Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước nho hoạt động liên tục một nồi

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước nho hoạt động liên tục một nồi (buồng đốt trong, thiết bị tuần hoàn giữa) với năng suất 1100 kgh. Số liệu ban đầu: Nồng độ đầu: 16% Nồng độ cuối: 48% Yêu cầu tính toán: Kích thước thiết bị chính (nồi cô đặc): buồng bốc, buồng đốt, đáy, nắp. Thiết bị phụ: thiết bị ngưng tụ Baromet.

DANH SÁCH BẢNG iv

QUY ƯỚC KÝ HIỆU iv

ĐẶT VẤN ĐỀ vi

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ vii

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHO 1

1.1.1 Giới thiệu về nho 1

1.1.2 Thành phần hóa học 1

1.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 2

1.2.1 Định nghĩa cô đặc 2

1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc 3

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc và ứng dụng 3

1.2.4 Các loại thiết bị cô đặc chính 4

Chương 2: QUY TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NHO 6

2.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ DẶC 6

2.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM 6

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8

3.1 CÁC THÔNG SỐ VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU 8

3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8

3.2.1 Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc 8

3.2.2 Tổn thất nhiệt độ trong hệ 8

3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 11

3.3.1 Nhiệt dung riêng 11

3.3.2 Nhiệt lượng riêng 11

3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 12

3.5 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 13

3.5.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) 13

3.5.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2): 14

3.5.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv) 15

3.5.4 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 16

3.5.5 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 16

3.5.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 16

Chương 4: THIẾT BỊ CHÍNH 17

4.1 BUỒNG ĐỐT 17

4.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 17

4.2 BUỒNG BỐC 18

4.2.1 Đường kính buồng bốc 18

4.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi 18

4.2.3 Tính kích thước các ống dẫn 19

CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ PHỤ 22

5.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU 22

5.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 22

5.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị 22

5.2 KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 23

5.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 23

5.2.2 Kích thước tấm ngăn 24

5.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 25

5.2.4 Tính kích thước ống baromet 27

5.3 CHỌN BƠM 28

5.3.1 Bơm chân không 28

Chương 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 30

6.1 BỀ DÀY BUỒNG ĐỐT 30

6.2 BỀ DÀY BUỒNG BỐC 31

6.3 BỀ DÀY ĐÁY BUỒNG ĐỐT: 32

6.4 BỀ DÀY ĐÁY NÓN BUỒNG ĐỐT: 33

6.5 BỀ DÀY NẮP BUỒNG BỐC: 34

6.6 TÍNH BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT CỦA THÂN THIẾT BỊ 34

6.7 CHỌN MẶT BÍCH 35

6.7.1 Mặt bích để nối với đáy, nắp của buồng đốt và buồng bốc 35

6.7.2 Mặt bích để nối các ống dẫn 35

6.8 TÍNH VĨ ỐNG 36

6.9 TAI TREO 37

6.9.1 Khối lượng bích 37

6.9.2 Khối lượng ống truyền nhiệt 38

6.9.3 Khối lượng ống tuần hoàn trung tâm 38

6.9.4 Khối lượng vỉ ống 38

6.8.5 Khối lượng buồng bốc 38

6.9.6 Khối lượng buồng đốt 38

6.9.7 Khối lượng nắp buồng bốc 38

6.9.8 Khối lượng đáy buồng đốt 39

6.11 CỬA NGƯỜI 40 KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nho 2

Bảng 3.1 Nhiệt độ của hệ thống cô đặc 10

Bảng 3.2 Bảng nhiệt dung riêng 12

Bảng 5.1 Kích thước các thành phần của thiết bị ngưng tụ 26

Bảng 6.1 Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc 35

Bảng 6.2 Kích thước bích nối các ống dẫn 36

Bảng 6.3 Khối lượng bích 38

Bảng 6.4 Số liệu kích thước tai treo 40

Bảng 6.5 Kích thước kính quan sát 40

Bảng 6.6 Kích thước cửa người 41

Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:

- x, STQTTB T1, y: Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1 Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

- x, STQTTB T2, y: Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2 Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

- x, sổ tay thiết kế, Phạm Văn Thơm, y: Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng Trường đại học Cần Thơ

- x, QTTB tập 3, y: Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3 – Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt Nhà xuất bản khoa học

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, ngành công nghiệp nước ta đang phải đối mặt với nhiều thử thách Để trở thành một kỹ sư, đặc biệt là

kỹ sư công nghệ thực phẩm, chúng em nhận thức được rằng việc tính toán, thiết kế máy móc, thiết bị là một việc quan trọng và cần thiết

Kỹ thuật cô đặc đã ra đời từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ hóa chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, là một trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất đặc tính vốn có của chúng, bảo quản lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế gần như ban đầu

Theo sự phân công của giáo viên hướng dẫn nên nhóm nhận nhiệm vụ của đồ

án với đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước nho hoạt động liên tục một nồi (buồng đốt trong, thiết bị tuần hoàn giữa) với năng suất 1100kg/h

Vì đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên nhóm đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy, cô giáo để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước nho hoạt động liên tục một nồi

(buồng đốt trong, thiết bị tuần hoàn giữa) với năng suất 1100 kg/h

Số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu: 16%

- Nồng độ cuối: 48%

Yêu cầu tính toán:

- Kích thước thiết bị chính (nồi cô đặc): buồng bốc, buồng đốt, đáy, nắp

- Thiết bị phụ: thiết bị ngưng tụ Baromet

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHO

1.1.1 Giới thiệu về nho

Nho là một loại quả mọc trên các cây dạng dây leo thân gỗ hoặc để chỉ

chính các loài cây này Các loài cây này thuộc về họ Vitaceae Quả nho mọc thành chùm từ 6 đến 300 quả, chúng có màu đen, lam, vàng, lục, đỏ-tía hay trắng Khi chín, quả nho có thể ăn tươi hoặc được sấy khô để làm nho khô, cũng như được dùng để sản xuất các loại rượu vang, thạch nho, nước quả, dầu hạt nho vì nó có hương vị đậm đà, vị ngọt, mạnh của cồn cân đối với độ chua, chát của acid, tannin, lại thêm các vị phong phú của glyxerin, axit amin…

Nho là loại trái cây giàu chất đường dễ chuyển hóa trong cơ thể, tạo thành nhiều loại vitamin Hợp chất đường có trong quả nho chủ yếu là đường glucose, cơ thể hấp thụ trực tiếp được, sau đó là đường fructose và saccharose… Do đó, thường xuyên ăn nho sẽ có tác dụng bổ ích rất lớn đối với những người thần kinh suy nhược, người mệt mỏi yếu sức cũng như những người già yếu Trong quả nho, lượng lớn acid tartaric có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa rất tốt, hợp chất đường và chất sắt trong quả nho khô rất cao, có tác dụng tốt đối với trẻ em và phụ nữ, cũng như những người cơ thể suy nhược, thiếu máu

1.1.2 Thành phần hóa học

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nho

Thành phần hóa

học cuống nho

(%)

Thành phần hóa học của hạt nho (%)

Thành phần hóa học của dịch quả nho (%)

Thành phần hóa học của vỏ nho (%)

Nước: 75 - 80 Nước: 25 - 45 Nước: 70 - 78 Nước: 25 - 45 Cellulose: 7 - 10 Glucid: 34 - 36 Đường: 20 - 25 Cellulose: 18 - 20

Tannin: 1 - 3 Lipid: 10 - 20 Acid hữu cơ:

0,2 -0,5 Khoáng: 1,5 - 2% Khoáng: 1,5 - 2 Tannin: 4 - 8 Khoáng Acid hữu cơ: 1 Acid hữu cơ:

Nhựa: 1,2 Acid dễ bay hơi

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong thiết bi ̣ cô đă ̣c mô ̣t nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoa ̣n hay liên tu ̣c

Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước (gọi là hơi thứ), có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc

(Phạm Xuân Toản, 2003)

1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

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

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc và ứng dụng

 Theo cấu tạo

- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung

dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ

1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt nhằm tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, màng này tiếp xúc với bề mặt

truyền nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ bốc hơi một cách nhanh chóng Thiết bị này thích hợp cho các thực phẩm chứa thành phần mẫn cảm như sữa,

nước trái cây và hoa quả ép

 Theo phương pháp thực hiện

- Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định nhằm đạt được năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng

độ dung dịch đạt được là không cao

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô

áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp và đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

 Theo áp suất làm việc

Hệ thống cô đặc ở áp suất thường cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt

độ cao Dùng hệ thống cô đặc ở áp suất chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ của dung

dịch để giữ chất lượng của sản phẩm và các thành phần mẫn cảm với nhiệt độ (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…)

(Phạm Văn Bôn và cộng sự Trường đại học bách khoa TP HCM.)

1.2.4 Các loại thiết bị cô đặc chính

1.2.4.1 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

Đây là loại thiết bị có phần dưới là phòng đốt, trong đó có ống truyền nhiệt

và ống tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn Vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi - lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Ưu điểm của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm là cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch Nhược điểm là vận tốc tuần hoàn nhỏ (không quá 1,5m/s) và

bị giảm do ống tuần hoàn cũng bị đun nóng Ứng dụng của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm là dùng để cô đặc dung dịch nhớt và dung dịch tạo thành váng, cặn

1.2.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

Là loại thiết bị có phòng đốt đặt giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò là ống tuần hoàn Ưu điểm của thiết bị cô đặc phòng đốt treo là phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chửa, làm sạch và vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng Nhược điểm của thiết bị này là cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn Thiết bị cô đặc phòng đốt treo dùng để cô đặc dung dịch kết tinh

1.2.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài

 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

Dung dịch đi vào buồng đốt ở bên ngoài đặt đứng, dung dịch được bốc hơi ở buồng bốc, hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt

Ưu điểm của thiết bị này là cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn và có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửa chữa, làm sạch

mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục Nhược điểm của thiết bị này là buồng đốt đứng nên thiết bị cao và việc xử lý điều khiển khó khăn

 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang

Loại này có phòng đốt là thiết bị hình chữ U Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái sang phải còn ở nhánh trên thì từ phải qua trái

Ưu điểm của thiết bị này là buồng đốt được gắn vào một chiếc xe nhỏ dễ dàng tách

ra sửa chữa, làm sạch và cường độ tuần hoàn lớn

1.2.4.4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

Dung dịch đi vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn rồi đi ra phía dưới của phòng bốc, còn phần chính thì về lại trộn với dung dịch đầu Ưu điểm của thiết bị

cô đặc tuần hoàn cưỡng bức là hệ số cấp nhiệt (α) lớn, làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5oC), giảm được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt cao Nhược điểm của thiết bị này

là tốn nhiều năng lượng cho bơm Thiết bị này dùng để cô đặc những dung dịch có

độ nhớt lớn, cường độ bay hơi lớn

1.2.4.5 Thiết bị cô đặc loại màng

Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi ngoài ống Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên kéo theo màng chất lỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đến miệng là đạt được nồng độ cần thiết Ưu điểm của thiết bị cô đặc loại màng là áp suất thuỷ tĩnh nhỏ nên tổn thất thuỷ tĩnh bé Nhược điểm là khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi và không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

1.2.4.6 Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng

Thiết bị này gồm phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi Trên phòng sôi là những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng sôi hỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi Hơi thứ đi lên ra ngoài, dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy Phòng đốt có tác dụng nung nóng dung dịch không có tác dụng sôi Dung dịch chỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn Ưu điểm của thiết bị này là vận tốc tuần hoàn lớn (đến 3m/s) và thiết bị ít bám cặn Nhược điểm là cấu tạo thiết bị phức tạp Ứng dụng của thiết bị này là sử dụng cô đặc dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn

1.2.4.7 Thiết bị cô đặc loại rôto

Thiết bị có rôto quay, có bao hơi, các cánh lắp vào trục thẳng đứng Dung dịch đầu đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chất lỏng văng ra thành thiết bị và chuyển động xoáy Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được nung nóng bởi bao hơi Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài còn sản phẩm được tháo ra qua đáy thiết bị Ưu điểm của thiết bị này là cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ và có thể cô đặc dung dịch dạng keo, đặc sệt Nhược điểm là cấu tạo, gia công phức tạp, giá thành cao (Phạm Xuân Toản, 2003)

Chương 2: QUY TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NHO

2.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ DẶC

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế để định lượng rồi chảy xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi

Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút

ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt (hơi nước bão hòa) sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống

2.2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM

Do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do

đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch sẽ có ds = 0,5 dd do đó sẽ tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có hiệu quả dung dịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Hơi đốt theo ống dẫn hơi đưa vào buồng đốt ở áp suất 2,025 at Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng

Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn thiết bị ngưng tụ Baromet, toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra

Dung dịch nho được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm

Sơ đồ quy trình công nghệ

Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 CÁC THÔNG SỐ VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Dung dịch cô đặc: nước nho

- Nồng độ đầu (xđ): 16%

- Nồng độ cuối (xc): 48%

- Áp suất hơi đốt (tự chọn): 2,025 at  nhiệt độ của hơi đốt: 1200C (Tra bảng I.251, STQTTB T1, 314)

- Áp suất thiết bị ngưng tụ (tự chọn): 0,1258 at  nhiệt độ hơi thứ trong thiết

bị ngưng tụ: 500C ( Tra bảng I.250, STQTTB T1, 314)

xđ , xc: nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phân khối lượng

Lượng hơi thứ bốc ra:

W = Gc(xc

xđ-1) = 1100.(0,48

0,16-1) = 2200 (kg/h) Lưu lượng ban đầu của dung dịch:

Với tht: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pht (áp suất hơi thứ) của hơi thứ (0C)

tnt: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pnt trong thiết bị ngưng tụ (0C)

 tht = tnt + ’’’ = 50 +1 = 510C

Áp suất buồng bốc ( bảng I.250, STQTTB T1, 312): ở nhiệt độ hơi thứ 510C

là 0,1327 at

Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống

3.2.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

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

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)

 f = 16,22377,65*1000(273+51 )2 = 0,72

’ = ′0 𝑓 = 2,1 0,72 = 1,50C

3.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chát lỏng cần cô đặc:

P0 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)

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

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m)

dds

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

9 , 610

.9,81 = 0,2174 at

 ttb = 61,260C (Bảng I.251, STQTTB T1, 314)

Ta có: ∆ ’’ = ttb - t0

Trong đó:

ttb: Nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất Ptb, độ

t0: Nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P0, độ

3.2.2.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống

Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống:

3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

3.3.1 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau:

Cdd = 4186.(1-x) (J/kg.độ) (I.43, STQTTB T1, 152)

Với:

x: nồng độ chất tan, phần khối lượng (%)

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186*(1- 0,16) = 3516,24 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức sau:

Cc = Cht xc + 4186 (1-xc) (J/kg.độ) (I.44, STQTTB T1, 152)

Với: Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nước (J/kg.độ)

Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152)

M.Cht = nici

M: khối lượng mol của đường

Cht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)

ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất

ci nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng (J/kg nguyên tử.độ)

= 1452*0,48+4186*(1-0,48) = 2873,68 (J/kg.độ)

3.3.2 Nhiệt lượng riêng

Gọi I là nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

Tra bảng (I.250, STQTTB T1, 312)

Bảng 3.2 Bảng nhiệt dung riêng

D(1 - φ)( i’’D - cθ) + GđCđtđ = GcCctc + W i’’W + Qtt

Thay Qtt = εQD = 0,05QD

QD= D(1 - ε)(1 - φ)( i’’D - cθ) = Gđ(Cctc - Cđtđ) + W(i’’W - Cctc)

 D =

D

c c w đ

đ c c đ

r

t C i W t C t C

G

)1)(

1(

)(

*)05,01(

*)05,01(

)26,62

*68,287310

*9,2653(2200)

5,52

*330026

,62

*68,2873(

*1100

= 1,24 (kg hơi đốt/kg hơi thứ )

Trong đó:

D : lượng hơi đốt dùng cô đặc

W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc

3.5 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

+ Nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ

số cấp nhiệt 1 và nhiệt tải riêng q1+ Dẫn nhiệt qua thành ống

+ Nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt  và 2nhiệt tải riêng q2

Ta có:

t1 = thd - tT1

t2 =tT2 - tc

t = tT1 - tT2

3.5.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)

Hệ số cấp nhiệt 1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số 1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, STQTTB T2, 28)

1 1 1

25 , 0 1

*

*

* 04 ,

t H

H: chiều cao ống truyền nhiệt

A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (thd + tT1)/2

A tra STQTTB T2, 29

với thd, tT1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2 độ

*2

10

*075,

)0,25 = 8305,47 (W/m2 độ)

q1= 1 t1 = 8305,47 *4,9 = 40696,78 (W/m2)

3.5.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2):

Theo công thức VI.27, STQTTBT2, 71:

0,435 2

n: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch

n = 45,3*p0,5*t2,33(Sổ tay thiết kế Thiết kế, Phạm Văn Thơm, 234)

Độ dẫn nhiệt của dung dịch:

dd = 4,79*10-3 N.s/m2 (tra bảng I.112, STQTTBT1, 114, vì không có tài liệu nào thể hiện độ nhớt của glucose, nên lấy độ nhớt của đường mía ở cùng nồng độ)

Chọn nhiệt độ tính toán  theo t2 C = 62,260C

Tra bảng (I.249, STQTTBT1, 310) ta được:

Cdd = CC = 2873,68 J/kg.độ (nhiệt dung riêng của dung dịch)

Cn = 4183 J/kg.độ (nhiệt dung riêng của nước)

n = 0,45*10-3 N.s/m2 (độ nhớt nước)

 dd = 1139,3 kg/m3 (khối lượng riêng dung dịch)

n= 981,98 kg/m3 (khối lượng riêng nước)

n = 66,08*10-2 W/ m.độ (độ dẫn nhiệt của nước)

3.5.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv)

Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định

t2 = tT2 - tc mà tT2 = tT1 - q1r

Với r = r1 + r2 + r3

Chọn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nước sạch, theo (V.I, STQTTBT2, 4)

r1 = 0,464*10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ.W)

Dung dịch cần cô đặc: nho (V.I, STQTTBT2, 4)

3

3 2

565 , 0 2

10

* 79 , 4

10

* 45 , 0

* 4183

68 , 2873

* 98 , 981

8 , 1221

* 10

* 08 , 66

24 , 0

38 , 39354 78

3.5.4 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

1 10

* 91 , 8 8305,47 1

* 7 ,

10

* 68 , 1

Trong đó:

F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2)

Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (W)

K: hệ số truyền nhiệt tổng quát (W/m2.độ)

thi: hiệu số nhiệt độ hữu ích của thiết bị (0C)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt là h = 2 (m)

2

* 034 , 0

F

t

(ống) Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11, STQTTBT2, 48

Chọn n = 271 ống

Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh

Số hình 6 cạnh là: 9

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b = 19 ống

4.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn Fth (CT III.25, Sổ tay thiết kế, Phạm

F D

2 2

2

m n

4.1.3 Đường kính buồng đốt

Dt = t.(b-1) + 4.dn (V.141, STQTTB T2, 49)

Trong đó: t là bước ống, thường chọn t = (1,21,5).dn

Chọn t =1,5.dn =1,5.0,038 = 0,057 (m)

325 , 0

Chọn Dt = 1,8 m (Theo Bảng XIII.6, STQTTB T2, 359)

4.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi

Thể tích không gian hơi được xác định

tt h

kgh

u

W V

.





Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)

Hơi thứ là hơi dung môi nguyên chất h: là khối lượng riêng của hơi thứ

là 0,083 (kg/m3) ở áp suất 0,1258 at (STQTTB T1, 315)

utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong một đơn vị thời gian (m3/m3.h)