khô
Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi
Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt
* Về cấu tạo, thiết bị cô đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phận chính như sau:
Bộ phận nhận nhiệt trong thiết bị đun nóng bằng hơi nước chính là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, nơi hơi nước ngưng tụ bên ngoài và truyền nhiệt cho dung dịch bên trong ống Điều này giúp quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả, nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị Dàn ống có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và đảm bảo truyền năng lượng tối đa từ hơi nước sang dung dịch cần gia nhiệt.
Không gian để phân ly có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý hơi dung môi, bởi vì hơi dung môi chưa hòa tan thành dung dịch cần có diện tích lớn để tách biệt hiệu quả Điều này giúp giảm thiểu rủi ro hơi dung môi rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt, đảm bảo quá trình vận hành an toàn và tối ưu Lựa chọn không gian phù hợp trong hệ thống là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sự cố trong quá trình xử lý dung môi.
Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi
* Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cô đặc:
Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cô đặc: độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại,…
Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm mạnh.
Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ lấy nhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.
Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ống của giàn ống.
Đảm bảo tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
việc làm sạch bề mặt bên trong các ống trở nên dễ dàng hơn nhờ dung dịch bốc hơi nhanh, giúp giảm tình trạng bẩn và hình thành cặn bên trong ống, từ đó nâng cao hiệu quả vệ sinh và duy trì hoạt động trơn tru của hệ thống ống.
1.3.3 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống
Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực.
Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điều kiện chân không.
Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bị cuối làm việc ở áp suất chân không
1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, nồi hai vỏ, …
Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Buồng đốt , buồng bốc hơi
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
Các bể chứa: nguyên liệu, sản phẩm,…
Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không;
Thiết bị ngưng tụ: Baromet; ống chùm,…
Thiết bị đo và điều chỉnh.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Cô đặc là quá trình sử dụng nguồn nhiệt để làm bay hơi dung dịch, giúp tăng nồng độ của dung dịch cuối cùng Quá trình này giúp thu được dung dịch có hàm lượng chất tan cao hơn so với ban đầu, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và chế biến thực phẩm Việc cô đặc đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý và bảo quản sản phẩm.
Cô đặc chân không là quá trình sử dụng thiết bị hoạt động ở áp suất chân không, thấp hơn áp suất khí quyển, nhằm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc Quá trình này giúp duy trì chất lượng của dung dịch, tránh biến chất do nhiệt độ cao Cô đặc chân không là phương pháp hiệu quả để bảo toàn các thành phần có hại hoặc dễ phân hủy khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Ngoài ra quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về năng lượng do chênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp.
Hệ thống cô đặc đa dạng bao gồm các loại như hệ thống đơn chiếc với một nồi cô và hệ thống nhiều nồi kết hợp Việc tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồi khác giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống cô đặc.
Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cô đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánh khuấy vì một số lí do như:
- Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)
- Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành
- Dễ dàng vệ sinh thiết bị
- Phù hợp với các loại dung dịch nước quả hoặc dung dịch có độ nhớt cao,
- Cánh khuấy được thiết kế sẽ có tác dụng khuấy trộn dung dịch, tránh hiện tượng dung dịch bị đóng cặn trong quá trình cô đặc
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc chân không một nồi sử dụng nồi hai vỏ có cánh khuấy
Hệ thống xử lý gồm các thành phần chính như thùng chứa nguyên liệu, bơm nhập liệu và cửa nhập liệu giúp đảm bảo quá trình vận chuyển và cung cấp nguyên liệu liên tục Phần ống dẫn hơi đốt và ống dẫn hơi thứ đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt và khí đốt, trong khi cửa thoát khí không ngưng đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả Buồng bốc, buồng đốt và cửa thoát nước ngưng phối hợp để kiểm soát quá trình đốt cháy và thoát nước ngưng, giữ cho hệ thống sạch sẽ và hoạt động tối ưu Quả cầu CIP, cốc tách nước ngưng và bộ phận tách lỏng giúp làm sạch và tách các thành phần không mong muốn trong quá trình xử lý Thiết bị đo áp suất, thiết bị ngưng tụ và bể chứa nước ngưng đóng vai trò giám sát và lưu trữ chất lỏng, đảm bảo áp suất và nhiệt độ phù hợp cho quá trình sản xuất Các thành phần như cửa tháo sản phẩm, thùng chứa sản phẩm và thiết bị bơm chân không giúp kiểm soát quá trình vận hành và duy trì môi trường khô ráo, an toàn cho hệ thống.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,2 at.
Sau đó, dung dịch ban đầu có nồng độ 10% (10Bx) được bơm từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm qua lưu lượng kế để kiểm soát chính xác lượng Quá trình cô đặc diễn ra trong buồng bốc hơi của thiết bị, sau khi đã đạt khối lượng 1650 kg, quá trình bơm dung dịch sẽ dừng lại để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Khi nhập đủ 1650 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (hơi nước bão hòa ở áp suất 3at).
Dung dịch nước xoài được đun nóng đến nhiệt độ sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi Hơi sau đó đi lên buồng bốc hơi, nơi chúng được gia nhiệt bởi hơi đốt và sôi để bay hơi Hơi thứ và khí không ngưng tụ sẽ được dẫn qua ống dẫn hơi đến bộ ngưng tụ dạng ống chùm, nơi chúng ngưng tụ thành lỏng nhờ nước lạnh đi bên ngoài các ống Nước ngưng tụ sau đó chảy qua bộ phận tách lỏng và được chứa tại bể nước ngưng, trong khi khí không ngưng tụ được hút ra ngoài bằng bơm hút chân không Hơi đốt khi ngưng tụ thoát ra qua cửa thoát nước, đi qua cốc tách nước và cuối cùng xả ra ngoài thùng chứa nước ngưng.
Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi đạt nồng độ 55% (55Bx), lúc đó ngừng cấp hơi đốt để đảm bảo quá trình diễn biến chính xác Sau khi đạt yêu cầu, sản phẩm được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm và chuyển đến bể chứa để đảm bảo an toàn và thuận tiện trong xử lý tiếp theo.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Phương trình cân bằng vật chất cho các giai đoạn:
Trong quá trình phân tích, các ký hiệu như Gđ và Gc thể hiện lượng dung dịch đầu và cuối của mỗi giai đoạn, tính bằng kilogam, giúp theo dõi sự biến đổi của lượng dung dịch qua các giai đoạn Nồng độ dung dịch tại đầu và cuối mỗi giai đoạn được ký hiệu là xđ và xc, đo bằng phần trăm (%), phản ánh mức độ pha trộn và suy giảm của dung dịch trong quá trình xử lý Đồng thời, W biểu thị lượng hơi thứ bốc ra trong mỗi giai đoạn, cũng được tính bằng kilogam, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và quá trình trao đổi chất trong hệ thống Các yếu tố này phối hợp để mô tả rõ ràng quá trình diễn ra, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Chia lượng dung dịch nhập vào theo các khoảng nồng độ : 10%, 25%, 40%, 55%
Có: xđ = 40%=0,4; xc = 55%=0,55; Gc = 300kg
Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
Có xđ = 25%=0,25; xc = 40%=0,4; Gc = 412,5 kg
Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
Giai đoạn từ 10% đến 25% xđ = 10%=0,1; xc = 25%=0,25; Gc = 660kg
== 1650 (kg) Lượng hơi thứ bốc ra: W= = (kg)
Tổng lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ quá trình cô đặc:
Tổng lượng nhập liệu ban đầu: Gđ = 1650kg
Bảng 3.1 Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Khối lượng dung dịch, kg 1650 660 412,5 300
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 990 247,5 112,5
Khối lượng riêng dung dịch, kg/m 3
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Chọn áp suất thiết bị ngưng tụ P0=0,2 at Suy ra nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t0= 59,7ºC
(Bảng I 251 trang 314 Tài liệu [1]) Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ 0,5 o C
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1 đạt 60,2°C, bằng nhiệt độ sôi của nước trên mặt thoáng dung dịch Nhiệt độ này được xác định là 59,7°C cộng thêm 0,5°C Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc hơi tại thời điểm này là P₁₀.₂₀₃₁ atm, phản ánh điều kiện xảy ra quá trình bay hơi của dung môi.
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc chủ yếu bao gồm các yếu tố như tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực của đường ống Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống, gây giảm năng suất và tăng tiêu thụ năng lượng Việc kiểm soát và giảm thiểu các tổn thất này là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình cô đặc Do đó, cần thiết kế hệ thống phù hợp, sử dụng vật liệu chất lượng cao và duy trì bảo trì định kỳ để giảm thiểu tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc, từ đó nâng cao hiệu quả quá trình và tiết kiệm năng lượng.
Tồn thất nhiệt do nồng độ – Nhiệt độ sôi dung dịch
Theo công thức Tisenco (VI.9 trang 59 Tài liệu [2]):
Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch xảy ra khi nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển) Hệ số hiệu chỉnh được tính theo công thức liên quan đến nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, ký hiệu là T (đơn vị Kelvin), và ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc, ký hiệu là r (đơn vị J/kg).
Tại giá trị P1= 0,2031 at, ta tính ra r= 2358.10 3 J/kg (Bảng I.251 trang 314
Tài liệu [1]) ,từ đó tính được = 0,76
Ta có ( Hình VI.2 trang 60 Tài liệu [2])
Nhiệt độ sôi dung dịch là o C
Tính tương tự tại các nồng độ khác, ta thu được kết quả:
Bảng 3.2 Kết quả tính toán tổn thất nhiệt do nồng độ
Nhiệt độ sôi dung dịch 60,32 60,59 61,05 61,97
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh là hiện tượng mất năng lượng nhiệt gây ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở đáy buồng bốc hơi so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình Hiện tượng này xảy ra vì sự thay đổi áp suất gây ảnh hưởng đến điểm sôi của chất lỏng, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt Thường thì nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở trung tâm buồng bốc là tham chiếu để đánh giá mức độ tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh Hiểu rõ về tổn thất này là yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động của hệ thống trao đổi nhiệt, giúp nâng cao hiệu suất làm việc và tiết kiệm năng lượng.
Mà áp suất thuỷ tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc :
Ptb được tính bằng công thức Ptb = P1 + (Δh + h/2) · dds · g, trong đó Ptb là áp suất sôi của dung dịch tại nhiệt độ tương ứng, P1 là áp suất ban đầu, Δh là sự thay đổi chiều cao, h là chiều cao trung bình, dds là mật độ dung dịch, và g là gia tốc trọng trường Nhiệt độ sôi của dung dịch tại áp suất Ptb là ttb, trong khi nhiệt độ sôi tại áp suất P1 là t1, phù hợp với điều kiện mặt thoáng Công thức này giúp xác định chính xác nhiệt độ sôi của dung dịch dựa trên sự thay đổi của áp suất và các yếu tố vật lý liên quan, hỗ trợ trong các phân tích kỹ thuật và quản lý chất lượng.
Áp suất hơi trên bề mặt dung dịch là một yếu tố quan trọng trong quá trình sôi, được đo bằng đơn vị N/m² Chiều cao của lớp dung dịch sôi tính từ đáy buồng bốc hơi đến mặt thoáng của dung dịch thường được chọn là h = 0,5m hoặc h = 1,5m tùy thuộc vào thiết kế Thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và chuyển đổi pha trong hệ thống Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (dds) thường là 0,5 g/cm³ (tương đương 500 kg/m³), còn gia tốc trọng trường g luôn được đặt là 9,81 m/s² để đảm bảo tính chính xác trong tính toán.
* Tính tại thời điểm dung dịch có nồng độ 10%
Theo Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1], ta có tại áp suất 0,268 at, ta nội suy được 65,82 o C
Vậy tại áp suất 0,268 at, nhiệt độ sôi của H2O là 65,83 0 C Độ tăng nhiệt độ do cột thủy tĩnh là: ttb – t1 = 65,83 – 60,2 = 5,63 o C
=> nhiệt độ sôi dung dịch Đường 10% ở áp suất Ptb là oC
Tính tương tự cho các khoảng nồng độ khác ta có
Bảng 3.3 Kết quả tính toán
3.2.2 Tính cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn
* Cân bằng nhiệt lượng: nhiệt vào = nhiệt ra
* Nhiệt lượng vào gồm có:
- Do dung dịch đầu: Gđ, cđ, tđ
* Nhiệt lượng ra gồm có:
- Sản phẩm mang ra: Gc, cc, tc
* Phương trình cân bằng nhiệt:
Lượng hơi đốt sử dụng (D) đo bằng kilogram là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình combustion Tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo trong quá trình condensation (%) ảnh hưởng đến hiệu quả nhiệt của hệ thống Nhiệt độ nước ngưng (t nước ngưng) đo bằng độ Celsius giúp xác định quá trình làm mát và phân bổ nhiệt Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở 25°C (c) là thông số quan trọng để tính toán năng lượng cần thiết cho quá trình nhiệt hóa Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (cc) cùng với nhiệt độ của chúng (tc) giúp phân tích sự thay đổi nhiệt năng trong quá trình Entanpi của hơi đốt (H) đo bằng J/kg thể hiện năng lượng cần thiết để tạo ra 1 kilogram hơi, góp phần xác định hiệu suất và tối ưu hóa quá trình nhiệt.
: entanpi của hơi thứ, J/kg
Qt: nhiệt lượng tổn thất, J
Qcđ: nhiệt lượng cô đặc, J
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
QD = D.(1-).() = D.(1-).r r = : nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất PĐ
* Nhiệt dung riêng của dung dịch
Nếu x < 20% ta tính C theo công thức:
Cdd = 4186 (1- x) ( Công thức I.42 trang 152 Tài liệu [1])
Nếu x >20% thì C được tính theo công thức
Cdd = cht x + 4186 (1-x)( Công thức I.43 trang 152 Tài liệu
Trong đó: x: nồng độ dung dịch
Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan( không chứa nước)
Cht được tính theo công thức
Với nC, nH, nO : số nguyên tử C,H,O trong hợp chất
CC, CH,CO : nhiệt dung riêng của các nguyên tố C,H,O Tra bảng I.141 trang 152 Tài liệu [1] ta có: CC = 7500 (J/kg.độ)
CO = 16800 (J/kg.độ) Vậy Cht= (J/kg.độ)
Vậy nhiệt dung riêng của dung dịch theo nồng độ:
* Chọn hơi đốt có áp suấ t Pđ = 3at => thđ = 132,9 o C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at là r = 2171.10 3 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
Entanpi của hơi thứ ở 60,2 o C, &08,310 3 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])
* Xem nhiệt cô đặc Qcđ là không đáng kể
Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% lên 65,95 o C
Gđ = Gc = 1650 kg cđ = cc = 3767,4 J/kg độ tđ = 20 o C; tc e,95 o C; W = 0 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q1 503767,4 (65,95 - 20) =2,8610 8 J Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất):
QD1 = = 3,0110 8 J Lượng hơi đốt sử dụng:
Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 25%
Gđ = 1650 kg ; cđ 767,4 J/kg độ ; tđ e,95 o C
Gc = 660 kg ; cc = 3495,3 J/kg độ ; tc = 66,59 o C
W = 990 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q2 = 23,310 8 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Lượng hơi đốt sử dụng: D2 = = 1128 kg
Gđ = 660 kg ; cđ 495,3 J/kg độ ; tđ f,59 o C
Gc = 412,5 kg ; cc = 3080,8 J/kg độ ; tc = 67,46 o C
W = 247,5 kg Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q3 = 5,7810 8 J Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
QD3 = = 6,0810 8 J Lượng hơi đốt sử dụng: D3 = = 280 kg
Gđ = 412,5 kg ; cđ 080,8 J/kg độ ; tđ g,46 o C
Gc = 300 kg ; cc = 2666,4 J/kg độ ; tc = 68,85 o C
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
QD4 = = 2,7710 8 J Lượng hơi đốt sử dụng: D4 = = 127 kg
Tổng nhiệt lượng cung cấp là : Qtổng=Q1+Q2+Q3+Q4= 34,5 J
Tổng lượng hơi đốt sử dụng là: Dtổng=D1+D2+D3+D4= 1674 kg
Driêng= = = 1,24 kg hơi đốt/ kg hơi thứ
Bảng 3.4 Tóm tắt quá trình cân bằng năng lượng
Tổng nhiệt lượng cung cấp 3,01 24,5 6,08 2,77
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 138 1128 280 127
TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
3.3.1.1 Các kí hiệu và công thức
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m 2 K
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi là W/m²K, giúp đánh giá khả năng truyền nhiệt của dung dịch sôi trong quá trình đốt Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, q1, và phía dung dịch sôi, q2, đều đo bằng W/m² và phản ánh lượng nhiệt truyền qua các lớp khác nhau trong quá trình đốt nhiên liệu Nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, qv, thể hiện mức độ truyền nhiệt qua thành ống hoặc tường của buồng đốt Nhiệt độ trung bình của vách ngoài buồng đốt, tv1, thường nằm trong khoảng nhiệt độ phù hợp để đảm bảo hoạt động hiệu quả, trong khi nhiệt độ trung bình của vách trong buồng đốt, tv2, phản ánh điều kiện nhiệt độ bên trong buồng đốt Nhiệt độ hơi đốt, tD = 132.9°C, và nhiệt độ dung dịch sôi, tdd, là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt và hiệu suất của hệ thống.
: nhiệt độ màng nước ngưng, o C
3.3.1.2 Phía hơi đốt thành thiết bị
Ta có: q1 = α1.Δt1 (1) Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]: (2) Với A= phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm t m , o C 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ \( t_m \), tính bằng kg/m³, là một thông số quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật liên quan đến nhiệt động lực học Hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ \( t_m \), đo bằng W/mK, phản ánh khả năng truyền nhiệt của nước trong quá trình làm mát hoặc gia nhiệt Độ nhớt của nước tại nhiệt độ \( t_m \), thể hiện khả năng chống lại dòng chảy của chất lỏng, ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của chất lỏng trong các hệ thống kỹ thuật Rớ, ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ \( t_D \), với giá trị là 217110 J/kg, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của các quá trình ngưng tụ và trao đổi nhiệt.
3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch
Ta có: q2 = (3) Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]:
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m 3 ), nhiệt dung riêng (J/kg độ), độ nhớt (Pas) của nước
: các thông số của dung dịch theo nồng độ
: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m 2 K
(5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2]) Với: q: nhiệt tải riêng, W/m 2 p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m 2 p = p1 = 0.2031 at = 19924,11 N/m 2
Các thông số của nước: (Bảng I.249 trang 310 Tài liệu [1]) tsdm = 60,2 o C 983,1 kg/m 3 cn = 4183 J/kg độ
Các thông số của dung dịch nội suy theo ở I.112 trang 114 Tài liệu [1] (ở 40 o C) tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
Mdd Với: x : nồng độ dung dịch
Cdd và xác định theo nồng độ
3.3.1.4 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch
Bề dày vách buồng đốt δv = 2 mm
Hệ số dẫn nhiệt qua vách λv = 17,5 W/mK
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau:
1- Chọn (< tD ) 2- Tính theo công thức (2) 3- Tính q1 theo công thức (1) 4- Tính theo công thức (6) với qv = q1
5- Tính theo công thức (5) với q = q1
6- Tính theo công thức (4) 7- Tính q2 theo công thức (3) 8- Tính qtb 9- Xác định sai số ss Nếu ss > 5% thì chọn lại và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ 10- Tính K theo công thức (7)
Tính K cho các giai đoạn:
Theo công thức (5) ta có:
Theo công thức (4) ta có: α2= 5951,16
Tính tương tự cho các nồng độ khác ta có:
3.3.2 Hệ số truyền nhiệt để đưa dung dịch ban đầu từ 20 o C lên 65,95 o C
3.3.2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu 1 , 2 , q1,q2,qv, t v 1 , t v 2 , tD, tdd, t 1 , t 2 , t v , tm như mục 1.1
3.3.2.2 Phía hơi ngưng q1 = α1 t1 α1 Với A được xác định theo tm r = 217110 3 J/kg H= 1,5m
Trong đó: Nu C Gr Pr n dd dd dd
(Công thức V.35 trang 12 Tài liệu [2]) (Công thức V.39 trang 13 Tài liệu [2])
- C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
- Gr.Pr 10 3 500 thì Nu 1 18 Gr Pr 0 125
- Gr Pr 500 2 10 7 thì Nu 0 54 Gr Pr 0 25
- Gr.Pr 2 10 7 thì Nu 0 135 Gr Pr 0 33
- l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1.5 m
Khối lượng riêng của dung dịch, đo bằng kg/m³, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tích tụ và vận chuyển nhiệt năng Hệ số dãn nở thể tích, tính theo K⁻¹, phản ánh mức độ thay đổi thể tích của dung dịch khi nhiệt độ biến đổi, góp phần tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, đo bằng W/mK, quyết định khả năng truyền nhiệt qua vật chất, đóng vai trò then chốt trong các ứng dụng kỹ thuật nhiệt Độ nhớt (Pa.s) của dung dịch ảnh hưởng đến khả năng chảy và phân bố của chất lỏng trong hệ thống, bảo đảm hoạt động hiệu quả Nhiệt dung riêng (J/kg độ) thể hiện năng lượng cần thiết để nâng nhiệt của dung dịch lên một độ, giúp xác định lượng năng lượng tiêu thụ trong các quá trình nhiệt Tất cả các đặc tính này đều được đo tại nhiệt độ màng của dung dịch, đảm bảo độ chính xác và phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật và nghiên cứu.
- Với: dd = = 42,98 o C cdd = 3767,4 J/kg độ ρ dd = 1039,98 kg/m 3
(7) qtb (8) Tính sai số = 5% (thỏa mãn)
(Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2])
Nhận xét: Vì Gr.Pr > 210 7 nên Nu 0 135 Gr Pr 0 33 = 15656 = = 5749,44 (W/m 2 K)
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Tính kích thước buồng đốt
Đối với thiết bị làm việc gián đoạn, lượng nguyên liệu ban đầu nạp vào thiết bị là Gđ
(kg), nguyên liệu có khối lượng riêng là (kg/m 3 ), thể tích Vnl (m 3 ), được tính theo công thức , m 3
Với các giá trị được tính ở trên: Gđ = 1650 (kg), = 1039,98 (kg/m 3 ), ta có:
Nếu trong quá trình gia công cần có nước thì thể tích có ích Vc chính bằng tổng thể tích nguyên liệu đầu và thể tích của nước Vn :
Do trong quá trình cô đặc ta không sử dụng thêm nước nên ta có :
Lại có: Thể tích của thiết bị V phụ thuộc vào thể tích có ích Vc và hệ số chứa đầy αc:
Hệ số αc, còn gọi là hệ số chứa đầy, phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu có khả năng tạo bọt hay không tạo bọt, cũng như cách bố trí thiết bị, như nằm đứng hoặc nằm ngang Thông tin chi tiết về hệ số này có thể được tra cứu trong Bảng I.2, trang 24 của Tài liệu [3].
Chọn giá trị αc = 0,804 ta có: V= = 1,98 (m 3 )
4.1.2 Tính đường kính và chiều cao buồng đốt
Từ thể tích của thiết bị V, bạn có thể dễ dàng tính được đường kính D và chiều cao H của vỏ trong thiết bị, chưa kể đến chiều dày của vỏ Đường kính trong của vỏ thiết bị hình trụ đứng được xác định dựa trên thể tích V, giúp thiết kế và lắp ráp chính xác các bộ phận trong quá trình chế tạo Việc tính toán chính xác đường kính D và chiều cao H đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn của thiết bị.
= 0,7 lấy theo cấu tạo thiết kế;
K’: tỉ số phụ thuộc vào hình dạng của đáy Ở đây ta chọn đáy hình cầu, tra bảng I.1 trang 22 Tài liệu [3] được giá trị K’ = 0,071
Dtr = = 1,47 m 1,5 m Chiều cao của vỏ trong đặt thẳng đứng là H được tính từ công thức: tr= 0,7 1,5 = 1,05 ( m).
Ta có kích thước buồng đốt:
Ta chọn đáy hình bầu dục với chiều cao: h = = = 375 (mm)
Chiều cao đáy được chọn là 380 mm = 0,38 m
Theo yêu cầu công nghệ tiêu chuẩn, chiều dày của thiết bị trao đổi nhiệt được chọn là 3mm Do đó, độ dày của vách truyền nhiệt cũng phải là 3mm để đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Trên thành buồng đốt, lớp vỏ thiết bị bên ngoài có đường kính trong lớn hơn đường kính ngoài của vỏ trong từ 60 đến 120 mm, với khoảng cách chọn là 100 mm để đảm bảo độ chính xác Đường kính ngoài của vỏ trong được tính là 1,506 mm, dựa trên kích thước gốc 1,500 mm cộng thêm chiều dày 3×2 mm Trong khi đó, đường kính trong của vỏ ngoài đạt 1,606 mm sau khi cộng thêm khoảng cách 100 mm, đảm bảo phù hợp với thiết kế kỹ thuật và yêu cầu an toàn của thiết bị.
Chọn chiều dày vỏ ngoài là 5 mm để ngăn cản quá trình truyền nhiệt ra khỏi môi trường Đường kính ngoài của vỏ là 1616mm, tính bằng công thức 1606 + 5×2 Đối với đáy buồng đốt, khoảng cách giữa hai đáy của vỏ trong và vỏ ngoài cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
3060 mm Ta chọn khoảng cách này là 40 mm.
Tính thời gian cô đặc và diện tích bề mặt truyền nhiệt
Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT dQ= K.F(T-t).dT
Giả sử đến cuối quá trình, dung dịch vân ngập hết bề mặt truyền nhiệt nên F và T không thay đổi
Lấy tích phân ta có: F.T 2 = (*) Trong đó:
T2: Thời gian cô đặc ( không kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 65,95 o C
Q: Nhiệt lượng tiêu tốn cho cả quá trình này, J
Ta tính tích phân (*) bằng phương pháp đồ thị, cần xác định Q và ở từng thời điểm:
Vẽ đồ thị với: trục hoành: Q, trục tung:
2.5 Đồồ th xác đ nh th i gian cồ đ cị ị ờ ặ
Hình 4.1 Đồ thị để xác định thời gian cô đặc
Từ việc tích phân đồ thị ta có:
Tổng quá trình cô đặc từ 10% đến 55% là S = F.T = 52173,5 m 2 s
Chọn thời gian cô đặc là 40 phút
Bề mặt trao đổi nhiệt là F = 21,73 m2
Thời gian các giai đoạn là:
Thời gian gia nhiệt ban đầu là: Q = K.Δt.F.T
Suy ra T Với: Q: Nhiệt lượng dùng cho gia nhiệt
K: Hệ số gia nhiệt cho quá trình gia nhiệt, W/m 2 K Δt: Chênh lệch nhiệt độ, K Δt = = 87,93 K Vậy T = = 118,41 2 phút
Chọn thời gian nhập liệu: 15 phút
Chọn thời gian tháo liệu: 15 phút
Tổng thời gian cô đặc 1 mẻ là: 15+2+15+40 = 72 phút
Chọn tổng thòi gian cô đặc là 72 phút
Tính kích thước không gian bốc hơi
Kích thước không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo.
4.3.1 Tính đường kính buồng bốc hơi(D bh )
Theo mục 5 trang 289 Tài liệu [4] ta có:
Năng suất tính theo thể tích hơi thứ Vh (m 3 ) Với: W là năng suất hơi thứ, W = 1350 kg
: thể tích riêng hơi thứ tại 60,2 o C(m 3 /kg), =1,02(m 3 /kg) (bảng I.5 trang 11
Tốc độ hơi đi trong buồng hơi (chọn đường kính buồng hơi bằng đường kính buồng đốt)
= = 0,33 (m/s) Theo mục 6.5.1.2 trang 263 Tài liệu [4], vận tốc lắng hạt lỏng tính theo công thức:
, - khối lượng riêng của chất lỏng và của hơi thứ (kg/m 3 )
- đường kính hạt lỏng; dhl = 0,0002 (m)
-hệ số trở lực phụ thuộc vào chế độ làm việc (phụ thuộc vào chuẩn sốRe)
- vận tốc hơi thứ trong buồng hơi,vận tốc này phải nhỏ hơn vận tốc lắng (m/s)
- độ nhớt động của hơi thứ; v = 0,2.10 -6 (m 2 /s)
Tra bảng I.5 trang 11 Tài liệu [1] ta có = 0,98 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng dung dịch ở nồng độ 55Bx = 1259,76 (kg/m 3 )
Vì Re Chọn hnắp = 380 mm
Bảng 4.2: Tóm tắt kích thước thiết bị chính Đường kính trong, mm Đường kính ngoài, mm
Khoảng cách giữa 2 đáy, mm
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
Tính các đường ống dẫn cửa
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống m/s (trang 74 Tài liệu [2])
Vậy đường kính ống nhập liệu dnl = = = 0,0381 = 38 mm
Chọn ống thép tiêu chuẩn theo bảng XIII.33 trang 435 Tài liệu [2]
5.1.2 Ống và cửa tháo liệu
Lượng sản phẩm thu được 300kg
Thời gian tháo liệu 15 phút = 900 s
Chọn vận tốc dung dịch đi trong ống m/s (trang 74 Tài liệu [2])
Vậy đường kính ống tháo liệu dtl = = 0,00748 m = 7,48 mm
Lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu 990 kg
Vậy lưu lượng hơi thứ
Chọn vận tốc hơi đi trong ống vht = 25 m/s
Đường kính ống dẫn hơi thứ dht = = = 0,229 m = 229 mm
Chọn ống dẫn hơi thứ
- Đường kính trong: dht = 200 mm
Thời gian cô đặc và gia nhiệt 42 phút = 2520s
Khối lượng riêng hơi đốt ở 3 at kg/m 3
Chọn vận tốc hơi đốt vhđ = 25 m/s
Đường kính ống dẫn hơi đốt dhđ = = m = 0,1445 m = 144,5 mm
Chọn ống dẫn hơi đốt
- Đường kính trong: dhđ0 mm
Lượng nước ngưng mn = 1674 kg
Khối lượng riêng nước ngưng ở 132,9 o C: kg/m 3
Chọn vận tốc nước ngưng chảy trong ống vnn = 1,5 m/s
Đường kính ống dẫn nước ngưng dnn = = = 0,02459 mm = 25 mm
Chọn ống dẫn nước ngưng:
- Đường kính trong: dnn = 25 mm
Bảng 5.1 Tóm tắt kích thước các đường ống dẫn và cửa: Ống Đường kính trong, mm Bề dày, mm Chiều dài, mm
Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Qnt= Gp.rp, kW Với: Qnt : nhiệt ngưng tụ, kW rp = a P rb +(1- a p ).rt
Tại P= 0,2031 tra bảng IX-2a trang 135 tài liệu [2] ta cóTP`,2 C.Tại nhiệt độ này ta có: rb= 401.10 3 J/kg và rt82.10 3 J/kg rp = 0,2031 x 401.10 3 +(1-0,2031) 382.10 3 = 385,8.10 3 J/kg
Lưu lượng nước lạnh cần thiết:
Gn : lượng nước cần cung cấp, kg
W : lượng hơi thứ cần ngưng, kg i = 2608,3×10 3 J/kg: entanpi của hơi thứ ở áp suất ngưng tụ 0.2031 at, (bảng
Cn = 4178 J/kg độ : nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg độ tn1, tn2: nhiệt độ vào và ra của nước, o C Lấy tn1 = 25 o C và tn2 = 45 o C
Chọn kết cấu của bề mặt truyền nhiệt bình ngưng là chùm ống trơn bằng thép dài 2 m, đường kính ngoài dn% mm và đường kính trong dtr mm.
Tác nhân làm mát là nước lạnh, nhiệt độ nước vào 25 o C, nhiệt độ nước ra 45 o C
Nhiệt độ hơi thứ tại thiết bị ngưng tụ 59,7 o C
5.2.1 Tính hiệu nhiệt độ trung bình
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào: Δt1 = 59,7 – 25 = 34,7 o C Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra: Δt1= 59,7- 45 = 14,7 o C Hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi thứ và nước
5.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt phía nước α 2
Các thông số của nước ở 36,41 o C
- Khối lượng riêng ρnước = 933,6 kg/m3 (Bảng I.5 trang 11 Tài liệu [1])
- Độ nhớt: ànước = 0,7028ì10 -3 (Bảng I.102 trang 94 Tài liệu [1])
- Nhiệt dung riêng Cnước = 4179,2 J/kg.độ (Bảng I.
- Hệ số dẫn nhiệt λnước = 0,628 W/m.độ
Chuẩn số Prandtl của nước:
Chuẩn số Nusselt của nước được tính theo phương trình với nhiệt độ trung bình của lưu thể:
Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt Re > 10 4 (chế độ chảy xoáy)
Chọn Re= 10000 εk là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài ống và đường kính ống.
Chọn εk = 1 ( Bảng V.2 trang 15 Tài liệu 2)
Thay số liệu ta được
Hệ số cấp nhiệt phía nước α2
5.2.3 Tính tổng nhiệt trở Ở trên ta đã tìm được = 6,143×10 -4
5.2.4 Hệ số cấp nhiệt phía hơi α 1
Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
Nhiệt độ tường phía nước:
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và ống nước:
(bảng I.102 trang 95 Tài liệu [1] sau đó nội suy kết quả)
(bảng I.149 trang 168 chất Tài liệu [1] sau đó nội suy kết quả)
(bảng I.129 trang 133 Tài liệu [1] sau đó nội suy kết quả)
Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước là
Nhiệt tải riêng phía nước là:
Hệ số truyền nhiệt K = = = 819,55 W/m 2 độ
Do q1 và q2 có sai số nhỏ, nên qtb = = = 29809,47 W/m 2
Số ống ) Với dtđ = ×(dtr+dng) = ×(0,02+0,025) = 0,0225 m Theo Bảng V.11 trang 48 Tài liệu [2], ta có:
- Chọn tổng số ống n = 61 ống
- Xếp ống theo kiểu hình 6 cạnh ( kiểu bàn cờ)
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 9
- Chiều dài ống truyền nhiệt l =1,2 m, đường kính trong (dtr) là 20mm và đường kính ngoài (dng) là 25mm
5.2.6 Chia ngăn cho thiết bị ngưng tụ
Lượng nước cần để ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ là coi lượng nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường là 5%
Vận tốc của nước đi trong ống:
Vậy số lối cần chia là:
Số lối chia là m = 4 (lối) với n1 = Tính lại chuẩn số Reynolds sau khi chia lối
Thỏa mãn chế độ chảy rối
5.2.7 Tính kích thước thiết bị ngưng tụ
Đường kính thiết bị ngưng tụ được tính theo công thức:
Dt = t×(b-1)+ 4×d ( công thức V.140 trang 49 Tài liệu [2])
Với: t là bước ống lấy bằng khoảng từ (1,2 ÷ 1,5) dn t= 1,5 × 0,025 = 0,0375 (m) = 37,5 (mm) d = dng = 0,025m
Thay số ta có: Dt = 0,0375×(9 – 1) + 4×0,025 = 0,4 m = 400 mm
Độ dày vỏ ngoài thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức:
P – áp suất bên trong vỏ, bằng áp suất khí quyển: 0,1 (N/mm 2 );
Dt – đường kính trong của vỏ: Dt = 400 (mm) [σk] = 101 N/mm 2 - ứng suất kéo cho phép của thép; φ – hệ số bền mối hàn giáp mối bằng máy: φ = 0,8;
C – hệ số bổ sung: C = 2 (mm); Để đảm bảo độ bền cơ học chọn độ dày vỏ thiết bị là δv = 6 (mm)
Đáy và nắp thiết bị
Chọn nắp hình elip cho thiết bị do loại nắp này phù hợp để chia thành nhiều lối và giảm trở lực thủy lực hiệu quả hơn so với nắp phẳng Ngoài ra, nắp elip còn dễ chế tạo hơn nắp hình bán cầu, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và vận hành của thiết bị.
- Chiều cao của nắp thiết bị: hb = 0,25.D = 0,25×400 = 100 (mm).
- Chọn chiều cao nắp thiết bị là 100 (mm).
5.2.8 Tính toán các chi tiết khác
Đường kính ống dẫn nước lạnh vào và ra
Vận tốc nước đi vào trong thiết bị là v= 1,5 m/s Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước
Đường kính ống dẫn hơi thứ:
Ta lấy đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ bằng đường kính ống dẫn hơi thứ ra khỏi buồng bốc hơi Suy ra D = 200 mm
Đường kính ống thoát khí không ngưng: chọn đường kính 15 mm
Tính toán chọn tai treo
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3
Tai treo được hàn vào thiết bị, chọn số gân là 2
Khối lượng riêng của thép CT3; ρx50 kg/m3
Khối lượng riêng của thép không rỉ X18H10T :ρy00 kg/m3
Khối lượng tổng cộng: M= MTB+Mdd
5.3.1 Khối lượng thiết bị (M TB )
M1= = = 199 kg Với: Dn = 1610mm =1,610 m;Dtr = 1600mm = 1,600 m; H = 1m
M2= = = 359 kg Với: Dtr = 1500mm = 1,5m; Dn = Dtr+2.S= 1500+2.8 = 1516mm = 1,516m;
Tra bảng X111.11 trang 384 Tài liệu [2], ta có:
Khối lượng nắp (Dtr00mm, S = 12mm) là M3%2 kg
Khối lượng đáy: (Dtr = 1610 mm, S = 12mm), M4= 285kg
Khối lượng động cơ và cánh khuấy, M5kg
Khối lượng các chi tiết phụ khác, M6`kg
Tổng khối lượng nồi cô đặc là 2885 kg
Chọn 4 tai treo, tải trọng cho mỗi tai treo là: = 7075 N
Tra bảng XIII.36 trang 438 Tài liệu [2], ta có
Tải trọng cho phép trên một tai treo,
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ, q.106 N/m 2
Khối lượn g một tai treo, kg
Mối ghép bích
5.4.1 Bích nối nắp với thân thiết bị Áp suất trong thiết bị: P = 0,18 N/mm2 Đường kính trong bích: Dt = 1500mm
Chọn bích liền bằng thép để nối thiết bị
Hình 5.1 Mô tả mối ghép bích
Tra bảng XIII.27 trang 420 Tài liệu [2], bích kiểu 1, ta được các thông số
Dt D Db D1 Dn Bu lông Chiều cao db z h
Chọn đệm Amiang-Carton -Bề dày: 3mm
-Áp suất lớn nhất chịu được: 0,6 N/mm 2 -Nhiệt độ lớn nhất chịu được: 500 o C
5.4.2 Bích nối buồng đốt với thân thiết bị
Tra bảng XIII.27 trang 420 Tài liệu [2], bích kiểu 1, ta được các thông số
Dt D Db D1 Dn Bu lông Chiều cao db z h
5.4.3 Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ
Tra bảng XIII.27 trang 420 Tài liệu [2], bích kiểu 1, ta được các thông số
Dt D Db D1 Dn Bu lông Chiều cao db z h
Chọn đệm
Để làm kín các mối ghép bích, chọn vật liệu làm đệm là vật liệu mềm, dễ bị biến dạng
Chọn đệm paronit có bề dày S = 3mm
Chọn kính quan sát
Vật liệu chế tạo là thép 12MX và thủy tinh
Bố trí kính sao cho dễ dàng quan sát được mực chất lỏng Đặt 2 kính giống nhau ở 2 bên buồng bốc hơi, tạo thành góc 180º
Tính toán chọn cánh khuấy
Đối với dung dịch nước xoài đem cô đặc là dung dịch đặc, có độ nhớt cao nên ta sử dụng cánh khuấy mái chèo, tốc độ chậm.
Vật liệu của trục được chọn là thép C45, có khả năng chịu được ứng suất uốn tối đa là 600MPa và ứng suất xoắn cho phép là [τ] N/mm² Để đảm bảo độ bền của trục, đường kính sơ bộ của trục được xác định dựa trên công thức tính toán phù hợp với các giới hạn chịu lực của vật liệu Việc chọn vật liệu thép C45 và xác định đường kính hợp lý giúp nâng cao độ bền, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của bộ phận cơ khí.
Với �1- công suất động cơ (P1= 1,5 kW) n- số vòng quay (n= 80 v/ph)
- Kích thước trục 1: Đường kính trục: d = 60 mm
- Kích thước trục 2: Đường kính trục: d = 100 mm
Chọn cánh khuấy mái chèo
- Đường kính trục lắp cánh khuấy dt = 120 mm
- Tốc độ motor điện 1400 (4 cực điện- 4 poles tua chậm)
- Đường kính cốt (trục) của motor 25 mm
- Cường độ dòng điện lúc chưa có tải là 7.8-8.3 Ampe
- Hệ số bảo vệ bụi và nước IP 54,cấp chịu nhiệt F, chế độ làm mát toàn phần
- Nguyên liệu: tôn silic xanh cán nguội, dây đồng cách điện (dây ê may)
- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế dọc trục 140 mm
- Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ chân đế ngang trục 160 mm
- Tổng chiều dài thân mô tơ 425 mm
- Tổng chiều cao thân mô tơ 250 mm
Tính chọn bơm chân không
Trong hệ thống, Ta chọn bơm pít-tông tác dụng đơn (một chu kỳ hút đẩy) để tối ưu hiệu quả vận hành Theo tài liệu tại trang 5, phần 1.1, năng lượng cần thiết để dịch chuyển lượng khí ra khỏi thiết bị được xác định dựa trên công thức rõ ràng, giúp lựa chọn đúng loại bơm phù hợp với yêu cầu khí nén của hệ thống Việc tính toán chính xác lượng khí và năng lượng tiêu thụ là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng, và tối ưu hóa hiệu quả vận hành của hệ thống khí nén.
- P1 = 20000 [N.m -2 ], P2 = 100000 [N.m -2 ] – Áp suất không khí tại đầu vào và ra của bơm
- [kg.m -3 ] – khối lượng riêng không khí.
- H1 = H2 = 13.6 [m] - chiều cao tại đầu vào và ra của bơm so với điểm hút
- C1 = 0 [m.s -1 ], C2 = 10 [m.s -1 ] – Vận tốc khí đầu vào và ra của bơm.
Thay số vào công thức ta có:
Lượng khí cần hút ra Wkh = 8 [m 3 h -1 ] = 2,3.10 -3 [m 3 s -1 ] Suy ra công suất theo lý thuyết của bơm là:
Công suất thực tế cần
Với là hệ số hiệu dụng tổng.
Hệ số hiệu dụng tổng:
Trong đó: - hệ số hiệu dụng thể tích, chọn
- hệ số hiệu dụng áp suất, chọn
- hệ số hiệu dụng cơ học, chọn
Thay số vào ta có:
Công suất thực tế cần:
(W)Vậy ta chọn bơm chân không pít-tông tác dụng đơn, công suất 0,3 (kW)