cô đặc bốn nồi xuôi chiều buong dot ngoai kieu dung

Công nghiệp mía đường là một ngành công ngiệp lâu đời ở nước ta. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành, ngành công nghiệp này đã có bước nhảy vọt rất lớn, diện tích mía tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không còn là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp có liên quan 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 phụ phẩm làm nguyên liệu giá rẻ cho ngành sản xuất cồn ... Trong tương lai khả năng này còn có thể phát triển cao 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, hàm lượng đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời. Vì vậy, vấn đề đặt ra là hiệu quả sản xuất phải đảm bảo hiệu suất thu hồi đường là cao nhất. Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, ... 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 vậy, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiệt bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách. Trong đó, nghiên cứu cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất. Beân caïnh ñoù, cuøng vôùi söï phaùt trieån khoâng ngöøng cuûa khoa hoïc vaø coâng ngheä, ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta ñang phaûi ñoái ñaàu vôùi nhöõng thaùch thöùc to lôùn. Vieäc ñaøo taïo nguoàn nhaân löïc treû coù ñöùc coù taøi ngaøy caøng trôû thaønh moät vaán ñeà heát söùc quan troïng vaø khoâng theå thieáu. Ñeå trôû thaønh moät ngöôøi kyõ sö, vieäc giaûi caùc baøi toaùn coâng ngheä hay vieäc thöïc hieän coâng taùc thieát keá maùy moùc, thieát bò vaø daây chuyeàn coâng ngheä laø moät vieäc raát caàn thieát vaø taát yeáu. Chính vì vậy, đề tài đồ án thiết bị là bước khởi đầu làm quen với công việc của các kỷ sư công nghệ thực phẩm trong tương lai.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch

-NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BI

Họ và tên sinh viên: Phan Thị Thu Hương

Lớp: CNTP42A

Ngành: Công nghệ Thực Phẩm

1/ Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống cô đặc bốn nồi xuôi chiều

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

Cô đặc dung dịch đường Saccaroza

2/ Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 18

- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 13

- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) 65

- Ap suất hơi đốt nồi 1 (at): 3

- Ap suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3

3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Đặt vấn đề

- Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế

- Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính

- Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm dungdịch, thiết bị gia nhiệt

- Chương IV: Kết luận

- Tài liệu tham khảo

4/ Các bản vễ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ):

- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh

- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1

5/ Giáo viên hướng dẫn:

Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Nguyễn Văn Toản

6/ Ngày giao nhiệm vụ: 18/10/2011

7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/012/2012

Thông qua bộ môn

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cơng nghiệp mía đường là một ngành cơng ngiệp lâu đời ở nước ta Trong nhữngnăm qua, ở một số tỉnh thành, ngành cơng nghiệp này đã cĩ bước nhảy vọt rất lớn,diện tích mía tăng lên một cách nhanh chĩng, mía đường hiện nay khơng cịn là mộtngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp cĩ liên quan chặt chẽ với nhau.Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành cơng nghiệpnhư bánh kẹo, sữa đồng thời tạo ra phụ phẩm làm nguyên liệu giá rẻ cho ngành sảnxuất cồn

Trong tương lai khả năng này cịn cĩ thể phát triển cao hơn nữa nếu cĩ sự quantâm 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, hàm lượng đường sẽ giảm nhiều và nhanhchĩng nếu thu hoạch trễ và khơng chế biến kịp thời Vì vậy, vấn đề đặt ra là hiệu quảsản xuất phải đảm bảo hiệu suất thu hồi đường là cao nhất Hiện nay, nước ta đã cĩ rấtnhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, nhưng với sự pháttriển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khĩ Bên cạnh đĩ, việc cung cấpmía khĩ khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường cộng với cơng nghệ lạc hậu, thiết

bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất

Vì vậy, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyềnthiệt bị cơng nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách Trong

đĩ, nghiên cứu cải tiến thiết bị cơ đặc là một yếu tố quan trọng khơng kém trong hệthống sản xuất

Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và côngnghệ, ngành công nghiệp nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn.Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức có tài ngày càng trở thành một vấn đềhết sức quan trọng và không thể thiếu Để trở thành một người kỹ sư, việc giảicác bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị vàdây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu Chính vì v ậy, đề tài đồ

án thiết bị là bước khởi đầu làm quen với cơng việc của các kỷ sư cơng nghệ thựcphẩm trong tương lai

Chương 1: TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

- CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1 Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu

Đường là nguyên liệu quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành côngnghiệp chế biến như nước ngọt, bánh kẹo, dược, hoá học, đặc biệt trong đời sống củacon người Thường cung cấp chất dinh dưỡng cho hoạt động sống của con người Dođó ngành công nghiệp sản xuất đường rất phát triển trên thế giới có nhiều nguyênliệu sản xuất đường như mía, củ cải đường… Ở Việt Nam mía là cây phát triển mạnh

ở khí hậu nhiệt đới nên được sử dụng là cây chủ lực sản xuất đường

Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc là nước chè trong (đã được làm sạch, loạibỏ các tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi) có pH = 6,8 – 7; Bx = 13-15% Thành phầnchính của nước chè trong là đường saccharoza một phần nhỏ là các 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 vi sinhvật phát triển nên trong quy trình sản xuất đường, nước mía cần được chứa đựng,vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục

Đường saccharoza không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axit, nó dễ bị biếnđổi thành các đường đơn, các hợp chất có màu làm giảm hiệu suất thu hồi đường vàgiảm giá thành sản phẩm Vì vậy trong quá trình sản xuất, người ta luôn tìm cáchgiảm nhiệt độ vẫn bảo và giảm thời gian dung dịch tiếp xúc với nhiệt độ cao

1.2 Lý thuyết cơ bản của quá trình

1.2.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trongdung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng-lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách mộtphần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn), đĩ các quá trình vật lý và hóa lý

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

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

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp 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 độchất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quátrình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử:

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của cácphân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽthu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, tacần 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 cấpnhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trênbề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khívà lắng keo (protit) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc

1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc

Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, nước trái cây…

Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …

1.2.5.Các thiết bị cô đặc nhiệt

1.2.5.1 Phân loại 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 dể dàng qua bề mặt truyềnnhiệt Gồm:

− Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn tronghoặc 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 truyềnnhiệt 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 phẩmnhư dung dịch nước trái cây, hoa quả ép…Gồm:

− Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôitạo bọt khó vỡ

− Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi íttạo bọt và bọt dễ vỡ

*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 năngsuất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạtđược là không cao

− Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suấtchân 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 nênlớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hayphối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khácđể nâng cao hiệu quả kinh tế

− Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụngđiều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

1.3 Lựa ch ọn phương án thiết kế- Thuyết minh qui trình công nghệ

1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết

bị nói trên ta chọn loại thiết bị phòng đốt ngồi kiểu đứng, sử dụng 4 nồi xuôi chiều liên tục

Ưu điểm của hệ thống:

Dùng hệ thống 4 nồi xuôi chiều liên tục:

+ Có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nồi trước làmhơi đốt của nồi sau

+ Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi trước ra nối sau, do đónhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp

+ Dung dịch di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữacác nồi

+ Do nhiệt độ sơi của nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch của mỡi nồi đều

cĩ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sơi, kết quả là ta cĩ một lượng nhiệt thừa và lượng nhiệtnày sẽ làm bốc hơi cho một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi

Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm:

+ Giảm bớt khoảng cách theo chiều cao giữa buồng bốc và khơng gian hơi, cĩthể điều chỉnh được sự tuần hồn

+ Hồn tồn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa khơng gian hơi

+ Cĩ khả năng sử dụng khơng gian hơi như là một bộ phận phân ly loại ly tâm.+ Cường độ tuần hồn, cường độ bốc hơi lớn

+ Cĩ thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửachửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục

+ Việc xử lý điều khiển khĩ khăn

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Dung dịch ban đầu cĩ nồng độ 13 % được chứa trong thùng chứa ngyên liệu(15) được bơm (16) bơm lên thùng cao vị (1) qua lưu lượng kế sau đĩ vào thiết bị gianhiệt (2) Tại thiết bị gia nhiệt (2) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sơi của nồi(1) Sau đĩ dung dịch được đưa vào buồng đốt ngồi (4), dung dịch đường được đunsơi tạo thành hỡn hợp hơi lỏng đi vào phồng bốc (5) tại đây hơi thứ được tách ra và đilên phía trên, dung dịch quay về buồng đốt (4) theo ống tuần hồn (7), hơi thứ nồi (1)làm hơi đốt cho nồi (2), hơi thứ nồi (2) làm hơi đốt cho nồi (3), hơi thứ nồi (3) làm hơiđốt cho nồi (4), hơi thứ nồi (4) đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ lại cịn lượngkhí khơng ngưng được bơm chân khơng hút ra ngồi sau khi qua thiết bị thu hồi bọt.Dung dịch nồi 1 khi đạt nồng độ chất khơ yêu cầu thì đi ra và làm nguyên liệu cho nồi(2), sản phẩm nồi (2) làm nguyên liệu cho nồi (3), sản phẩm nồi (3) làm nguyên liệucho nồi (4), sản phẩm nồi (4) là sản phẩm của hệ thống cĩ nồng độ chất khơ là 65% vàđược đưa vào bể chứa sản phẩm (13)

Chương 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1.1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Số liệu ban đầu :

- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ) : 18

- Nồng độ đầu của dung dịch (%khối lượng) : 13

- Nồng độ cuối của dung dịch (%khối lượng) : 65

- Áp suất hơi đốt nồi 1 (at) : 3

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at) : 0,3

1.1.1 Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống:

Gđ = Gc + W (1) Trong đó: + Gđ , Gc là lượng dung dịch đầu và lượng dung dịch cuối (kg/h)

+ W lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)

- Viết cho cấu tử phân bố:

Gđ.xđ = Gc.xc + W.xw Trong đó :

xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra khỏi nồi cuối (%khối lượng)Xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:

Gđ.xđ = Gc.xc (2)Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:

)

− (1

=

c

đ X

X

đ

G W

Theo giả thiết ta có: Gđ = 18 Tấn/h = 18.000 Kg/h

d

d G

x

333,373318000

13

− = 16,2 %

Nồi 2: x2 = Gđ

)W( 1 W2G

x d

d

+

)556,3555333

,3733(18000

( 1 W2 W3G

x d

d

++

[ 18000−(3733,333+133555,556+3555,56) ]

= 31,909 %

Nồi 4: x4 = Gđ

)W

( 1 W2 W3 W4G

x d

d

+++

1440018000

13

− = 65 %

1.2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

1.2.1.Xác định áp suất trong mỗi nồi

Gọi P1,P2 P3,P4,Pnt:là áp suất của nồi 1,2, 3, 4 và thiết bị ngưng tụ

∆P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

∆P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với nồi 3

∆P3: hiệu số áp suất của nồi 3 so với nồi 4

∆P4 hiệu số áp suất của nồi 4 so với thiết bị ngưng tụ

∆P: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 hoà

∆P 3= P3 - P4 => P4 = P3 - ∆P3 = 1,5 - 0,65 = 0,85 at

∆P4 = 0,55 at

1.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi

Gọi: thđ1, thđ2, thđ3, thđ4 , tnt: là nhiệt độ đi vào nồi 1,2, 3, 4, thiết bị ngưng tụ

tht1, tht2 , tht3, tht4: là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1,2,3, 4

Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C

từ nồi 2 sang nồi 3 là 10C

từ nồi 3 sang nồi 4 là 10C

tht1 = thđ2 + 1

tht2 = thđ3 + 1

tht3 = thđ4 + 1

tht4 = tng + 1

Tra bảng I.250 ST QTTB T1 / trang 312, I.251 ST QTTB T1 / trang 314

Từ các số liệu trên ta có được bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ như sau:

Bảng 2.1

P(at) t(0c) P(at) t(0c) P(at) t(0c) P(at) t(0c) P(at) t(0c)Hơi đốt 3 132,9 2,2 122,259 1,5 110,516 0,85 94,599 0,3 68,7Hơi thứ 2,248 123,259 1,541 111,516 0,882 95,599 0,314 69,7

1.2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi

1.2.3.1 Tổn thất nhiệt 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 chấtgọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

∆

Trong đó:

Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất, oK

∆'o: tổn thất nhiệt độ do áp suất thường (áp suất khí quyển) gây ra.

r: nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc, J/kg

Tra đồ thị, Hình VI.2, STQTTB,T2/trang 60

1 1

273

2 , 16 ' '

r

t ht o

10.827,2198

273259,123.2,1611,

2 2

273

2 , 16 ' '

r

t ht o

)273516,111(2,16397,0

3 3

273

2 , 16 ' '

r

t ht o

)273599,95(2,1658,0

* Với nồi 4:

( )

2

2 2

2 2

273

2 , 16 ' '

r

t ht o

)27369,7(2,169,3

=

∆+

∆+

∆+

∆

=

∆

⇒ ' '1 '2 '3 '4 0,127+0,426+ 0,562+ 3,179= 4,295 oC

1.2.3.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (∆ '')

Áp suất dung dịch thay đổi theo chiều sâu của lớp dung dịch: ở trên bề mặt thìbằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất trên mặt cộngvới áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống Trong tính toán, ta thường tínhtheo áp suất trung bình của dung dịch:

Ptb= Po+ (h1+

22

h

)dds.g ,( N/m2 )

Hay Ptb= Po+ (h1+

22

Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệtđến mặt thoáng của dung dịch, m (chọn h1= 0,5 m cho cả 2 nồi)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt, m Chọn h2= 4 m cho cả 2 nồi

dds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

21 ,

81,9.105,533

534 ,

81,9.767,544

(tra bảng I.86 STQTTB,T1/trang 58)

165 ,

81.9.082,569

(tra bảng I.86 STQTTB, T1/trang 58)

66 ,

81,9.33,659

= 0,479 at

⇒ttb4 = 79,736 0C (tra bảng I.251 STQTTB, T1/trang 314)

Mà ∆ '' 4= ttb4 – tmt4

691,19''''

2.4.Cân bằng nhiệt lượng

2.4.1.Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)

Ta có:

C = 4190 – ( 2514 – 7,542.t).x , J/kg.độ

Trong đó: t : nhiệt độ sôi của dung dịch, (0C)

x: nồng độ dung dịch, (%)

2.4.2.Tính nhiệt lượng riêng

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

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

(tra bảng I.249 STQTTB,T1/trang 310,bảng I.250STQTTB,T1/trang 312)

Bảng 2.4

t(oC) I.10

3(J/kg)

Cn(J/kgđộ) t(

oC) i.10

3(J/kg)

C(J/kg độ) ts(

2.4.3 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi : D1, D2, D3, D4 :là lượng hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3, 4 (kg/h)

+ Gđ, Gc :lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)

+ W1,W2, W3,W4: lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, 2, 3, 4 (kg/h)

+ Cđ, Cc : nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối (J/kg độ)

+ tđ, tc : nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C)

+ I1, I2, I3, I4: Hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1, 2, 3, 4 (J/kg)

+ i1, i2, i3, i4: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, 2, 3, 4 (J/kg)

+ Cn1,Cn2, Cn3,Cn4: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, 2, 3, 4 (J/kg độ) +θ1,θ2,θ3,θ4: Nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1, 2, 3, 4 (0C)

+ Qtt1, Qtt2, Qtt3, Qtt4: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1,2, 3, 4(W)

Nhiệt lượng vào:

Nồi 1:

+ Do hơi đốt mang vào: D1.I1

+ Do dung dịch mang vào: Gđ.Cđ.tđ

Nồi 2:

+ Do hơi thứ mang vào (hơi thứ nồi 1): W1.i1

+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ –W1).C2.ts1

Nồi 3:

+ Do hơi thứ mang vào (hơi thứ nồi 2): W2.i2

+ Do dung dịch ở nồi 2 mang vào: (Gđ-W1- W2)C3ts2Nồi 4:

+ Do hơi thứ mang vào (hơi thứ nồi 3) : W3.i3

+ Do dung dịch ở nồi 3 mang vào : (Gđ-W1- W2 –W3)C4ts3

Nhiệt lượng ra:

Nồi 1:

+ Do hơi thứ mang ra: W1.i1

+ Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1).C1.ts1

+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: D1.Cn1.θ1

+ Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D1(I1-Cn1θ1 )

Nồi 2:

+ Do hơi thứ mang ra: W2i2

+ Do dung dịch mang ra: (Gđ- W1- W2)C2ts2

+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: W1Cn2θ2

+ Do tổn thất chung: Qtt2=0,05W1 (i1 -Cn2θ2)

Nồi 3:

+ Do hơi thứ mang ra: W3i3

+ Do dung dịch mang ra: (Gđ-W1-W2- W3)C3ts3

+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: W2Cn3θ3

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

556,3555569

556,3555478

539,3428556

−

d

d G

x

= 18000 [ 18000−133698,414 ]

= 16,362 %

x2 = Gđ

2

1-W

W G

x d

=

−

−

2 1

2 1

θ

Trong đó : t1, t2 là nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là µ1,µ2

θ1,θ2 nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt làµ1,µ2

* Nồi 1:

Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ là X1= 16,313 %

Chọn t1= 85 oC, ta có µ1= 0,428 10-3 N.s/m2⇒ θ1 = 66,217 0C

t2= 95 oC, ta có µ2= 0,3669 10-3 N.s/m2⇒ θ2= 77,702 0C

Traµ1,µ2 dựa vào bảng I.112,STQTTB,T1/trang 114

Traθ1,θ2 dựa vào bảng I.102,STQTTB,T1/trang 94.

702,77217,66

95852

t t

95-124,672

85752

t t

85-114,0852

2

θ

t t

75-99,7322

M C

dd

ρρ

λ = (W/m.độ) ( công thức I.32 STQTTB T1/trang 123)Với :

A:hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)

ρ: khối lượng riêng (kg/m3)

M: khối lượng mol của chất lỏng

i đ

i dd i i

M M

M m

2

x1x

x

−+

%362,

%362,16

−

⇒ M1= 0,01.342 + (1-0,01).18 = 21,302

⇒ λ1= 3,58.10 -8 .3943,426.1066,426.3

302,21

%337,

%337,21

%909,

%909,31

%

65 342

%65

04,2

t H

r A

∆

=

α (công thức V.100 STQTTB T2/trang 28)

Với r : ẩn nhiệt ngưng (J/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H= 4 m)

4 2

µ

λρ

(tra STQTTB,T2/trang 29) ta có: A1= 191,803

Từ thđ1 = 132,9 oC ta có r1= 2170,88.103 J/kg (tra bảng I.250 STQTTB, T1/trang312)

2 11

11 11

2 4

3 11

/363,551845

,0.029,12263

./029,1226345

,0.4

102170,88

.191,803

04,2

m W t

q

đô m W

Nồi 2: Chọn ∆t12 = 0,359 oC

⇒tT12 = thd2 - ∆t12 = 122,259 – 0,359 = 121,9 oC

⇒ tm2 = 0,5(121,9+122,259) = 122,08 oC

Tra STQTTB,T2/trang 29 ta có: A2= 188,624

Từ thđ2 = 122,259 oC, ta có r2 = 2201,126.103 J/kg (tra bảng I.250 STQTTB, T1/trang312)

2 12

12

12

2 4

3 12

/914,4596359

,0.775,12804

./775,12804359

,0.4

102201,126

.188,624

04

,

2

m W t

q

đô m W

2 13

13 13

2 4

3 13

/45,532045

,0.222,11823

./222,1182345

,0.4

10.659,2232 631,183.04,2

m W t

q

đô m W

Tra STQTTB,T2/trang 29 ta có: A4= 176,192

Từ thđ4 = 94,599 oC, ta có r4 = 2273,962.103 J/kg (tra bảng I.250 STQTTB, T1/trang 312)

2 14

14 14

2 4

3 14

/458,495643

,0.646,11526

./646,1152643

,0.4

10.2273,962192

,176.04,2

m W t

q

đô m W

3.3.2.Về phía dung dịch sôi (α2)

565 , 0

2

2 2

d n

d n

ρλ

λ , , , lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng

và độ nhớt của dung dịch

n n n

Trong đó : r1 : nhiệt trở do lớp nước ngưng

r2 : nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám trên thành ống

δ : bề dày ống truyền nhiệt (δ = 2 mm)

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

r3 : nhiệt trở qua lớp vật liệu

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 có λ = 50 W/m.độ (tra bảng XII.7,STQTTB, T2/313)

Chọn: r1 = 0,232.10-3 m2.độ/W; r3 = 0,387.10-3 m2.độ/W

50

210.232,

3 2

565 , 0 1

10.249,0

10.213,0115,4272

447,3943266

,932

426,1066.683

331,5457363

331,5457363

,55182

21 11

3 2

565 , 0

10.235,0421,4251

377,3839363

,942

31,1090

22 t 930,255.4,785 4450,943W/m

Nên ta có:

η2= 100%

914,4596

943,4450914

943,4450914

,45962

22 12

3 2

565 , 0 2

10.765,0

10.271,0513,4226

345,3630693

,954

37,1131

121,517445

,

5320 −

= 2,75 % < 5 %Vậy nhiệt tải trung bình là:

286,52472

121,517445

,53202

22 12

3 2

565 , 0 4

10.872,1

10.356,0832,4194

789,2946926

,971

66,1318

458,4956814

458,4956814

,51312

24 14

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

Xem hệ số truyền nhiệt trong các nồi là như nhau: F1= F2, khi đó nhiệt độ hữu íchtrong các nồi được tính:

i

Ki Qi Ki

Qi i

1

(công thức VI.20, STQTTB, T2/trang 68)

Trong đó: ∆thi : nhiệt độ hữu ích trong các nồi

Qi : lượng nhiệt cung cấp

Qi =

3600

.i

i r D

(W/m2)

Di : lượng hơi đốt mỗi nồi

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi

Ki : hệ số truyền nhiệt

2 1

11

(W/m2.độ)

= 2398697,359 W/m2

758,6661317,612

110

.659,0029,122631

11

1

1

3 21

11

++

=+

= 2260760,966 W/m2

764,551930,255

110

.659,0775,128041

11

1

1

3 22

12

++

=+

= 2274515,044 W/m2

676,484757,947

110

.659,0222,118231

11

1

1

3 23

13

++

=+

044,22745153

= 2273827,727 W/m2

249,342459,602

110

.659,0646,115261

11

1

1

3 24

14

++

=+

727,22738274

3 2

2 1

1

4

Q K

Q K

Q K

Ta có hiệu số nhiệt độ có ích cho toàn bộ hệ thống là ∑∆t hi= 42,052 oC

Nhiệt độ hữu ích của từng nồi là:

Nồi 1:

∆thi1 = 42,052 7,949

526,19031

553,

Nồi 2:

∆thi2= 42,052 9,054

526,19031

336,

Nồi 3:

∆thi3= 42,052 10,369

526,19031

854,

Nồi 4:

∆thi4= 62,709 14,68

526,19031

782,

.100% = 3,413 % < 10 %

- Nồi 2: η2=

054,9

174,8054,

.100% = 9,710 % < 10 %

- Nồi 3: η3=

784,10

369,10784,

.100% = 3,847 % < 10 %

- Nồi 4: η4=

864,14

68,14864,

.100% = 1,234 % < 10 %Như vậy các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 10 % Như vậy kết quả cuốicùng có thể chấp nhận được

Vậy thực tế bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là:

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 1:

568,452949,7.758,666

92398697,35 1

Q

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 2:

568,452054551,764.9,

62260760,96 2

Q

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 3:

568,452,369484,676.10

42274515,043

3

Q

- Bề mặt truyền nhiệt của nồi 4:

72273827,72 4

Q

Như vậy dựa vào F1,F2,F3, F4 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc 4 nồi có diện tíchtruyền nhiệt bằng nhau và bằng 452,568 m2

568,452

Chọn n = 1141 ống

Chọn cách xếp ống theo hình sáu cạnh

Số hình sáu cạnh là 19

Số ống trong tất cả các viên phân là: b= 39 ống

3.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt

3.2.2 Chiều cao buồng bốc

Thể tích không gian hơi được xác định:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/h)

h

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

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

Theo CT VI.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

Thường thì utt=1600-1700 m3/m3.h

Chọn utt = 1600

Chiều cao không gian hơi: 2

.4

t

kgh kgh

D

V H

⇒1= 1,234 kg/m3 (tra bảng I.250, STQTTB, T1/trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 0,94 (VI.3, STQTTB, T2/trang72)

Vậy : utt = 0,94.1600 = 1504 m3/m3h

W.u 1,3698,414234.1504

tt ht1

=0,525 m

Nồi 2:

Pht2 = 1,541 at

tht2 = 111,516 oC

⇒2 = 0,867 kg/m3 (tra bảng I.250, STQTTB, T1/trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 0,995 (VI.3, STQTTB, T2/trang72)

Vậy : utt = 0,995.1600 = 1592 m3/m3h

W.u 03668,569,867.1592

tt ht2

= 0,699 m

Nồi 3:

Pht3 = 0,882 at

tht3 = 95,599 oC

⇒3 = 0,515 kg/m3 (tra bảng I.250, STQTTB, T1/trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 0,97 (VI.3, STQTTB, T2/trang72)

Vậy : utt = 0,97.1600 = 1552 m3/m3h

u 03604,478,515.1552

tt 3

3

ht kgh

W V

Hkgh=3,14.2,82

509,4.4

= 1,187 m

Nồi 4:

Pht4 = 0,314 at

tht4 = 69,7 oC

⇒4 = 0,196 kg/m3 (tra bảng I.250, STQTTB, T1/trang 312)

Tra đồ thị, ta được f = 1,535 (VI.3, STQTTB, T2/trang72)

Vậy : utt = 1,535.1600 = 2456 m3/m3h

W.u 03428,539,196.2456

tt ht4

s V

619,0.105,1

Chọn d =250 mm (theo bảng XIII.26, STQTTB, T2/trang 409)

Nồi 2:

s

kg /

027,13600

838,0.027

194,1.019

015,2.001

Đường kính ống dẫn hơi thứ nồi 1, bằng đường kính ống dẫn hơi đốt nồi 2

Đường kính ống dẫn hơi thứ nồi 2, bằng đường kính ống dẫn hơi đốt nồi 3

Đường kính ống dẫn hơi thứ nồi 3, bằng đường kính ống dẫn hơi đốt nồi 4

539,34283600

W

20

785

,

0

304,

G

Giả sử dung dịch ban đầu có nhiệt độ t = 25 oC và xđ = 13 %

(tra bảng I.85, STQTTB, T1/trang 57) ta có:

ρ= 1049 kg/m3⇒v =

ρ

1

=1049

1

= 0,953.10-3 m3/kgChọn w = 1 m/s

5,0.785

,

0

100,953

=

Chọn d=125 mm, dn = 133 mm (tra bảng XIII.26, STQTTB, T2/trang 409)

3.3.3.2 Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 1

3600

180003600

1

= 0,962.10-3 m3/kg

⇒d 0,111m

5,0.785,0

105.0,962 3

=

Chọn d = 125 mm, dn = 133 mm (tra bảng XIII.26, STQTTB, T2/trang 409)

3.3.3.3 Từ nồi 1 vào nồi 2

3600

3698,414-

180003600

W-G

101