Thiết kế hệ thống cô đặc đường 10 tấn giờ

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNGI. Giới thiệu chungNgành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, acid lactic…Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời.Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường.

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG

I Giới thiệu chung

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy

mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn

lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, acid lactic…Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời

Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra

là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như ở Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, Bến Tre … nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ

kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất

Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong

hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường

II Nguyên liệu và sản phẩm

1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hoà tan : gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6 -10% khối lượng

2 Đặc điểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hoà tan : có nồng độ cao

3 Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng

b Biến đổi tính chất hoá học :

Thay đổi pH môi trường : thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd : asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid

Đóng cặn dơ : do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hoà tan

ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa

Phân hủy chất cô đặc

Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid

Phân hủy một số vitamin

c Biến đổi sinh học :

Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao

4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa

Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:

- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu

- Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi

III Cô đặc và quá trình cô đặc

1 Định nghĩa cô đặc

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ của một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lõng rắn hay dung dịch lõng lõng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình đó mà ta có thể tách một phần dung môi bằng phương pháp nhiệt độ hay phương pháp làm lạnh kết tinh

2 Các phương pháp cô đặc

a 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 bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp Đó là phương pháp cô đặc chân không

3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử :

- Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

- Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

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

IV Phân loại và đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc

1 Phân loại và ứng dụng

a Theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường

hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép… Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

b Theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) : có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định

để đạt 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 năng lượng( tiết kiệm hơi đốt) Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi

Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt

có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

2 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều liên tục

- Trong thực tế sản xuất khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng độ khá đặc thì người ta hay dùng các hệ cô đặc nhiều nồi công nghiệp thông dụng: hệ xuôi chiều và ngược chiều

- Hệ xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vì nhiệt độ cao như dung dịch nước đường hay dung dịch nước trái cây, thực phẩm Vì trong hệ xuôi chiều các nồi đầu có áp suất và nhiệt

độ cao hơn các nồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất

- Hệ ngược chiều thích hợp cô đặc các dung dịch vô cơ không bị biến tính vì nhiệt độ cao

- Dùng hệ thống cô đặc chân không nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin, …) nhờ nhiệt độ thấp

và không tiếp xúc Oxy

3 Các thiết bị và chi tiết

a Thiết bị chính:

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

- Ống : hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…

b.Thiết bị phụ:

- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ Baromet

- Các loại van

- Thiết bị đo…

4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ

- Đơn giản, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Phân bố hơi đều

- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.

- Tổn thất năng lượng( do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất)

- Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng

V Quy trình công nghệ

1 Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc

Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt

Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng

độ dung dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm lại về sau Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu

Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy

2 Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet

Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Nó rất thông dụng trong ngành hoá chất và thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không( như dung dịch đường, muối, glycêrin, bột ngọt, nước mắm, xút…)

Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng

tụ Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia Hơi trao đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài

3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:

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

hơi Dung dịch sau khi cô đặc ở nồi I được dẫn ra ở phía dưới để đi vào nồi

cô đặc thứ II Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của nồi I được dẫn vào buồng đốt của nồi thứ II Quá trình cô đặc lại tiếp tục được diễn ra lần thứ hai Dung dịch sau khi được cô đặc trong nồi thứ hai đã đạt được nồng độ theo yêu cầu được bơm tháo liệu bơm ra ngoài và dẫn vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng sinh ra trong nồi hai này sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ baromet, một phần ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí 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 nhiều ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch trong đó sẽ nhỏ hơn so với dung dịch trong các ống truyền nhiệt Vì vậy dung dịch trong đó sôi ít hơn(có nhiệt độ thấp hơn) so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi đó dung dịch sẽ khối lượng riêng lớn hơn và sẽ tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn của dung dịch trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có hiệu quả dung dịch chỉ nên cho dung dịch 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 giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3.5 at Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng

PHẦN II:TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT , THIẾT BỊ CHÍNH

VÀ THIẾT BỊ PHỤ CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

Dữ kiện ban đầu

- Dung dịch nước mía

- Nồng độ đầu của dung dịch: xđ = 13 %,

- Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 58%

- Năng suất tính theo dung dịch đầu:Gd: = 10000 (kg/h)

- Áp suất hơi đốt nồi 1: P1 = 3.5 at

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet : Pnt = 0.5 at

1.Tính toán công nghệ:

1.1.Tính cân bằng vật liệu:

1.1.1.Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W)

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống

Gd = Gc + WTrong đó:

Gd, Gc: lưu lượng đi vào , đi ra khỏi thiết bị (kg/h)W:lượng hơi thứ đi ra khỏi thiết bị (kg/h)

Viết cho cấu tử phân bố

Gdxd =Gcxc+Wxw Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có:

Gdxd=GcxcVậy lượng hơi bốc ra của toàn bộ hệ thống được xác định

) 1 (

c

d d

x

x G

W∑ = − (kg/h) Thay số vào ta có:

13 (1 ) 10000.(1 ) 7758.621

58

d d c

x

W G

x

1.1.2.Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

3 1 1 1

2

W W

Ta chọn 1 1

2

1 =

W W

Khi đó ta có hệ phương trình:

1 1

2

1 =

W W

1 2 =7758.621

W W+Giải hệ trên có kết quả :

W1 =4064.04 (kg/h)W2 = 3694.581(kg/h)

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:

2.1.1.2.Cân bằng năng lượng

2.1.1.2.1.Xác định áp suất của mỗi nồi:

Gọi P1, P2 ,Pnt: là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ

∆ :hiệu số áp suất của toàn hệ thống

Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa

Ta có:

Suy ra : ∆P1 = 1.85 (at)

∆P2 = 1.15 (at)

2.1.1.2.2.Xác định nhiệt độ trong các nồi:

Gọi

thd1 , thd2 , tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2

Giá sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây ra khi chuyển

từ nồi 1 sang nồi 2 là 1độ

Tra bảng I.250, STQTTB, T1/Trang 312

I.251.STQTTB, T1/Trang 314

Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất của các dòng hơi

Áp suất

(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ (0C)Hơi đốt P1= 3.50 T1=137.9 P1=1.65 T2=113.6 Png=0.5 tng=80.9Hơi thứ P’1=1.7 t’1 =114.6 P’2=0.52 t’2 =81.9

2.1.1.2.3 Xác định tổn thất nhiệ độ:

2.1.1.2.3.1 Tổn thất do nồng độ gây ra (∆ ')

Ở cùng một áp suất , nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nông độ gây ra

Ở đây :

∆’o : Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường (áp suất khí quyển)

=t’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i

ri : ẩn nhiệt hoá hơi của hơi ở nhiệt độ t’i

Từ các dữ kiện trên ta lập được bảng sau:

ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m 3)

ρs =0.5 ρdd

ρdd : Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m 3)

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)

Hop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].Ho

Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công thức:

Ptbi= P’i + ∆Pi( i ): nồi thứ i

Tra sổ tay ta có được bảng sau:

= 0.65 (m)

Áp suất trung bình:

Ptb1= P’1+ ∆P1=1.703 + 0,5*0,5*1091.38*9.81*0.69*10-5 = 1.72 (at) Tra sổ tay tại Ptb1 = 1.72 (at) ta có t”1=114.86 0C

Suy ra : ∆”1 = t”1 – t’1 = 114.86– 114.6 = 0.26 0C

Nồi 2:

Hop2 = [0.26 + 0.0014(ρdd - ρdm)].Ho = [0.26 + 0.0014.(1277.03 - 970.62)]*1.5

=1.033 (m)

Áp suất trung bình:

Ptb2= P’2 + ∆P2=0,52 + 0,5*0,5*1277.03*9.81*1.033*10-5 = 0,55 atTra sổ tay tại Ptb2 = 0.55 (at) ta có t”2= 83.2 0C

2.1.1.2.3.5.Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:

*Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:

Nồi I: ∆ti1 = T1 – (T2 + Σ∆1) =137.9 – (113.6 + 0.548 + 0.26 + 1) = 22.492 0C

Nồi II: ∆ti2 = T2 – (tnt + Σ∆2) =113.6– (80.9 + 2.478 + 1.3 + 1) = 27.92 0C

*Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:

Nồi I: ∆t1 = T1 – tS1 suy ra tS1 = T1 + ∆t1 = 137.9 – 22.492 = 115.408 0CNồi II: ∆t2 = T2 – tS2 suy ra tS2 = T2 - ∆t2 = 113.6 – 27.92 = 85.68 0C

2.1.1.2.4 Cân bằng nhiệt lượng

2.1.1.2.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

C = 4190 - ( 2514 - 7,542.t ).x (J/Kg.độ)

Trong đó:

t: nhiệt độ của dung dịch

x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng

Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td = 115.408 oC, x = 13%)

Cd = 4190 - ( 2514 - 7,542*115.408 ).0,13 = 3976.33 (J/Kg.độ)

Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1 =115.08 oC, x = 21.90%)C1 = 4190 - ( 2514 - 7,542*115.408 ).0,219 = 3830.053 (J/Kg.độ)Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (t = 85.86 oC, x = 58%)

D: lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h)

i, i1, i2: hàm nhiệt của hơi đốt , hơi thứ nồi 1 và nồi 2 (j/kg)

td, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch ( 0C)

Cd, C1, C2:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch ( j/kg.độ)

θ1, θ2:nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1 và nồi 2 ( 0C)

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (j/kg.độ).Qxq1,Qxq: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh ( J)

Gd : lượng dung dịch lúc ban đầu (kg/h ) Chọn hơi đốt , hơi thứ là hơi bão hoà, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ, khi đó ta có:

i - Cng1 θ1 = r(θ1) và i1 - Cng2 θ2 = r(θ2)

Tra sổ tay ta có bảngI.249ST1 trang 312 các thông số sau đây:

Dung dịch đường Dung dịch đường Dung dịch đường

=

− +

−

− +

=

1 1 2 1 ng1 1

1 1 2

2 2

1

)

C - (i 95 0

.

).

(

t C i

t C G t C W G i W

Lượng hơi thứ nồi I là : W1 = 3966.91 kg/hLượng hơi thứ nồi II là : W2 = 3791.711 kg/h

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:

D’ = . +(0.95−( −). . .−) . . =

1 1 1

1 1 1 1

1

θ

ng

d d d d

C i

t C G t C W G i W

θ 1 , θ 2:là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tưng ứng

40 60

Ứng với nhiệt độ của nước là:

0 1

0 2

8.9 24.74

C C

θ θ

60 40

1.26 24.74 8.9

−Nồi 1 có ts=115.4080C 115.408 60 0

8.9 52.74( ) 1.26

75 70

0 2

1,707

0, 41

C C

θ θ

 =



 =

 ( Tra bảng I.102; ST QTTB T1/T94)

75 70

3,86 1,707 0, 41

−Nồi 3 có ts= 72,390C 72,392 70 0

0, 41 1,03( ) 3,86

M

AC p

dd

ρρ

A: là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nướcCp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg độ)

:khối lượng riêng (kg/m3)

M:khối lượng mol của chất lỏng

Chọn A=3,58.10-8

Mà

1, 1

2156300 2.04 193.109 11876.811( / )

Tra bảng I.250, STQTTB, T1/313

2 2224640( / )

r = J kg

2 0 4

1, 2

22246400 2.04 180.70 1093.658(v / )

nhiệt trở của tường

δ :bề dày ống truyền nhiệt(=2mm)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt

2.33 5 0.5 , 1 0.145 (7.132) (1.671 10 ) 5765.522

n n

Tra bảng I.249,STQTTB, T1/314

0 1

1

2 0 1

3 1

Vậy tải nhiệt trung bình:

2 1

22665.651 22721.487

22693.569 / 2

3 2

2

3 2

0 2

3 2

2

3 2

4235.168 / 0.329 10

19332.204 18897.112

19114.658( / ) 2

2.1.1.3.4.Tính hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi:

Xem bề mạt truyền nhiệt trong các nồi như nhau nên nhiệt độ hữu ích phân bố trong các nồi là

2 1

( )

i i

i

Q K

Q K

=

=

∑Trong đó:

Vậy:

0 1

0 2

2774.047

5676.49 2917.093

Tính bề mặt truyền nhiệt:

2 ,

2624454.293

126.6( ) 946.047 21.9

t

F n

d hπ

∗ ∗Chọn n=721 ống

Chọn cách xếp ống theo hình sáu cạnh

Số hình sáu cạnh là 14

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b=29 ống

2.1.2.1.2.Đường kính thiết bị buồng đốt:

2.1.2.2.2.Chiều cao buồng bốc hơi:

Thể tích không gian hơi được xác đinh

3

( )

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

u :cường độ bốc hơi cho phép ở P=1at

Thường thi utt=1600-1700(m3/m3.h)

4 2.96

0.943( ) 3.14 2

3 3

3 1

4 8.48

2.7( ) 3.14 2

Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nôi là 3.2m

2.1.2.3.Đường kính các ống dẫn:

Phương trình lưu lượng :

2 3

( / ) 4

s

d

V =π ∗ ω m s (CT V.41, STQTTB, T2/74)

( ) 0.785

∗Chọn d=150(mm), (theo bảng XIII.26,STQTTB,T2/409)

∗Chọn d=200(mm) ,(theo bảng XIII.26,STQTTB,T2/409)

Tóm lại chọn đồng loại đường kính ống dẫn hơi đốt cả 2 nồi là d=250(mm) với đường kính ngoài dn=273(mm)

∗Chọn d=500(mm), với dn=529(mm)

4

4.176 9.17 10

0.069( ) 0.785

Nồi 2:

Lưu lượng khối lượng là W=W1=3966.91(kg/h)=1.102(kg/s)

Ta có: