Đồ án kĩ thuật thực phẩm II chu hoàng thành

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, quá trình chưng luyện giờ đây đã có thể sử dụng với nhiều loại nguyên liêu, tách chiết được nhiều loại chất quý dựa vào nhiệt độ sôi khác n

MỤC LỤC

Trang

Lời mở đầu 2

Chương I : Tổng quan 3

Chương II : Hệ thống chưng luyện 6

Chương III : Tính toán kỹ thuật thiết bị chính 8

I Tính cân bằng vật liệu 8

1 Tính cân bằng vật liệu 8

2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 9

3 Số đĩa lý thuyết 11

II Tính đường kính tháp 12

1 Tính tốc độ hơi đoạn luyện 12

2 Tính tốc độ hơi đoạn chưng 17

3 Tính đường kính tháp 21

III Tính chiều cao tháp 21

IV Tính trở lực tháp 22

a Đoạn luyện 23

b Đoạn chưng 25

Chương IV: Tính cân bằng nhiệt lượng 27

Chương V: Chọn thiết bị phụ 33

Kết luận 34

Tài liệu tham khảo 35

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghệ thực phẩm hiện nay, quá trình chưng luyện là một khâu quan trong trong sản xuất dùng để tách chiết các cấu tử quý trong nguyên liệu Phương phápnày đã có từ rất lâu đời mà dễ thấy nhất chính là quá trình chưng cất rượu để tạo ra cácsản phẩm rượu đã được ưa chuộng từ ngàn năm nay

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, quá trình chưng luyện giờ đây

đã có thể sử dụng với nhiều loại nguyên liêu, tách chiết được nhiều loại chất quý dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của từng loại cấu tử ta tìm được trong nguyên liệu Góp phần gia tăng giá trị thương phẩm của sản phẩm mà vẫn giảm được không ít bất tiện

Ví dụ trước đây để bổ sung Vitamin A ta phải ăn nhiều các loại rau quả, cá, hay các nguyên liệu thô chứa Vitamin A, giờ đây với phương pháp chưng luyện ta đã có thể tách chiết vitamin A thậm chí cả các loại chất khác ra khỏi nguyên liệu và đưa trực

tiếp vào sản phẩm Với lợi ích to lớn như thế, có thể nói chưng luyện là một quá trình

vô cùng quan trọng trong nghệ thực phẩm nói riêng và nền công nghiệp nói chung

Về môn học Kỹ thuật thực phẩm, đây là một môn học cơ sở rất cần thiết, môn học này giúp ta biết rõ về các loại thiết bị sử dụng, cách thức hoạt động, cơ sở lý

thuyết của các quá trình công nghệ trong ngành công nghệ thực phẩm

Nhiệm vụ của đồ án kỹ thuật thực phẩm là giúp sinh viên hiểu rõ và hiểu đúng

về thiết kế các loại thiết bị trong quá trình đã học Ở đây, tôi giới thiệu một bài thiết kếtháp chưng luyện loại tháp đệm dùng để tách cấu tử Metylic khỏi hỗn hợp Metylic - Nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 1) Cơ sở lý thuyết về quá trình chưng luyện:

- Quá trình chưng cất và cô đặc khá giống nhau, sự khác nhau cơ bản của 2 quá trình này là trong chưng cất các cấu tử đều có thể bay hơi còn trong cô đặc chỉ có dungmôi bay hơi

- Ở đây ta sử dụng với hệ Metylic - Nước:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Metylic (do Metylic có nhiệt độ sôi thấp hơn Nước)

+ Sản phẩm đáy chủ yếu là Nước (do Nước có nhiệt độ sôi cao hơn Metylic)

1.2) Phân loại các phương pháp chưng cất:

Ta có thể phân loại các phương pháp chưng cất theo:

+ Cấp nhiệt gián tiếp

Đối với hệ Metylic - Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường (do nhiệt đọ sôi của Benzen ở điều kiện thường vào khoảng 80oC nên

ta chon theo phương pháp này)

2) Giới thiệu về nguyên liệu:

Nước Metylic Giới

thiệu chung

- Công thức cấu tạo là H2O - Công thức cấu tạo: CH3OH

Tính chất vật lý

- Khối lượng phân tử: 18 đvC

- Nhiệt độ sôi: 100oC (đk thường)

- Khối lượng phân tử: 32 đvC

- Nhiệt độ sôi: 64,5oC (đk thường)

3) Cấu tạo thiết bị chưng luyện:

- Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm,tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đêm

Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo

khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấutạo của đĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn

Vật đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

điểm

- Do có hiệu ứng thành hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khóvận hành

- Do có hiệu ứng thành  khităng năng suất thì hiệu ứngthành tăng  khó tăng năngsuất

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN 1) Sơ đồ hệ thông dây chuyền sản suất:

Chú thích

4-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 8-Thùng chứa sản phẩm đỉnh

11-Thiết bị tháo nước ngưng

2) Thuyết minh dây chuyền công nghệ hệ thống chưng luyện:

 Thuyết minh quá trình:

- Bơm số 2 sẽ đẩy hỗn hợp đầu (số 1) vào thùng cao vị (số 3) Quá trình này là quá trình tạo áp suất cho hỗn hợp đầu khi đưa vào tháp.

- Từ thùng cao vị (số 3) hỗn hợp đầu sẽ đi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (số4) để gia nhiệt trước rồi đưa vào tháp Công đoạn này nhằm nâng nhiệt ban đầu của hỗn hợp để rút ngắn thời gian chưng cất

- Trong tháp sẽ xảy ra các quá trình sau:

+ Ở giai đoạn đầu, nhiệt nặng khi gia nhiệt trước khi vào tháp chưa dủ để làmbay hơi hết Metylic nên trong sản phẩm đáy chứa tỷ lệ Metylic khá cao Do vậy hỗn hợp đáy ban đầu sẽ được hồi lưu toàn bộ và gia nhiệt thêm Còn phần cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ (số 6) rồi qua thiết bị làm lạnh (số 7)

và chuyển về thùng chứa (số 8)

+ Sau một thời gian, hỗn hợp đáy được gia nhiệt đến quá nhiệt độ sôi của cấu

tử Metylic (chưa đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp), Metylic trong hỗn hợp đáy

sẽ bay hơi đi qua các lỗ đệm lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ (số 6) sau đó được hồi lưu một phần còn lại sẽ đến thiết bị làm lạnh (số 7) và chuển đến thùng chứa (số 8)

+ Sau khi nồng độ Metylic trong hỗn hợp đáy đạt đến tỷ lệ nhất định, hỗn hợp đáy sẽ được tháo ra một phần, phần còn lại vẫn tiếp tục được ra nhiệt (số9) rồi đưa lại vào đáy tháp (số 5)

Ở đây thiết bị gia nhiệt (số 9) có thể đặt ở trong tháp hoặc ngoài tháp đều được

 Giải thích quá trình

- Ở đây ta chọn tháp đệm nên trong tháp sẽ rải các lớp đệm chồng lên nhau nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hơi và hỗn hợp đầu

- Quá trình chưng luyện sẽ theo chiều như sau:

+ Cấu tử hơi của Metylic sẽ đi từ dưới lên đỉnh tháp, còn cấu tử lỏng của Metylic trong hỗn hợp đầu sẽ đi từ khoảng giữa tháp xuống và trong hồi lưu thì đi từ gần đỉnh tháp xuống

+ Cấu tử lỏng Nước sẽ đi từ giữa tháp xuống

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH

- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 2 kg/s = 7200 kg/h

Ta có: MA = 32 : khối lượng phân tử của Metylic

MB = 18 : khối lượng phân tử của Nước

Và phương trình cân bằng vật liệu cho cho cấu tử dễ bay hơi:

F.aF = P.aP + W.aWSuy ra, lượng sản phẩm đáy là:

W= F

a P−a F

a P−a ƯW = 2

0,98−0,15 0,98−0,015 = 1,7202 (kg/s) =

a Chỉ số hồi lưu tối thiểu.

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là

vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành( nhiên liệu, nước,

bơm,…) là tối thiểu

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Metylic - Nước ở 1 atm như sau:

(Dựa theo bảng IX.2a - Sổ tay quá trình và thiết bị II – trang 149)

Từ đồ thị H1: đồ thị y-x biểu diễn đường cân bằng

xF = 0,09 dùng phương pháp nội suy, ta có y* = 0,48

Vậy, chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Rmin (với β ¿ [1,2; 2,5] là hệ số hồi lưu)

Với mỗi giá trị của β cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý

thuyết tương ứng

+ Với β=1,5⇒ R=1,5.1,256=1,884

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y= R R+1 x+

x p R+1

→ y= 1,884

1,884+1 x+

0,97 1,884+1

x p R+1

→ y= 2 ,26

2, 26+1 x+

0, 97 2,26+1

x p R+1

x p R+1

→ y= 3,14

3,14+1 x+

0,97 3,14+1

Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị (H6) biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1)

Dựa vào đồ thị H6, ta xác định được Rth = 2,638

c Phương trình đường nồng độ làm việc

- Đường nồng độ làm việc đoạn chưngLượng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh:

f = F '

P '= 0 ,104

8 , 86.10−3=11, 74Phương trình: y=

Với Rth = 2,638 dựa vào đường cân bằng và đường nồng độ làm việc, ta xác

định được số đĩa lý thuyết

N LT =13

II Tính đường kính tháp

Đường kính được xác định theo công thức:

(Sổ tay quá trình và thiết bị II - IX.90 – tr 181)

D=0, 0188√ g tb

(ρ y ω y)tb

Để tính đường kính tháp, ta phải tính các giá trị sau:

1 Tính lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp

2 Tính khối lượng riêng trung bình của các dòng pha đi trong tháp

3 Tính tốc độ hơi đi trong tháp

4 Tính đường kính của tháp

1 Tính tốc độ hơi đoạn luyện.

Lượng hơi đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (gđ) và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (g1)

Coi: x1=x F=0, 09

yđ= xp=0, 97Với: r1- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất

rđ- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp di ra khỏi đỉnh tháp

g1- lượng hơi đi vào đĩa cuối cùng của đoạn luyện

G1- lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

Ta có { r 1 = r a y 1 + ( 1−y 1 ) .r b ¿¿¿¿

(T182, [3])Với ra, r b là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất Metylic, Nước

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (xp=0,97) tp=98,5oC (Nội suy II-149)

Nội suy theo bảng r-to [I.212][I-254] với to=98,5oC, ta có:

ra=242,8625 kcal/kg =1016,82.103 (J/kg)

r b=540,5 kcal/kg = 2262,97.103 (J/kg) <Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>

⇒r đ=r a y đ+(1− y đ)r b

= 1016,82.103.0,97+(1-0,97) 2262,97.103 =1054,2.103 (J/kg)

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (xF =0,09) tF =99,86oC ( Nội suy II-149)

Nội suy theo bảng r-to [I.212][I-254] với to=99,86oC, ta có:

ra=242,08 kcal/kg = 1013,54.103 (J/kg)

rb=539,14 kcal/kg = 2257,27.103 (J/kg) <Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>

Ta có: GR = gđ – GP = 3664,48 - 1007,28 = 2657,2 (kg/h)Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đỉnh tháp là:

32.0,97+18.(1−0,97)=31,58

Suy ra: gđ= 3664 ,48

31,58 =116 ,04 (kmol/h)

GP= 1007,28 31,58 =31,89 (kmol/h)

GR= 2657,2 31,58 =84 ,14 (kmol/h)

Theo hệ phương trình (*) ta có:

+) g1=G1+G P→G1=g1−G P (1)

+) g1 y1= G1 x1+ Gp xP (2)

y tb=y đ+y1

2 =

0 , 97+0 , 473

2 =0 , 7215 (kmol/kmol)Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn luyện là:

M A y tb+M B (1− y tb)=32.0, 7215+18.(1−0 ,7215 )=28 ,101

⇒g tb=94 , 655.28 , 101=2 ,66 103 (kg/h)

G1=41 ,38(kmol/h)=1162, 8(kg/h)

* Đối với pha hơi

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hayđoạn luyện,tính theo oK

Ytb- Nồng độ phần mol của cấu tử metylic

t tb=t F+t P

2 =

98 ,5+99 , 86

2 =99 ,18 oCThay vào công thức tính khối lượng trung bình của hỗn hợp, ta có:

ρ ytb=28,101.273 22,4.(99,18+273)=0,92 (kg/m3)

* Đối với pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

ρ xtb - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ

trung bình ở đoạn luyện với t=99,18 oC

atb1- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏngNội suy theo bảng I.2 tài liệu số 2 trang 9, dựa theo t=99,18 oC, ta có:

ρ xtb2=958,6 (kg/m3)

ρ xtb1 , ρ xtb2 - khối lượng riêng trung bình của Metylic, Nước tinh

khiết của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

Nồng độ trung bình của đoạn luyện:

Y=2,95.e−4 X (CT IX.114/187, [3])

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s

μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92 ta được độ nhớt của nước ở 20oC là μ n=1,0 10−3 N.s/m2 Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3

mm Tra bảng IX.8 tài liệu số 3 trang 193 ta được các thông

số sau:

σđ=195m2/m3ρđ=600 kg/ m3

Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạn luyện:

2 Tính tốc độ hơi đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng theo côngthức:

Nội suy theo bảng r-to I.2122 tài liệu số 2 trang 254] với to=99,98oC, ta có:

ra=242,012 kcal/kg = 1013,26.103 (J/kg)

rb=539,02 kcal/kg = 2256,77.103 (J/kg) <Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>

⇒ r’

1=1013,26.103.0,05+(1-0,05) 2256,77.103=2194,6.103 (J/kg)Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đáy :

32.0,01+18.(1-0,01) = 18,14

⇒ GƯW= 6192,72

18 ,14 =341 ,4 (kmol/h)

Ta có: r1=r ' n

=r a y ' n+(1− y' n) rb là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi

Thay vào hệ phương trình (**)ta được:

- Khối lượng riêng trung bình

* Đối với pha hơi

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo côngthức:

ρ ' tb=[y tb2 M1+(1− ytb2) M2] 273

22 , 4 T , kg/m3 (CT IX.102/T183, [3])

Yđ2, yc2- nồng độ đầu và cuối đoạn chưng

Ytb2.M1+(1-ytb2).M2 Phân tử lượng trung bình của đoạn

chưng: 21,64Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn chưng là:

t tb=t F+t W

2 =

99 , 86+99 , 98

2 =99 ,92 oCThay vào công thức tính khối lượng trung bình của hỗn hợp, ta có:

ρ ' ytb=21 ,64.273

22 ,4 (99 ,92+273)=0 ,71 (kg/m3)

* Đối với pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

ρ xtb - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ

trung bình ở đoạn chưng với t=99,92 oC

atb2- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng

Ta có:

ρ xtb2=958 ,056 (kg/m3)

ρ xtb1 , ρ xtb2 - khối lượng riêng trung bình của Metylic, Nước tinh

khiết của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

Nồng độ trung bình của đoạn chưng:

a tb 2=15%+1,5 %

2 =8 ,25 %Thay vào công thức tính khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp, ta có:

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s

μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92 ta được độ nhớt của nước ở 20oC là μ n=1,0 10−3 N.s/m2 Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3

mm Tra bảng IX.8 tài liệu số 3 trang 193 ta được các thông

số sau:

σđ=195m2/m3ρđ=600 kg/ m3

t tb = 99,92oC, μ1=0, 324.10−3 N.s/m2, μ2=0 , 281 10−3 N.s/

m2

Ta có:

lg μ xl=x tb lg μ1+(1−μ2).lg μ2

lg μ xl=0 ,05 lg(0, 324 10−3)+(1−0, 05) lg( 0 ,281 10−3)

⇒μ xl=0 ,283 10−3(N s/m2)Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp là:

Kết luận: ta thấy đường kính đoạn luyện và đoạn chưng gần bằng nhau nên ta

lấy đường kính chung toàn tháp là 0,57 m

III Tính chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định bằng phương pháp đường cong động học

Trong đó:

ΔPP u : tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha cá tốc độ của khí

bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô (N/m2)

ΔPP k : tổn thất áp suất của đệm khô (N/m2)

Gx,Gy : lưu lượng lỏng và hơi (kg/h)

ρx, ρy : khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)

μx,μy : độ nhớt của lỏng và hơi (N.s/m2)

A, m, n, c: hệ số tra theo bảng IX.7 tài liệu số 3 trang 189

A = 5,15

m = 0,342

n = 0,19c=0,038

σ d bề mặt riêng của đệm, lấy σ d=195 (m2/m3)

Vd: thể tích tự do của đệm, lấy Vd=0,75 (m3/m3)

ωy : vận tốc hơi đi trong lớp đệm (m/s)

ρy : khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

a Đoạn luyện.

Chuẩn số Reynon:

rey=[0, 045 Ar 0 , 57 y (G y

μytb : độ nhớt trung bình của hơi ở nhiệt độ trung bình

t tb=91,93 oC, dựa theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 91 ta nội suy độnhớt:

ρ ' ytb=0,71 (kg/m3)

ρ ' xtb=931, 8 (kg/m3)

G x '=4878 ,02 (kg/h)

G ' y=1,4.103 (kg/h)

μ ' ytb : độ nhớt trung bình của hơi ở nhiệt độ trung bình

t tb=99,92 oC, dựa theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 91 ta nội suy độnhớt: