bài tập lớn kĩ thuật thực phẩm thiết kế hệ thống cô đặc NaOH 2 nồi xuôi chiều

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch bằng cách tách bớtmột phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh.. Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đ

Trường Đại Học Nha Trang_Khoa công Nghệ Thực Phẩm

Chủ đề : thiết kế hệ thống cô đặc

NaOH 2 nồi xuôi chiều

Lê Đình Minh Thành Lớp 53CNTP1 Lưu Công Thắng

Nguyễn Văn Ngoan Nhóm :1

Nguyễn Thị Kiều Oanh

Nguyễn Thị Tú Trinh

Phạm Thị Việt Kiều

Nha trang, tháng 12, năm 2013

Mục lục Trang

I Mở đầu 3

II Chọn quy trình 3

1 quy trình công nghệ 4

2 Nguyên tắc hoạt động A.Tính thiết bị chính III Tính cân bằng vật chất 1 Chuyển đơn vị năng suất từ (m3/h) sang (kg/h): 4

2 lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống 5

3 Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi 5 4 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi: 5

IV CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: 1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi: 5 2 Xác định nhiệt độ tổn thất : 5 a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (’) 5

b.Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (’’ ): 6

c.Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (”’) 7

d.Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc: 7

3 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi: 7 4 Cân bằng nhiệt lượng: 8 a Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi: 8

b Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng (CBNL): 8

c Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi: 9

V TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT 1 Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp: 9

2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 10 3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi: 12 4 Kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích : 12 5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 13 VI TÍNH KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC VÀ BUỒNG ĐỐT : 1 Kích thước buồng bốc 13 2 kích thước buồng đốt 14 VII.TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU, THÁO LIỆU: 15

B.TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 17

1 Tính thiết bị ngưng tụ baromet: 17

2, Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 19

3 Tính bơm chân không 22 4 Tính bơm nước của thiết bị ngưng tụ 23 5 Tính bơm nhập liệu 24

6 Tính bơm tháo liệu 25 7 Bề dày lớp cách nhiệt 26

I MỞ ĐẦU :

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sản xuất hoáchất cơ bản Nó đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt ,tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn

NaOH là một baz mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao Vì vậy cần lưu ý đếnviệc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất

Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tácdụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng . Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại làđiện phân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độrất loãng , khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng người

ta phải cô đặc dung dịch đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch bằng cách tách bớtmột phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh

Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc theo cách tách dung môi dưới dạng hơi.Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môitrên mặt thoáng dung dịch bừng với áp suất làm việc của thiết bị

Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăngnồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất rắn hoà tan

Quá trình cô đặc thường tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường( áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở , còn khi làm việc ở áp suất khác ( vd áp suất chânkhông ) người ta dùng thiết bị kín

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, có thểlàm việc liên tục hoặc gián đoạn

Chủ đề này thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịchxút NaOH có nồng độ đầu 15% đến nồng độ cuối 30% Năng suất đầu vào là 1m3/hour

II.CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ :

1 Qui trình công nghệ :

Năng suất của qui trình cô đặc là 1m3/h Đây là năng suất nhỏ do đó ta chọn qui trình côngnghệ như sau

2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc:

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảyxuống qua thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việc của nồi I.Dung dịch sau đó được đưa vào nồi I Do có sự chênh lệch áp suất giữa nồi I và nồi II nên dungdịch tiếp tục chảy qua nồi II rồi được bơm hút ra rồi chuyển vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ trongnồi I dùng làm hơi đốt nồi II để tận dụng nhiệt Hơi thứ nồi II sẽ được đưa qua thiết bị ngưng tụbaromet và được chân không hút ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có các ốngtruyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảngkhông gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là : do ống tuầnhoàn 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 áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạomột dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có hiệuquả 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 táchnhững giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

A.TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

1 Chuyển đơn vị năng suất từ (m3 /h) sang (kg/h) :

Năng suất nhập liệu : G’D =1 m3/h

Khối lượng riêng : NaOH= 1159 kg/m3 GD = G’D  NaOH= 1159 kg/h Nồng độ nhập liệu : xD = 15 %

Nồng độ cuối của sản phẩm : xC = 30%

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất : GD  xD = GC  xC

Suy ra: GC=

C

D D

x

x G

W   kg/hTrong đó:

W : Lượng hơi thứ của toàn hệ thống kg/h

GD : Lượng dung dịch ban đầu kg/h

xD,xC : Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng Thay số vào ta có:

5.579)30

151.(

1159)

x

x G

3 Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi :

Chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi I và II là : 1.1

II

I

W W

WI + WII = WGiải hệ trên có kết quả :

15.1159

W G

x G

%

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

2765.3031159

15.1159

W W G

x G

%

IV.CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

Theo đầu bài áp suất ngưng tụ là: Png = 0.5 at

Chọn áp suất của hơi đốt vào nồi I là : P1= 3.5 at

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :

Pt =P1 – Png = 3.5 – 0.5 = 3 atChọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là : 1.5

Kết hợp với phương trình : P1 + P2 = Pt = 3 at

thứ P’1=1.76 t’1 =115.5 P’2=0.52 t’2 =81.9

2 Xác định nhiệt độ tổn thất :

a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (’):

Áp dụng công thức của Tiaxenko:

’ = ’o f

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



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:

b Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:

dd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m

Suy ra : ”2=(t”2+’2)– (t’2+’2)= 83.37 – 81.9 =1.47 0C

Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là:

” =”1+”2 =0.53+1.47 = 2.00 0C

c Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (”’)

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 10C Do đó:

”’1=1.50C

”’2 =1.0 0C

d Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:

=’+”+”’=24.38+2.00+2.5=28.88 0C

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

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:

4 Cân bằng nhiệt lượng:

a.Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

Nồi I:

Nồng độ đầu dung dịch xD=15%<20% nên ta áp dụng công thức:

CD=4186 (1-xD) =4186 (1- 0.15) =3558.1 ,j/kg.độNồi II:

Coi C1C2 Do xC=30%>20% nên áp dụng công thức: C1=C2=4186 – ( 4186 – Cht)xC1

Cht : Nhiệt dung riêng của chất hoà tan ,j/kg.độ

M.Cht =n1.c1+ n2.c2+ n3.c3+ nn.cn (*)Tra sổ tay tập I ta có:

40

6 9 8 16

tD, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, rakhỏi nồi I và nồi II của dung dịch , 0C

CD, C1, C2:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II của dung dịch , j/kg.độ

1, 2:nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I và nồi II ,0C

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi I và nồi II ,j/kg.độ

Qxq1,Qxq2 :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 1=r (1) và i1- Cng2 2=r(2)tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây:

+2 =114.5 0C+ i1 =2706000 j/kg

Dung dịch NaOH:

+ t2=98.42 0C+ C2= 3323.2 j/kg.độ+ G2=579.5 kg/hHơi thứ :

+ t’2=81.9 0C

+ i= 2737000 j/kg

+ Cng1=4290 j/kg.độ

+Cng2 = 4290 j/kg.độ+ W1=303.5 kg/h

+ i2=2643740 j/kg+ W2=276 kg/h

1 1 2

2 2

1 0.95 ( )

)

(

t C i r

t C G t C W G i W

* 2 3323 2643740

2156000

* 95 0

86 125

* 2 3323

* 1159 42

98

* 2 3323

* 5 579 2643740

* 5 579

95.0

)

(

1 1 1

1 1 1 1

1



ng

D D D D

C i

t C G t C W G i W

9 289 5 303







C%(II) = 100 % 4 7 % 5 %

6 289

276 6 289







Vậy :

Lượng hơi thứ nồi I là : WI = 289.9 kg/h

Lượng hơi thứ nồi II là : WII = 289.6 kg/h

Lượng hơi đốt nồi I là : D = 314.6kg/h

V TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT

1 Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp:

 r = 5.106*10-04 m2.độ /WNhiệt tải riêng trung bình:

Khi đó : t1= T – tT1 = 137.9 – 137.54 = 0.36 0C

TW = 0.5(T+tT1) =137.72 0C

r = r(1)=2156 kj/kg =514.95 Kcal/kg ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

A = 2362.02 trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước.Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:

1=1.13*2362.05*(

36 0

* 5 1

95 514

T = q1.r= 6199.85*5.106.10-4=3.16 0C

 = 0.76 thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH

p = 1.76 at áp suất hơi trên bề mặt thoáng của dung dịch sôi

Thay vào (**) ta có :

2= 1.6*0.76*(1.76)0.4.(5339.58) 0.7=620 Kcal/m2.h.độ= 719.89 W/m2.độ

Thay vào (2)ta có :

q2 = 719.89*(137.54 –3.16 – 125.86) =6133.46 W/m2

+ kiểm tra lại giả thiết t1:

85.6199

46.613385

.6199

%100

*

1

2 1

Khi đó : t1= T - tT1= 114.5 – 114.18 = 0.32 0C

TW = 0.5(T+tT1) =114.34 0C

r = r(1)=2221.5j/kg=530.6 kcal/kg ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

A = 2268.87 trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước.Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:

1=1.13*2268.87(

32 0

* 5 1

60 530

T = q1.r=5492.79*5.106.10-4=2.8 0C

 = 0.76 thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH

p = 0.52 at áp suất hơi trên bề mặt thoáng của dung dịch sôi

có 100% 4.03% 5%

79.5492

44.527179

.5492

%100

*

2

2 1

i m

m im

K Q

t K

178890 18

512

12.28

*86.367

i I

I iI

K Q

t K

Q t

0C

- Tính cho nồi II:

66.1632.902

12.28

*46.534

i II

II iII

K Q

t K

Q t

46.1104.12

%100

t

t t

- Nồi II :

%5

%5.3

%10066

.16

08.1666.16

%100'

t

t t

Thoả mãn điều kiện

5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

- Nồi I:

F! =

1 1

1

' t i K

Q

46 11

* 18 512

2

' t i K

Q

66 16

* 71 334

Do vậy ta chỉ cần tính đại diện nồi II

Vận tốc hơi (hmax) của hơi thứ trong buồng bốc không quá 70 – 80% vận tốc lắng(0)

*14.34

6.289





h l

W

Vận tốc hơi : h=  

54.1

25.0

3158.0

*0003.0

*165.0

1.216

Vì 0.2<Re=1.216<500 nên = 0.6

Re

5.18

216.1

5.18

6

* 45 16

* 3

0003 0

* ) 3158 0 1276 (

* 81 9

* 4

0.96 m/sthấy : h = 0.09 m/s < 0=0.96 m/s ( thoả điều kiện )

chọn U’t= 1600m3/m3.h : cường độ bốc hơi thể tích Do dung dịch sôi tạo bọt nên cường độbốc hơi thể tích giảm còn : Ut=U’t/1.5 = 1066.7 m3/m3

.hThay vào công thức tính Vb có:

* 3158 0

6 289

Vậy chiều cao buồng bốc là:

4.1

*14.3

86.0

*4

.4

Do trong thiết bị có hiện tượng dung dịch sôi tràn cả lên phần buồng bốc do đó đòi hỏi thiết

bị phải cao hơn so với tính toán

F

.



F= 40 m2 : bề mặt truyền nhiệt

l = 1.5m : chiều dài của ống truyền nhiệt

d : đường kính ống truyền nhiệt

F

.

5 1

* 034 0

* 14 3

* 14

f

14 3

0738 0

* 4

=0.307 mChọn Dth=0.325 m = 325 mm (QTTB T5 trang 180 )

n

60 sin 4 0 ) 2 (

0 2

l =1.5 m : Chiều dài của ống truyền nhiệt m

dth = 0.325 : Đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

F = 40 m2 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2

Thay vào ta có :

5 1

* 8 0

038 0

* 40

* 60 sin

* 4 1 4 0 ) 038 0

* 4 1

* 2 325 0 (

0 2

*4.1

325.0

Bề mặt truyền nhiệt F = 3.14*1.5*(210*0.034+0.325)=35.2 m2 > 32.05 m2 ( thoả mãn )

VII TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU, THÁO LIỆU:

Đường kính các ống được tính theo công thức tổng quat sau đây:

d=





4

v

G

m Trong đó :

G : lưu lượng lưu chất kg/s

* 14 3

322 0

* 4

=0.0297 mChọn : d = 0.042m

2 Ống tháo liệu nồi I ( nhập liệu nồi II ):

* 14 3

2414 0

* 14 3

161 0

* 4

=0.04 mChọn : d = 0.042m

v

G

=

869 1

* 20

* 14 3

0874 0

v

G

=

9558 0

* 20

* 14 3

0806 0

* 4

=0.0733 mChọn : d = 0.146m

6 Ống dẫn hơi thứ nồi II:

v

G

=

3158 0

* 20

* 14 3

0804 0

* 14 3

0847 0

* 4

=0.016 mChọn : d = 0.042m

8 Ống dẫn nước ngưng nồi II:

* 14 3

0806 0

* 4

=0.016 mChọn : d = 0.042m

B.TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

1.Tính thiết bị ngưng tụ baromet:

a Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ :

Gn=

).(

) (

2 2

2 2

d c n

c n

t t

C

t C i

W





kg/s

W2 : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ , W2=289.6 kg/h =0.0804 kg/s

i : hàm nhiệt của hơi ngưng , i =2643.74 kj/kg

t2C,t2D : nhiệt độ đầu ,cuối của nước làm nguội, lấy t2D=300C

t2C=tng – 10 =80.9 – 10 =70.9 0C

tng : nhiệt độ hơi bão hoà ngưng tụ

Cn : nhiệt dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiệt độ trung bình

2

9.70302

2 2

*18.4

)9.70

*18.474.2643(

*0804.0)(

).(

2 2

2 2

D c n

c n

t t C

t C i W

1.1 kg/s

b Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị :

Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet :

kk kk

p p

t G



273 ( 288

Với tkk =t2D+4+0.1 (t2C – t2D)

=30+4+0.1*(70.9-30)=38.09 0C

png=0.5 at =49050 N/m2 : áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ

ph =0.0576 at =5652 N/m2 : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk

) 09 38 273 ( 10

* 34 8

W





2

h : khối lượng riêng của hơi, h=0.3158 kg/m3

h: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, h= 5.23

14.0

*25.0

*14.3

0804.0

2  m/s

23 5

* 3158 0

3600 / 6

tấm ngăn có đục nhiều lỗ , lấy đường kính của lỗ là dl=2mm

chiều dày tấm ngăn , chọn =4 mm

chiều cao gờ cạnh tấm ngăn , chọn h0=40 mm

các lỗ xếp theo hình lục giác đều, ta có bước lỗ :

D C

t t

t t

tra bảng VI-7 ( STQTTB T2 trang 80) ta có:

số ngăn n=8

khoảng cách trung bình giữa các ngăn : htb=400 mm

chiều cao của thiết bị ngưng tụ :

004

 : vận tốc của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet,chọn =0.7m/s

 dba=

14 3

* 7 0

) 0804 0 1 1 (

* 004

=0.046 mlấy đường kính ống baromet là dba= 50 mm

chiều cao ống baromet : hba=h1+h2+h3 (m)

h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ baromet