Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc đường mía 3 nồi xuôi chiều có buồng đốt treo

MỞ ĐẦU Đường mía là một loại gia vị không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày của con người. Nhưng để sản xuất loại đường này thì cần phải trải qua nhiều công đoạn.Và cô đặc là một quá trình không thể thiếu trong quy trình sản xuất loại đường này. Bản chất cô đặc là quá trình bốc hơi nước với mục đích làm tăng nồng độ chất khô nhằm tạo điều khiện cho các quá trình tiếp theo được thuận lợi.Chính vì sự quan trọng của cô đặc nên thông qua đồ án “ Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc đường mía 3 nồi xuôi chiều có buồng đốt treo” em có thể tìm hiểu thêm về cô đặc nhiều nồi.

MỞ ĐẦU

Đường mía là một loại gia vị không thể thiếu trong cuộc sống hằngngày của con người Nhưng để sản xuất loại đường này thì cần phải trải quanhiều công đoạn.Và cô đặc là một quá trình không thể thiếu trong quy trìnhsản xuất loại đường này Bản chất cô đặc là quá trình bốc hơi nước với mụcđích làm tăng nồng độ chất khô nhằm tạo điều khiện cho các quá trình tiếptheo được thuận lợi

Chính vì sự quan trọng của cô đặc nên thông qua đồ án “ Thiết kế hệthống thiết bị cô đặc đường mía 3 nồi xuôi chiều có buồng đốt treo” em cóthể tìm hiểu thêm về cô đặc nhiều nồi

Và qua đây em cũng xin cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng đẫn

để em có thể hoàn thành được đồ án này

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ 3 nồi xuôichiều, loại buồng đốt treo

 Năng suất nhập liệu: 16000 Kg/h

 Nồng độ đầu: 14% khối lượng

 Nồng độ: 61% khối lượng

 Áp suất hơi đốt: 2.9 at

 Áp suất ngưng tụ: 0,3 at

1.2 Nguyên liệu và sản phẩm

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc đường saccharoza là nước mía đãđược làm sạch, loại bỏ các tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi Sau công đoạn làmsạch nước mía có pH khoảng 6,5- 6,8

Thành phần chính của nước mía là đường saccharoza, một phần nhỏ làcác đường đơn (glucoza, fructoza ) và một số các chất vô cơ, hữu cơ khác(axit amin, HNO3, NH3, protein…)

Do có hàm lượng đường cao, nước mía là môi trường thuận lợi cho visinh vật phát triển nên trong quy trình sản xuất đường, nước mía phải đượcchứa đựng trong, vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục

Đường saccharoza không bền về nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axít, nó dễ

bị biến đổi thành các đường đơn, các hợp chất có màu làm giảm hiệu suất thuhồi đường và giảm giá thành sản phẩm Vì vậy trong quá trình sản xuất,người ta luôn tìm cách giảm nhiệt độ vẫn bảo và giảm thời gian dung dịchtiếp xúc với nhiệt độ cao

1.2.2 Đặc đểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Ccas chất hòa tan: có nồng độ cao.

1.2.3 Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm

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

 Biển đổi tính chất hóa học

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

Đóng cặn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng

độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa

Phân hủy một số vitamin

 Biển 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

1.2.4 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 đượcgiữ nguyên

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi

1.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:

1.3.1 Khái niệm:

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để tăng nồng độ một cấu tửnào đó trong dung dịch 2 hay nhiều cấu tử tùy theo tính chất của cấu tử khó

bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơihơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đung nóng) hay bằng phương pháp kết tinh.Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt trong phương pháp nhiệt, dướitác dụng của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạngthái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoìa tác dụng lên bềmặt thoáng của dung dịch ( tức khi dụng dịch sôi) Để cô đặc các dung dịchkhông chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ởnhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp.

1.3.2 Phân loại thiết bị cô đặc:

Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:

- Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên.Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảmbảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưõng bức hay tuần hoàn cưỡng bức.Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao,giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành nàng mỏng, màng có thể chảy ngượcxuôi xuống Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua

bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một

số thành phần của dung dịch

Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong haybuồng đốt ngoài Tùy theo điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng côđặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất dư

1.3.3 Hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi xuôi chiều

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

Hệ xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biếntính và 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 hơncác nồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất

 Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:

- Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng khôngchết

- Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian nhỏ nhất

- Đảm bảo thoát nước ngưng dễ dàng Việc thoát nứoc ngưng tụ có liênquan chặt chẽ đến tốc độ bốc hơi Nếu có một nồi nào đó thoát nước ngưngkhông tốt, nước ngưng đọng lại nhiều trong phòng đốt, làm giảm lượng hơiđốt vào phòng và ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi

- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch

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

1.4 Quy trình công nghệ

1.4.1 Quy tình công nghệ:

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc

Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi

thông qua các ống ruyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn vầ được tuần hoàntrở lên phía buồng bốc Tại đây,xảy ra quá trình đối lưu giữa hơi đốt và dungdịch, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch di chuyển xuống đáythiết bị rồi lại được đẩy lên trên

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 độngdung dịch càng chậm lại về sau Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt đượcnồng độ theo yêu cầu

Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phíadung dịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chấttan càng nhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại Tuy nhiên sẽ hao phí nănglượng khuấy.

1.4.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Dung dịch từ bể chứa nhuyên 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 nhiệtđến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô đặc thứ 1 để thực hiện quá trình bốc hơi.Dung dịch sau khi cô đặc ở nồi 1 được dẫn ra ở phía dưới để đi vào nồi côđặc 2 Hơi thứ được đi ra theo của phía trên của thiết bị nồi 1 được làm hơi đốtcho nồi 2 và hơi thứ nồi 2 làm hơi đốt cho nồi 3 Khí không ngưng theo ống dẫn

ở phía dưới thiết bị Quá trình cô đặc tiếp tục diễn ra trong các nồi 2, nồi 3.Dung dịch sau khi cô đặc đến nồng độ theo yêu cầu được tháo liệu đi vào bểchứa Hơi thứ và khí không ngưng sinh ra ở nồi 3 đi vào thiết bị baromet, mộtphần ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộphận tách lỏng để chỉ còn khí khô được bơm chân không hút ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: phần dưới của thiết bị là buồngđốt gồm có nhiều ống truyền nhiệt Hơi đốt đi trong ống còn dung dịch đingoài ống

PHẦN 2 CÂN BẰNG VÂT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Đối với số liệu của cả hệ thống:

Năng suất nhập liệu: Gđ = 16000kg/h

Nồng độ dung dịch nhập liệu: xđ = 0,14

Nồng độ dung dịch sản phẩm: xc = 0,61

2.1.1 Xác định lượng hơi tứ bốc ra khỏi hệ thống (W):

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi là khác nhau:

- Giả thiết tỉ lệ hơi thứ bốc lên:

2.2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

2.2.1 Xác định áp suất của mỗi nồi:

Gọi P1, P2, P3, Pnt : là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

P1 : hiệu áp suất của nồi 1 so với nồi 2

P2 : hiệu áp suất của nồi 2 so với nồi 3

P3 : hiệu áp suất của nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ

P :Hiệu số áp suất của cả hệ thống:

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

- Giả thiết phân phối hiệu áp suất giữa các nồi: 1 2

2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi:

Gọi: thd1, thd2, thd3, tnt :nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, 3 thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2, tht3 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

Giả sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây rakhi chuyển từnồi 1 sang nồi 2 là 10C

Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi:

tụÁp

suất

(at)

Nhiệtđộ(0C)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(0C)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(0C)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(0C)Hơi

đốt 2,9 131,6 1,373 108,09 0,646

87,25

0,3 68,7Hơi

thứ 1,42 109,09 0,67 88,25 0,31

69,7

2.2.3 Xác định tổn thất nhiệt độ:

2.2.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra (’):

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

Ta có:

'

  t0

sdd – t0 dmnc ( ở cùng áp suất)

Áp dụng công thức Tisenco:

2 0

r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg)

Bảng 2.2: Hình V1.2 tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra của dung dịch

Đường phụ thuộc vào nồng độ ở áp suất thường/Trang 60

Bảng 2.3: Tra bảng I.251, STQTTB,T1/Trang 314

Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2236.103 2289,9.103 2334,4.103

Nồi 1:

2.2.3.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ( ''):

Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càngtăng do áp lực của cột chất lỏng (hiệu ứng áp suất thủy tĩnh gây ra) Đối vớitrên bề mặt của chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình (thường chọn ở giữa ốngtruyền nhiệt) và trên mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

t : nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch

Tính áp suất thủy tĩnh của chất lỏng ở độ sâu trung bình:

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

h : là chiều cao ống truyền nhiệt (m)

d ds

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

2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng:

2.2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng của dung dịch các nồi:

C2 = 4190 – ( 2514 – 7,542*89,148)*0,2879= 3659,790 (J/Kg.độ)Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 3: (ts3 = 72,385 0C, x = 61%)

C3 = 4190 – ( 2514- 7,542*72,385)*0,61= 2989,470(J/Kg.độ)

2.2.4.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Hình 2.1 sơ đồ cấp nhiệt và tổn thất nhiệt của 3 nồi.

Nồi 1:

D.i + Gd.Cd.td = W1.i1 + (Gd – W1)C1.t1 + D.Cn1 1 + Qxq1

Nồi 2:

W1.i1 + (Gd –W1)C1.t1 = W2.i2 + (Gd – W1–W2)C2.t2 + W1.Cn2.2 + Qxq2Nồi 3:

W2.i2 + (Gd –W1–W2 )C2.t2 = W3.i3 + (Gd – W)C3.t3 + W2.Cn3.3 + Qxq3Trong đó:

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

i, i1, i2, i3 : hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, hơi thứnồi 3 (J/kg)

td, t1, t2, t3 : nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của dungdịch (0C)

Cd,C1, C2, C3 :nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3của dung dịch (J/kg.độ)

1, 2, 3: nhiệt độ nước ngưng của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (0C)

Cn1, Cn2, Cn3: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, nồi 3(J/kg.độ)

Qxq1,Qxq2, Qxq3: 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 hòa, nước ngưng là chất lỏng sôi ởcùng nhiệt độ, khi đó ta có:

Qxp2 = 0.05.W.(i1 – Cng2 2)Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:

2.2.4.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc:

Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là:

PHẦN 3 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 3.1 Tính bề mặt truyền nhiệt (F)

Xác định các thông số cơ bản của dung dịch

40 30

0 2

16,964 8,875

C C

40 30

1, 236 16.964 8,875

60 50

Tra bảng I.112, STQTTB T1/T114ta được độ nhớt dung dịch:

0 2

9,158

2, 204

C C

60 50

1, 438 9,158 2, 204

75 70

0 2

1,707

0, 41

C C

75 70

3,86 1,707 0, 41

C : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ).

 : khối lượng riêng (kg/m3)

M : là khối lượng mol của chất lỏng

Chọn A=3,58.10-8

M= mi.Mdd+(1-mi)Mnước

Mà

1 dd dd

3.1.3 Hệ số cấp nhiệt ( )

3.1.3.1 Hơi ngưng tụ(  1)

4

1 1

04 , 2

t H

r A





Với: r: ẩn nhiệt ngưng(J/kg)

H:chiều cao ống truyền nhiệt(H=2m)

565 , 0

2

2 2

d n

d n

   (2)Trong đó: P là áp suất hơi thứ

 là nhiệt độ của Đường

 là bề dày ống truyền nhiệt ( = 2mm)

 là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt3

r là nhiệt độ của lớp cặn bẩnChọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là có  = 16,3 W/m độ

3.1.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi :

Xem bề mặt truyền nhiệt trong nồi như sau : F1 F2 F3nên nhiệt độhữu ích phân bố trong các nồi là:

2 1

i i

i

i i

Q K

Q K

Q

Nồi 2 :

2 2 2

Q

Nồi 3 :

3 3 3

PHẦN 4 THIẾT KẾ CHÍNH

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b= 45 ống

4.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt:

Dt= t.(b-1)+4.dn (theo công thức V.141,STQTTBT2/Trang49)

Trong đó: t: là bước ống, thường chọn t= (1.21,5).dn

4.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi:

Thể tích không gian hơi được xác định:

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

 :là khối lượng riêng của hơi thứ(kg/m3)

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

Theo CTVI.33,STQTTB,T2/trang 72:

utt=f.utt(1at) khi P 1at

Với utt(1at) :cường độ bốc hơi cho phép ở P=1 at

V H

.

4

4.6,344

1, 403( ) 3,14.2, 4

Tóm lại, chọn đồng loại đường kính ống dẫn hơi đốt cả 3 nồi là: d=

500 (mm), với đường kính ngoài là: dn=529 (mm)

4.3.5 Đường kích ống tháo nước ngưng :

Nồi 1:

Lưu lượng khối lượng là: W=D=4673,833 1, 298( / )

Ta có:t=131,6(oC)    933, 792(kg m/ 3 )(Bảng I.5,STQTTB,T1/trang11)

Ống dẫn nguyên liệu vào

4.5 CHIỀU DÀY LỚP CÁCH NHIỆT

Để nhiệt truyền qua thành thiết bị hay ống dẫn thoát ra ngoài không khíkhông làm tổn thất nhiệt lượng,ta phải bọc thiết bị hay ống dẫn bằng một vậtliệu dẫn nhiệt kém gọi là lớp cách nhiệt

4.5.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn:

Bề dày lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện cấp nhiệt rangoài không khí chuyển động tự do,nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng20(oC) được tính theo công thức: 2 , 8 . 1,5. ( )

3 1 2 35 , 1 2 , 4

m q

q:là nhiệt tổn thất tính theo 1 m chiều dài ống(W/m)

tT2:là nhiệt độ mặt ngoài của ống kim loại chưa kể lớp cáchnhiệt(oC)

Chọn chất cách nhiệt là bông thủy tinh, với:

= 0,0372 (W/m.độ) ( Bảng I.126, STQTTB,T1/128)  = 200 (kg/m3) ( Bảng I.1, STQTTB,T1/8)

Theo quy chuẩn chọn   6(mm).

Từ nồi 1 sang nồi 2:

Theo quy chuẩn chọn   7(mm).

Từ nồi 2 sang nồi 3:

Theo quy chuẩn chọn   6(mm)

Từ nồi 3 sang bể chứa sản phẩm:

Theo quy chuẩn chọn   6(mm)

4.5.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị

1 2 2

c T T c

Theo quy chuẩn chọn  = 13mm

Do điều kiện làm việc của buồng đốt và buồng bốc của 3 nồi gần giốngnhau nên có thể chọn bề dày cách nhiệt cho thân buồng đốt và buồng bốc của

Kích thước ống nối Bulon

h

0,1

Đốt 1800 1940 1890 1860 1815 M20 40 28Bốc 2400 2550 2500 2460 2415 M24 56 35

Chọn bích để nối các bộ phận với ống dẫn, chọn bích liền kiểu 1( Theo bảng XIII.27,STQTTB,T2/417)

Bảng 4.3 Kích thước bích nối các ống dẫn.

(mm)

Dn(mm)

Kích thước ống nối Bulông

h(mm)

D(mm)

Db(mm)

D1(mm)

db(mm)

Z(cái)

4.7.1 Tai treo buồng đốt:

Chọn 4 tai treo bằng thép CT3 cho một buồng đốt

Tải trọng cho 1 tai treo là: 1 4

G

Với:G=Gống+2Gvĩ+Gđáy+Gnắp+Gthành+2Gbích+Glỏng+Gh

4.7.1.1 Bề dày đáy buồng đốt:

Được tính theo hình nón có gờ, vật liệu là thép CT3, góc ở đáy là 600

 = 300 và Rs/Dt = 0,15

 

2

t d

 : yếu tố hình dạng đáy, xác định theo đồ thị hình XIII.15, = 0,98