tính toán thiết kế hệ thống cô đặc nước cam 1 tấn trên giờ.tính cân bằng vật chất và năng lượng, tính thiết bị chính, thiết bị phụ,tính hệ thống ngưng tụ barometthuyết minh quy trình sản xuất....................................................................................................................
Trang 1MỤC LỤC
MỤC LỤC i
PHỤ LỤC HÌNH v
PHỤ LỤC BẢNG vi
LỜI NÓI ĐẦU vii
QUY ƯỚC ĐỌC TÀI LIỆU viii
Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Giới thiệu về nguyên liệu cam 1
1.1.1Thành phần dinh dưỡng của cam 1
1.1.2 Tính chất của nước cam nguyên liệu 2
1.2 Khái quát về cô đặc 3
1.2.1 Định nghĩa 3
1.2.2 Phương pháp cô đặc 3
1.2.3 Bản chất của cô đặc bằng nhiệt 4
1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc 4
1.3 Một số thiết bị cô đặc chủ yếu 4
1.3.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 4
1.3.2 Thiết bị cô đặc loại phòng đốt treo 4
1.3.3 Thiết bị cô đặc loại phòng đốt ngoài 5
1.3.4 Thiết bị cô đặc loại có ống tuần hoàn cưỡng bức 5
1.3.5 Thiết bị cô đặc loại màng 5
1.3.6 Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng 5
1.3.7 Thiết bị cô đặc loại roto 5
1.2 Thiết bị cô đặc loại màng 5
1.3 Nhiệm vụ của đồ án 6
2.1 Sơ đồ quy trình 7
2.2 Thuyết minh quy trình cô đặc nước cam 7
Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 9
3.1 Yêu cầu của đề tài 9
3.2 Cân bằng vật chất 9
3.2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc lên 9
3.2.2 Suất lượng tháo liệu 9
3.3 Cân bằng nhiệt lượng 9
3.3.1 Xác định nhiệt độ và áp suất 9
3.3.2 Xác định tổn thất nhiệt độ 10
a) Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 10
b) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh 10
Trang 2c) Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống 11
d) Tổn thất chung cho toàn hệ thống và hiệu số nhiệt độ hữu ích 11
3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng 11
a) Tính nhiệt dung riêng của dung dịch 11
b) Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 12
Chương 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 14
4.1 Nhiệt tải phía hơi ngưng (q1) 14
4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2) 14
4.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv) 16
4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng 16
4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 17
4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 17
Chương 5: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 18
5.1 Tính buồng đốt 18
5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị 18
5.1.2Thể tích dung dịch cuối 18
5.1.3Tính chọn đường kính buồng đốt 18
a) Tính chọn số ống truyền nhiệt 18
b) Đường kính buồng đốt 20
5.2 Tính kích thước buồng bốc 20
5.2.1 Tính chọn kích thước buồng bốc 20
5.2.2 Tính vận tốc hơi (hmax) và vận tốc lắng (0) 21
5.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu 22
5.3.1 Ống nhập liệu 22
5.3.2 Ống tháo liệu 23
5.3.3 Ống dẫn hơi đốt 23
5.3.4 Ống dẫn hơi thứ 23
5.3.5 Ống dẫn nước ngưng 23
CHƯƠNG 6: TÍNH CƠ KHÍ 24
6.1 Tính buồng đốt 24
6.1.1 Sơ lược cấu tạo 24
6.1.2 Tính thân buồng đốt 24
a) Tính bề dày tối thiểu S’ 24
b) Bề dày thực S 25
c) Tính bền cho các lỗ 25
6.2 Tính buồng bốc 26
6.2.1 Sơ lược cấu tạo 26
Trang 36.2.2 Tính thân buồng bốc 26
a) Xác dịnh chiều cao phần trụ buồng bốc 26
b) Thông số làm việc 26
c) Tính bề dày buồng bốc 26
6.3 Nắp và đáy thiết bị 29
6.3.1 Nắp 29
a) Sơ lược cấu tạo 29
b) Bề dày thực S 29
c) Tính bền cho các lỗ 30
6.3.2 Đáy 31
a) Sơ lược cấu tạo 31
b) Tính bề dày đáy 31
6.4 Vỉ ống 32
6.4.1 Sơ lược cấu tạo 32
6.4.2 Bề dày của vỉ ống 32
6.5 Bích – bulông 33
6.5.1 Bích 33
6.5.2 Bulông ghép bích 33
6.6 Tai treo 34
6.6.1Tổng khối lượng của nồi cô đặc 34
a) Khối lượng dung dịch 35
b) Tính khối lượng thiết bị 35
6.6.2 Tải trọng tác dụng lên 1 tai treo 36
6.7 Kính quan sát 36
6.8 Bọc cách nhiệt cho thiết bị 36
6.8.1 Bọc cách nhiệt cho buồng đốt 36
6.8.2 Bọc cách nhiệt cho buồng bốc 37
Chương 7: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 38
7.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 38
7.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ 38
7.1.2 Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 38
7.1.3 Các kích thước của thiết bị ngưng tụ Baromet 39
a) Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ Baromet 39
b) Kích thước tấm ngăn 39
c) Chiều cao thiết bị ngưng tụ 40
d) Kích thước ống Baromet 41
7.2 Bơm chân không 43
Trang 47.3 Thùng cao vị 44
7.3.1 Xác định hệ số ma sát trong ống 44
7.3.2 Tổn thất áp suất trong đường ống 45
7.4 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ 45
7.4.1 Xác định cột áp của bơm 46
7.4.2 Xác định hệ số ma sát trong ống 46
7.5 Bơm nhập liệu 47
7.5.1 Xác định cột áp của bơm 47
7.5.2 Xác định hệ số ma sát trong ống 48
7.6 Bơm tháo liệu 49
7.6.1 Xác định hệ số ma sát trong ống 49
7.6.2 Tổn thất áp suất 50
KẾT LUẬN 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53
Trang 5PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1: Thiết bị cô đặc loại màng 6 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình cô đặc 7 Hình 3.1: Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 12
Trang 6PHỤ LỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng của cam 2
Bảng 3.1: Bảng nhiệt độ và áp suất của hơi đốt sử dụng và hơi thứ trong buồng bốc 10
Bảng 4.1: Bảng số liệu theo nồng độ dung dịch 15
Bảng 4.2: Hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng 17
Bảng 5.1 Kích thước nồi cô đặc 22
Bảng 5.1: Số liệu đường kính các ống 23
Bảng 6.1: Thông số của bích 33
Bảng 6.3: Bảng thông số thiết bị 36
Bảng 6.4: Thông số của tai treo 36
Bảng 7.1: Thiết bị ngưng tụ Baromet 43
Bảng 7.2: Thông số các thiết bị phụ 51
Trang 7LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghệ thực phẩm nói riêng ở nước ta đang đối đầu với nhiều thách thức lớn Việc đào tạo nguồn nhân lực có tay nghề và trình độ cao đang là nhu cầu cấp bách, nó ngày càng trở thành một vấn đề quan trọng
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm ba, học phần đồ án quá trình và thiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của ngành công nghệ thực phẩm Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng
“Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam một nồi loại màng với năng suất 1 tấn/h” là đồ
án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.s Trần Thị Thùy Linh, bộ môn Quá trình
và Thiết bị, khoa CNTP- CNSH trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Cần Thơ Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về quá trình cô đặc và cô đặc nước cam, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng,
sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu Trong quá trình thực hiện đề tài này, nhóm hiểu được việc thiết
kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm Do đó, để trở thành một người kỹ sư thực thụ, sinh viên cần phải nắm vững các kiến thức về môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với một kỹ
sư trong tương lai
Nhóm xin chân thành cảm ơn cô Trần Thị Thùy Linh cũng như các thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết bị đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn nhóm trong quá trình thiết kế
và hoàn thành đồ án của nhóm
Trang 8QUY ƯỚC ĐỌC TÀI LIỆU
Tài liệu tham khảo được ký hiệu dưới dạng X, [A – B]
Trong đó:
- X: phần đối tượng đang chọn
- A: là số thứ tự sắp xếp tài liệu tham khảo
1: Sổ tay Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất- tập 1
2: Sổ tay Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất- tập 2
3: Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí
4: Các Quá trình Thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 3
5: Các Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm tập 5
6: Các Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm tập 10
7: Các Quá trình Thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 1
8: Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối
- B: là giá trị số trang chứa đối tượng được chọn
Ví dụ: Công thức VI.14, [2 – 60] có nghĩa là chọn công thức VI.14, Sổ tay Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Trang 60
Trang 9Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nguyên liệu cam
Cam là loài cây ăn quả cùng họ với bưởi Nó có quả nhỏ hơn quả bưởi, vỏ mỏng, khi chín thường có màu da cam, có vị ngọt hoặc hơi chua Loài cam là một cây lai được trồng từ xưa, có thể lai giống giữa loài bưởi và quýt Đây là cây nhỏ, cao đến khoảng 10 m, có cành gai và lá thường xanh dài khoảng 4 - 10cm Cam bắt nguồn
từ Đông Nam Á, có thể từ Ấn Độ, Việt Nam hay miền nam Trung Quốc
Cam được trồng rộng rãi ở những nơi có khí hậu ấm áp, và vị cam có thể biến đổi
từ ngọt đến chua Cam thường lột vỏ và ăn lúc còn tươi, hay vắt lấy nước Vỏ cam dày,
có vị đắng, thường bị vứt đi nhưng có thể chế biến thành thức ăn cho súc vật bằng cách rút nước bằng sức ép và hơi nóng Nó cũng được dùng làm gia vị hay đồ trang trí trong một số món ăn Lớp ngoài cùng của vỏ có thể được dùng làm "zest" để thêm hương vị cam vào thức ăn Phần trắng của vỏ cam là một nguồn pectin
để làm chất tẩy dầu mỡ và tẩy rửa nói chung Chất tẩy rửa từ tinh chất cam hiệu quả, thân thiện với môi trường, và ít độc hại hơn sản phẩm cất từ dầu mỏ, đồng thời có mùi
dễ chịu hơn
1.1.1 Thành phần dinh dưỡng của cam
Trung bình với mỗi 100g quả cam chứa 87,6g nước, 1.104 microgram Carotene – một loại vitamin chống oxy hóa, 30mg vitamin C, 10,9g chất tinh bột, 93mg kali, 26mg canxi, 9mg Magnesium, 0,3g chất xơ, 4,5mg natri, 7mg Chromium, 20mg phốt pho, 0,32mg sắt và giá trị năng lượng là 48 Kcal
Chất xơ: Cam chứa rất nhiều chất xơ Một trái cam (184 g) có chứa khoảng 18% dinh dưỡng chất xơ cần thiết cho cơ thể hàng ngày Chất xơ được tìm thấy trong cam như pectin, cellulose, hemicellulose và lignin Chúng có tác dụng rất lớn trong việc cải thiện sức khỏe, cải thiện chức năng của hệ tiêu hóa và nuôi dưỡng các vi khuẩn có ích Chất xơ cũng có thể thúc đẩy giảm cân và mức cholesterol thấp
Axit citric: Cam và những loại trái cây cùng họ khác có nhiều chất acid citric và xitrat, khiến chúng có vị chua Nghiên cứu chỉ ra rằng axit xitric và xitrat trong cam có
Trang 10thể giúp ngăn ngừa hình thành sỏi thận Cam rất giàu các chất chống oxy hóa, mà những chất này lại mang lại nhiều lợi ích sức khỏe cho con người.
Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng của cam
Thành phần Chất dinh dưỡng (100g trái cây)
1.1.2 Tính chất của nước cam nguyên liệu
Trong quả cam, sacharose chiếm khoảng 2/3 khối lượng, tinh thể đường trong suốt, không màu, nhiệt dộ nóng chảy là 186 – 188oC Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy, đường sẽ biến thàng dạng sệt Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đun ở nhiệt
độ cao, đường sẽ mất nước rồi phân hủy và biến thành caramen Độ nhớt dung dịch tăng theo chiều tăng nồng độ Yếu tố quan trọng có tác dụng bảo quản trong nước cam
là độ đường khá cao và độ acid tương đối cao
Do dung dịch đường sacharose không chịu được nhiệt độ cao (thành phần trong dịch quả dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của nhiệt) nếu đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ
đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp
Trang 111.2 Khái quát về cô đặc
1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là quá trình hóa hơi của dung dịch (dung dịch là hỗn hợp giữa dung môi
và chất hòa tan trong dung môi Đây là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở dạng hơi Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có sự chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi) Đó là quá trình vật lý - hóa lý
Cô đặc là phương pháp thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học
và thực phẩm với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất hoà tan trong dung dịch (làm đậm đặc)
- Tách các chất hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)
- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)
- Lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân làm lạnh
Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị Cô đặc 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 thì ta dùng thiết bị kín Quá trình cô đặc có thể làm việc gián đoạn hay liên tục, có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi
Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:
- Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng
- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hoà, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…), bằng dòng điện …
- Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức
- Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm…
1.2.2 Phương pháp cô đặc
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 tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích) dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho cô đặc
Trang 12- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ để sử dụng hơi thứ của dung dịch cho các quá trình khác
- Còn cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả kinh tế không cao
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách
ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và tính chất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh
1.2.3 Bản chất của cô đặc bằng nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử lỏng gần mặt thoáng hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ khắc phục lực liên kết
ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu do các bọt khí quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phân tử trên bề mặt và dưới đáy tạo ra sự tuần hoàn tư nhiên trong nồi cô đặc
1.2.4 Ứng dụng của sự cô đặc
Cô đặc được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống Trong sản xuất thực phẩm ta cần cô đặc các dung dịch như NaOH, NaCl, CaCl2 Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất thực phẩm điều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu
để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một thiết bị gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với mọi hoạt động của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện một thiết bị cô đặc hiệu quả là tất yếu Nó đòi hỏi phải
có một thiết bị hiện đại đảm bảo an toàn và hiệu quả cao
1.3 Một số thiết bị cô đặc chủ yếu
1.3.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm
Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch, nhưng có nhược điểm là vận tốc tuần hoàn bị giảm nên hệ số truyền nhiệt thấp
Nhược điểm: thiết bị loại này dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng, cặn
1.3.2 Thiết bị cô đặc loại phòng đốt treo
Ưu điểm: vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng
Nhược điểm: cấu tạo phức tạp và kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn
Trang 131.3.3 Thiết bị cô đặc loại phòng đốt ngoài
Ưu điểm: kiểu đứng có các ống truyền nhiệt dài đến 7 m nên cường độ tuần hoàn lớn do đó cường độ bốc hơi lớn Đôi khi người ta ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa chữa đểm đảm bảo quá trình làm việc liên tục Kiểu nằm có cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hoàn ở giữa phòng đốt treo, dễ dàng tháo phòng đốt để sữa chữa và làm sạch Nhược điểm: tốn nhiều chi phí
1.3.4 Thiết bị cô đặc loại có ống tuần hoàn cưỡng bức
Ưu điểm: có hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 – 4 lần và có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 – 5oC) vì cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào hiệu suất bơm, tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có
độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện Ngoài ra, tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau (như loại phòng đốt ngoài, phòng đốt treo)
Nhược điểm: tốn năng lượng để bơm, thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn
1.3.5 Thiết bị cô đặc loại màng
Ưu điểm: áp suất thủy tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thủy tĩnh bé
Nhược điểm: loại này là khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh cho áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi, không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh
1.3.6 Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng
Ưu điểm: có tốc độ tuần hoàn tương đối lớn 3 m/s trong lúc đó ở các loại thiết bị
có tuần hoàn tự nhiên khác tốc độ tuần hoàn chỉ đạt 1 – 1,5 m/s Mặt khác, dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên bề mặt truyền nhiệt ít bị bám cặn
Nhược điểm: thiết bị loại này thích hợp với các dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch nhớt
1.3.7 Thiết bị cô đặc loại roto
Ưu điểm: cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo và dùng để cô đặc loại dung dịch dạng keo, đặc sệt
Nhược điểm: cấu tạo và gia công phức tạp, giá thành cao do cần bộ phận chuyển động quay
1.2 Thiết bị cô đặc loại màng
Trong thiết bị cô đặc loại màng dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên Phòng đốt 1 (Hình 1.1) là một thiết bị truyền
Trang 14nhiệt ống chùm dài 6 – 9 m, hơi đốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào đáy thiết bị chứa khoảng 1/4÷ 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống di từ dưới lên với vận tốc rất lớn (≈ 20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết
Thiết bị cô đặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp Nếu mức chất lỏng cao quá hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì vận tốc chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp, bề mặt truyền nhiệt của ống ở phía trên sẽ bị khô (vì dung môi bốc hơi hết), khi đó quá trình cấp nhiệt phía trong ống sẽ là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải lỏng do đó hiệu quả truyền nhiệt sẽ giảm đi nhanh chóng Thường mức chất lỏng thích hợp xác định bằng thực nghiệm
1.3 Nhiệm vụ của đồ án
Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước cam 1 tấn/giờ
Số liệu ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: 1 tấn/giờ
- Nồng độ đầu: 10% (w/w)
- Nồng độ cuối: 30% (w/w)
- Nhiệt độ nhập liệu: 30 oC
- Áp suất hơi đốt: 310 kPa
- Áp suất ngưng tụ: 30 kPa
- Loại thiết bị: cô đặc loại màng
Hình 1.1: Thiết bị cô đặc loại màng
Trang 15Chương 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH 2.1 Sơ đồ quy trình
1: Thùng chứa, 2: bơm, 3: thùng cao vị, 4: lưu lượng kế, 5: thiết bị gia nhiệt, 6: nồi cô đặc, 7: bơm, 8: thùng
chứa, 9: thiết bị ngưng tụ, 10: bộ phận thu hồi bọt, 11: ống baromet
Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm vào thùng cao vị 3, sau đó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5 Ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khí không ngưng đi qua phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet 11 ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 rồi vào bơm hút chân không Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa 8
2.2 Thuyết minh quy trình cô đặc nước cam
Dung dịch nước cam có nồng độ đầu 10 % ở 30oC từ bồn chứa nguyên liệu được
2 bơm mắc song song bơm qua lưu lượng kế lên qua thiết bị gia nhiệt, lưu lượng luôn đảm bảo là 0,962 m3
/h Tại thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đun nóng đến 70oC bằng hơi nước bão hào có nhiệt độ là 134,9oC (3,2 at) lấy từ lò hơi
Sau đó, dung dịch tiếp tục chảy vào nồi cô đặc Tạo đây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 30% nhờ hơi đốt là hơi bão hòa 134,9 oC, được cất từ lò hơi như thiết bị gia nhiệt (lượng hơi đốt cần sử dụng là 781,6 kg/h) Đây là thiết bị cô đặc loại màng, đường kính buồng đốt là 0,6m, chiều dài ống truyền nhiệt 5m, đường kính ống là
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình cô đặc
Trang 160,038m, đường kính buồng bốc là 1m, chiều cao buồng bốc là 2m Nhiệt độ sôi của
dung dịch trong nồi cô đặc là 70,44oC, áp suất của hơi thứ là 0,314at Vì đây là thiết bị
cô đặc dạng màng nên ta phải thiết kế thêm một chén phân phối lỏng hàn trên vỉ ống có
đường kính 0,1m, để tạo điều kiện cho dung dịch nước cam có thể chảy màng trong
ống truyền nhiệt Dung dịch sau khi được cô đặc đến nồng độ 30% được bơm khỏi nồi
cô đặc vào bồn chứa sản phẩm Ở đáy nồi cô đặc có lắp một đầu dò để kiểm tra nồng
độ của dung dịch sau khi cô đặc Nếu dung dịch chưa đạt đến nồng độ cần thiết thì sẽ
được bơm trở lại nồi cô đặc để cô đặc tiếp
Lượng hơi thứ trong nồi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet với đường kính
thiết bị 0,3m, chiều cao 4m, số ngăn là 8, áp suất trong thiết bị ngưng tụ là 0,3at Phần
hơi không ngưng được đưa qua thiết bị tách lỏng rồi được hút ra ngoài bằng bơm chân
không Nước cung cấp cho thiết bị ngưng tụ baromet được bơm trực tiếp từ bể nước
sạch, nhiệt độ của nước là 30oC
Phần khí không ngưng của thiết bị gia nhiệt, nồi cô đặc được thải bỏ Còn nước
ngưng thì được dẫn qua các bẫy hơi rồi đến bể chứa nước để đưa về lò hơi
Trang 17Chương 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 Yêu cầu của đề tài
- Dung dịch nước cam
- Năng suất nhập liệu: Gđ = 1tấn/giờ = 1000kg/h
- Nồng độ đầu: xđ = 10% (khối lượng)
- Nồng độ cuối: xc = 30% (khối lượng)
- Nhiệt độ nhập liệu: 30 oC
- Áp suất hơi đốt: 310 kPa = 3,2 at
- Áp suất ngưng tụ: 30 kPa = 0,3at
- Loại thiết bị: cô đặc loại màng
3.2 Cân bằng vật chất
3.2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc lên
Trong đó:
- Gđ, Gc, W: khối lượng dung dịch ban đầu, cuối và tổng lượng hơi thứ (kg/h)
- Xđ, xc: nồng độ chất khô trong dung dịch đầu và cuối (% khối lượng)
Lượng hơi thứ bốc lên khi dung dịch nước cam thay đổi từ nồng độ xđ = 10% đến nồng độ xc = 30%
Theo công thức 3.9, [4 - 142], tổng lượng hơi thứ bốc lên được tính bằng:
W = Gđ (1 - xđ
xc)=1000 (1-
10
30)= 666,67 (kg/h)
3.2.2 Suất lượng tháo liệu
Cân bằng vật chất tổng quát được tính theo công thức 3.6, [4-142]
Gđ = Gc + W Suất lượng tháo liệu sau khi cô đặc được tính theo công thức:
Trang 18Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc: tw = tc + ’’’ = 68,7 + 1 = 69,7o
C ( Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc bằng nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị Baromet cộng với 10C - 10C chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên ống dẫn) Hơi đốt là hơi bão hòa ở áp suất 3,2 at, tra bảng I.250, [1-312], nhiệt độ hơi đốt: tD = 134,9 oC
Bảng 3.1: Bảng nhiệt độ và áp suất của hơi đốt sử dụng và hơi thứ trong buồng bốc
Áp suất (at) Nhiệt độ ( 0
C) Áp suất ( at) Nhiệt độ( 0
034,1
9 , 100
Theo BaBô, giá trị K vẫn giữ nguyên tại mọi nhiệt độ của dung dịch Do đó, tại nhiệt độ sôi của dung dịch nước cam ở áp suất làm việc P’= 0,314 at
964,0
P
P K
Gọi ” là tổn thất nhiệt độ do nồng độ Trong thiết bị cô đặc loại màng, quá trình bốc hơi tiến hành trong lớp dung dịch rất mỏng nên ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh thực tế không đáng kể Vậy : ’’ = 0
Trang 19c) Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống
Gọi ”’ là tổn thất nhiệt độ do nồng độ Theo [2 – 67], thường tổn thất nhiệt độ trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ là 10C Vậy ’’’ = 10C d) Tổn thất chung cho toàn hệ thống và hiệu số nhiệt độ hữu ích
Theo công thức VI.19, [2-68], tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc:
= ’+ ” + ”’ = 0,74 + 0 + 1 = 1,74 0
C Theo công thức VI.17, [2 – 67], hiệu số nhiệt độ hữu ích :
thi = t - = tD – tc - = 134.9 – 68,7 – 1,74 = 64,46 oC
3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng
a) Tính nhiệt dung riêng của dung dịch
Vì ta lấy sản phẩm ra ở đáy buồng bốc nên t2 = tsdd(Po) = 70,44oC Chọn nhiệt độ dung dịch nhập liệu là t1 = 70oC
Do nhiệt độ sôi dung dịch bằng 70,44oC nên nhiệt độ dung dịch nhập liệu phải nhỏ hơn nhiệt độ này và thường sẽ có 2 trường hợp:
- Thứ nhất nhập liệu ban đầu bằng nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu chưa gia nhiệt (khoảng 30oC)
- Thứ 2 trước khi vào nồi cô đặc sẽ có thiết bị gia nhiệt làm nóng dung dịch lên đến nhiệt độ nào đó thấp hơn nhiệt độ sôi dung dịch trong nồi cô đặc
Theo công thức I.50, [1-153], nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x (J/kg.độ) (3.1) Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu:
- Ở t = 30oC (lúc nhập liệu vào nồi), xđ = 10% thì:
(3.1) C1 = 4190 – (2514 – 7,542.30).0,1 = 3961,23 (J/kg.độ) (3.2)
- Ở t2 = 70 oC, xđ = 10% thì:
(3.1) C2 = 4190 – (2514 – 7,542 70).0,1 = 3991,39 (J/kg.độ) (3.3) (3.2),(3.3) Cđ = C1 + C2
Trang 20Nhiệt dung riêng của dung dịch khi ra khỏi nồi cô đặc ở t2 = 70,44 oC, xc=30% (3.1) Cc = 4190 - (2514 – 7,542.70,44).0,3 = 3595 (J/kg.độ)
Trong đó:
- Cđ, Cc: nhiệt dung riêng đầu và cuối của dung dịch (J/kg.độ)
- t1, t2: nhiệt độ đầu và nhiệt độ sôi của dung dịch ( o
C)
- xđ, xc: nồng độ đầu và cuối của dung dịch (% khối lượng)
b) Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
- iD, iw: hàm nhiệt của hơi đốt , hơi thứ (J/kg)
- t1, t2: nhiệt độ vào và ra khỏi nồi của dung dịch (0C)
- Cd, Cc: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi của dung dịch (J/kg.độ)
- : nhiệt độ nước ngưng tụ (0C) – lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
- Cng: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
- Qm: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J) – Qm = 0,03QD, [4 – 143]
- Gd: lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
Theo công thức 3.10, [3 – 143], Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
(1-).D.i + .D.Cng. + Gd.Cd.td = W.iw + GcCc.t2 + D.Cng + Qm (3.4) Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hòa
- Nhiệt độ dung dịch: t1=30oC, t2=70oC
W, i w
Trang 21- Tra bảng I.251, [1-314], hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ: iD = 2732,8.103 (kJ/kg) , iw = 2620.103 (kJ/kg)
- Tra bảng I.249 [1-310], nhiệt dung riêng của nước ngưng: Cng = 4276,5 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của dung dịch: Cđ = 3976 (kJ/kg.độ), Cc = 3595 (kJ/kg.độ)
- Nhiệt độ nước ngưng: = 134,9oC
Từ (3.4), Lượng hơi đốt tiêu tốn ở buồng đốt:
Trang 22Chương 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 4.1 Nhiệt tải phía hơi ngưng (q 1 )
Dựa vào công thức V.87 [2-25] nhiệt lượng tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
- 1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng (W/m2.độ)
- t1: chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi
- r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 3,2at, tra bảng I.251, 315], r = 2165.103 J/kg,
[1 H: chiều cao của ống truyền nhiệt, chọn H = 5m
- A: hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng, được tính theo công thức [2-29]:
4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 )
Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến độ sôi, quá trình
cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch Áp dụng công thức VI.27, [2-71], hệ số cấp nhiệt cho chất lỏng sôi:
Áp dụng công thức VI.91, [2-26], hệ số cấp nhiệt đối với nước:
αn = 0,145 p0,5.t12,33 (W/m2.độ) (4.5) Trong đó:
- t1: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi (oC)
- p: áp suất trên mặt thoáng, p = 0,314 = 30803,4 (N/m2)
- Cdd, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch và nhiệt dung riêng của nước (J/kg.độ)
- dd, n: khối lượng riêng của dung dịch và nước (kg/m3)
- µdd, µn: độ nhớt của dung dịch và nước (N.s/m2)
- dd, n: độ dẫn điện của dung dịch và nước (W/m.K)
Trang 23Bảng 4.1: Bảng số liệu theo nồng độ dung dịch
µ dd N.s/m 2
C n J/kg.độ
C dd J/kg.độ
Tra các thông số của dung dịch và nước:
- Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, [1-310] và [1-314] Tra ở nhiệt độ 70,44 oC
- dd : tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, [1-59], [1-60]
- µdd: ở nồng độ 10%, tđ = 30oC
o Ở nồng độ 30%, tc = 70,44 o
C
o Tại nồng độ trung bình là, độ nhớt bằng tổng độ nhớt 2 nồng độ trên chia 2
- Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch nước cam, được theo công thức (3.1)
Trang 24α2 = αn. (0,2150,596)0,565 [(1082,87997,7 )2 (3778,24184,5) (1,099.10-4
7,75.10 -4)]
0,455
= 0,517 n (4.7)
4.3 Nhiệt tải riêng phía tường (q v )
Nhiệt tải riêng phía tường được tính theo công thức:
4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:
(4.2) 1 = 2,04.191,06.√2165.103
9,4.5
4
= 5455,63 (W/m2.độ) (4.1) q1 = 5455,63.9,4 = 51282,89 (W/m2)
(4.9) q1 = qv = 51282,89 (W/m2)
(4.8) tw2 = 8,577.10-4.51282,89 = 43,98oC
(4.11) tw2 =125,5 - 43,98 = 81,52oC
Trang 2551282,89 100 = 4,3% < 5%
Thỏa mãn yêu cầu, chọn tw1 = 125,5oC
Nhiệt tải trung bình: Qtb = Q1+Q2
2 = 51282,89 + 49087,86
2 = 50185,37 (W/m2)
4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt Theo công thức V.5 [2 – 4]
F= QDK.∆thi = 470420
780,16.64,46 = 9,35 (m2) Theo [5 – 276], chọn bề mặt truyền nhiệt chuẩn là: F = 10m2
Bảng 4.2: Hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng
Trang 26Chương 5: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC5.1 Tính buồng đốt
5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị
Theo III.23, [8-116], thể tích dung dịch đầu bằng:
Vđ = Gđ
ρđ = 10001039,98= 0,962 m3
- Gđ, Gc: khối lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h); Gc = 333,33kg/h
- đ, c: khối lượng riêng dung dịch đầu và cuối (kg/m3), tra bảng I.86, [1-58], + xđ = 10% đ = 1039,98 xc = 30% c=1012,51
5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt
a) Tính chọn số ống truyền nhiệt
Tra bảng V.11, [2 – 48], ống truyền nhiệt chọn loại ống chùm và bố trí ống theo
hình 6 cạnh đều nên số ống truyền nhiệt chuẩn là: n = 37 ống
Theo công thức III.49 [8 -134], số ống truyền nhiệt cần thiết là:
Trong đó:
- F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2), F = 10 m2
- d: đường kính ống truyền nhiệt (m), chọn d = 0,034 m (Do 1 > 2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt)
- l: chiều dài ống truyền nhiệt (m), theo bảng VI.6, [2 – 81], chọn l = 5m
(5.1) n= 10
3,14.0,034.5=19 (ống)
Bộ phận phân phối dung dịch
Vì là thiết bị cô đặc loại màng nên ta phải sử dụng bộ phận phân phối lỏng, như vậy trên vỉ ống ta sẽ bỏ bớt 1 số ống truyền nhiệt để lấy vị trí đặt thiết bị phân phối lỏng
Tổng diện tích của 19 ống truyền nhiệt
F = n.π.d2
4 = 19.3,14.0,034
2
4 = 0,0173 m2
Trang 27Chọn diện tích phân phối lỏng bằng 20% tổng diện tích ống truyền nhiệt theo [2 – 75] Vậy diện tích bộ phận phân phối lỏng :
FC = 0,2 F= 0,2.0,0173 = 3,45.10-3 (m2) Diện tích 1 ống truyền nhiệt :
Số ống truyền nhiệt còn lại: n” = n - n’ = 19 – 4 = 15 (ống)
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:
F” = n”.π.d.H = 15.3,14.0,034.6 = 8,5 < F = 10m2 (không thỏa điều kiện) Vậy nếu ta chọn n = 19 ống thì vừa không đảm bảo bề mặt truyền nhiệt vừa khó sắp xếp chén phân phối và các ống truyền nhiệt do đó ta sẽ chọn n = 37 ống theo giả thiết ban đầu
Ta kiểm tra lại :
Tổng diện tích của 37 ống truyền nhiệt :
4
3,14.0,034
37 4
d π n F
2 2
Theo [2- 75], chọn diện tích của bộ phận phân phối lỏng bằng 19% tổng diện tích
ống truyền nhiệt Vậy diện tích bộ phận phân phối lỏng :
F4
D
3 C
F
4
3
Số ống truyền nhiệt còn lại : n’’ = n – n’ = 37 – 7 = 30 (ống)
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt :
F’’ = n’’..d.H = 30.3,14.0,034.5 = 16 (m2) > F = 10 m2 (thỏa điều kiện)
Trang 28b) Đường kính buồng đốt
Theo công thức V.140, [2-49], đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức:
Dt = t.(b-1) + 4.d Trong đó:
- d: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m), d = 0,034 + 0,004 = 0,038 m
- t: bước ống (m) => Chọn t = 1,4d = 1,4.0,038 = 0,0532 m
- b: số ống trên đường chéo của hình lục giác đều,
Mặt khác, theo tài liệu V.139, [2 - 49], b được tính theo công thức sau :
V4
- W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg/g)
- h: khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3), tra bảng I.251, [1–314] được khối lượng riêng hơi thứ: h = 0,1979 kg/m3
- Up: cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khác 1 at (m3/m3.h)
Trang 29h
h h
μ
ρ d ω
1,32 = 1,680 (m/s)
(5.7) Re = 1,680.0,0003.0,1979
Trang 305.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu
Theo công thức VI.41, [2 – 74], lưu lượng khí được tính bằng:
- G: lưu lượng lưu chất (kg/s)
- : khối lượng riêng lưu chất ( kg/m3), tra ở bảng I.86, [1 – 58]