THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC ĐƯỜNG MÍA

Cô đặc làm tăng nồng độ đườnglên và giảm lượng nước trong nước mía bằng cách làm bốc hơi nước sử dụng nguồnhơi đốt là hơi nước bão hòa, với hệ thống cô đặc hai nồi liên tục giúp tăng hiệ

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ

Tp Hồ Chí Minh 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học máy và thiết bị là một đồ án quan trọng trong khối ngành công nghệhóa học hướng dẫn sinh viên giải quyết một vấn đề tổng hợp về công nghệ thiết kế cácthiết bị làm việc trong công nghiệp cũng như đời sống Giúp sinh viên có kiến thứcnền tảng về việc vận hành sử dụng thiết bị cũng như sửa chữa để phục vụ cho côngviệc và học tập của sinh viên sau khi tốt nghiệp

Mía đường là sản phẩm quan trọng và có nguồn nguyên liệu dồi dào từ nền nôngnghiệp nước nhà Để tận dụng hết nguồn lực này cần có các phương pháp khoa học vàtối ưu để tách chiết đường ra khỏi nguyên liệu với mức chi phí thấp nhất Cô đặcchính là phương pháp hiệu quả và dễ sử dụng nhất Cô đặc làm tăng nồng độ đườnglên và giảm lượng nước trong nước mía bằng cách làm bốc hơi nước sử dụng nguồnhơi đốt là hơi nước bão hòa, với hệ thống cô đặc hai nồi liên tục giúp tăng hiệu quảnăng lượng và phù hợp với yêu cầu về năng suất sản phẩm lớn

Dung dịch mía đường là nguyên liệu có độ nhớt thấp, lẫn chủ yếu là tạp chất cơ học,

dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao vì thế ta phải xử lý nguyên liệu trước khi cho qua hệthống cô đặc, hệ thống cần làm việc dưới nhiệt độ thấp hơn 180oC để tránh sự phânhủy của đường, với việc sử dụng hơi nước bão hòa làm hơi đốt giúp tăng hiệu quảtruyền nhiệt và dễ dàng thu hồi, không gây hại đến môi trường

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch đường mía gồm 3 phần chính:

Phân tích đề bài – tìm hiểu và phân tích các yếu tố được giao trước khi đi vào thiết kếTính thiết bị chính – tính toán các thông số cần thiết cho thiết bị cô đặc mía đườngTính thiết bị phụ - tính toán và chọn lựa các thiết bị hỗ trợ cho việc cô đặc như ốngdẫn, tai đỡ, bích ghép,…

Mặc dù bài báo cáo được chuẩn bị trong thời gian khá dài nhưng vẫn còn nhiều thiếusót, mong quý thầy cô đọc và phân tích các lỗi sai để em kịp thời sửa chữa và nhậnđịnh đúng về các vấn đề đó

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Phong

MỤC LỤC

 PHÂN TÍCH ĐỀ BÀI 1

 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ 3

A – THIẾT BỊ CHÍNH 3

1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3

1.1 Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên 3

1.2 Nồng độ dung dịch cho từng nồi 3

2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4

2.1 Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi 4

2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ 4

2.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất, ∆’ 4

2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, ∆’’ 5

2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong ống dẫn, ∆’’’ 5

2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆thi và nhiệt độ sôi dung dịch 6

2.4 Tìm lượng hơi đốt và hơi thứ mỗi nồi 7

2.5 Tính bề mặt truyền nhiệt 9

2.5.1 Lượng nhiệt trao đổi 9

2.5.2 Hệ số truyền nhiệt K 9

2.5.3 Tính toán đường kính trong buồng đốt 13

2.6 Kích thước buồng bốc 14

B – THIẾT BỊ PHỤ 15

3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 15

3.1 Lưu lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 15

3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi baromet 15

3.3 Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ 16

3.3.1 Đường kính trong 17

3.3.2 Kích thước tấm ngăn 17

3.3.4 Kích thước ống Baromet 19

3.4 Bơm chân không 21

4 ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN 22

C – TÍNH CƠ KHÍ 23

5 CHIỀU DÀY THIẾT BỊ 23

5.1 Nồi 1 23

5.1.1 Buồng đốt 23

5.1.2 Đáy buồng đốt 25

5.1.3 Buồng bốc 26

5.1.4 Nắp buồng bốc 27

5.2 Nồi 2 28

5.2.1 Buồng đốt 28

5.2.2 Đáy buồng đốt 28

5.2.3 Buồng bốc 29

5.2.4 Nắp buồng bốc 29

5.3 Vỉ ống 30

5.4 Hệ thống tai đỡ 31

5.4.1 Khối lượng vật liệu 31

5.4.2 Khối lượng thép 31

5.4.3 Khối lượng nước 33

5.5 Mặt bích 34

6 TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU 37

6.1 Tính chiều cao bồn cao vị 37

6.1.1 Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu 37

6.1.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt 38

6.1.3 Tổn thất đường ống từ thiết bị trao đổi nhiệt đến vị trí nhập liệu 38

6.2 Chọn bơm 39

1 PHÂN TÍCH ĐỀ BÀI

Số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1.8 (tấn /h)

- Nồng độ nhập liệu: 6 % khối lượng

- Nồng độ sản phẩm: 18 % khối lượng

- Áp suất ở thiết bị ngưng tụ: 100 mmHg

- Sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt (áp suất tự chọn, độ ẩm 5%)

- Loại nồi cô đặc tự chọn

Phân tích

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:

- Dung môi là nước

- Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử khác nhau với hàm lượng thấp, chủ yếu làsacarozơ Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc

Do đường ở nhiệt độ cao dễ bị phân hủy thành caramen vì thế ta nên cô đặc đường ởnhiệt độ thấp Để tận dụng nhiệt và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, ta chọn hệthống hai nồi cô đặc liên tục xuôi chiều

Với năng suất nhập liệu không cao 1800 kg/h và nồng độ yêu cầu sản phẩm thấp0.18% khối lượng Chọn thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm để giảm thiểunăng lượng sử dụng và dễ dàng chế tạo cũng như bảo trì hệ thống

Các ưu điểm của hệ thống cô đặc hai nồi:

- Độ chân không nồi hai cao hơn nồi môt, dung dịch sẽ tự di chuyển từ nồi mộtsang nồi hai mà không phải tốn năng lượng

- Nhiệt độ sôi dung dịch của nồi trước cao hơn nồi sau, do đó khi đi từ nồi mộtsang nồi hai dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt thải ra này có thể đủ làmbay hơi một lượng nước, gọi là quá trình tự bốc hơi hay tự sôi

Ống tuần hoàn trung tâm giúp tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong nồi côđặc, vận tốc tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng Nhưng

do ống tuần hoàn cũng tham gia trao đổi nhiệt nên làm cho vận tốc tuần hoàn giảm.Muốn hệ làm việc tốt thì phải thiết kế sao cho ống tuần hoàn không trao đổi nhiệt

Sơ đồ quy trình

Hình 1: Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều

Quy trình làm việc của hệ thống:

Nguyên liệu được bơm từ bồn chứa (1) lên bồn cao vị, sau đó đưa qua thiết bị nungnóng số (5) thông qua lưu lượng kế số (4) Nguyên liệu sau khi gia nhiệt được đưa vàonồi cô đặc thứ nhất, tại đây dung dịch được cô đặc lên nồng độ 0.09 % khối lượng, sảnphẩm cô đặc của nồi một tiếp tục đưa vào giữa tháp nồi hai để cô đặc đến nồng độ yêucầu, lượng hơi thứ sinh ra ở nồi một sẽ được đưa hoàn toàn qua nồi hai, đóng vai trò làhơi đốt Sản phẩm cô đặc ở đáy tháp được bơm ra ngoài tồn trữ, sản phẩm đỉnh làlượng hơi thứ sinh ra sẽ được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ Baromet Nước ngưng sẽđược tuần hoàn sử dụng làm hơi đốt hoặc thải bỏ

Quy ước ký hiệu

Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:

Ví dụ: [3 – 125] tức là tài liệu tham khảo số 3 trang 125

2 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ

A – THIẾT BỊ CHÍNH

1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1.1 Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên

Chọn thời gian hoạt động là 1 giờ

1.2 Nồng độ dung dịch cho từng nồi

Giả sử lượng hơi thứ cho từng nồi:

2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

2.1 Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi

Theo như đề bài

- Png = 100 mmHg = 0.136 at ứng với nhiệt độ 51.14oC

- Chọn áp suất hơi đốt: PHD = 1.2 at ứng với nhiệt độ tHD = 104.2oC

Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống:

∆P = PHĐ – Png = 1.2 – 0.136 = 1.064 at

Giả sử phân bố áp suất cho 2 nồi như sau:

Phân bố áp suất hơi cho từng nồi

tsdd – nhiệt độ sôi dung dịch, độ

tsdm – nhiệt độ sôi dung môi, độ

∆’ tra từ http://www.sugartech.co.za/ , do cô đặc tuần hoàn có dung dịch nên tra theo

Nồi 1: Nhiệt độ hơi thứ ở 80.9oC, nồng độ cuối 0.09% → ∆1’ = 0.08

Nồi 2: Nhiệt độ hơi thứ ở 51.54oC, nồng độ cuối 0.18% → ∆1’ = 0.366

2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, ∆’’

ttb, t0 – nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất Ptb, P0

[2 – 60]

Ptb – áp suất thủy tỉnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc, N/m2

P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2

h1 – chiều cao dung lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt

thoáng dung dịch, m

h2 – chiều cao ống truyền nhiệt, m

ρdds – khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, ρdds = pdd/2 , kg/m3

g – gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s2

Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong ống dẫn, ∆’’’

2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích ∆t hi và nhiệt độ sôi dung dịch

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bìnhcủa dung dịch

Hiệu số nhiệt độ hữu ích chung của toàn hệ thống:

T – nhiệt độ hơi thứ mỗi nồi

ttb – nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi

dịch, oC

Hiệu số nhiệt độhữu ích, oC

Có nhiều phương pháp phân bố nhiệt độ hữu ích

Chọn phương pháp phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các nồi bằng nhau, khi đó đối với 1 nồi hơi thứ bất kỳ:

[4 – 155]

Điều kiện này sẽ được kiểm tra sau khi tính hệ số truyền nhiệt K để so sánh với giả thiết nêu trên

2.4 Tìm lượng hơi đốt và hơi thứ mỗi nồi

Giả thiết:

- Toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2

- Không có tổn thất nhiệt ra môi trường

- Bỏ qua nhiệt khử nước

Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0oC

Hình 2: Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng hệ thống cô đặc hai nồi

Các phương trình cân bằng năng lượng

D – khối lượng hơi đốt cho nồi 1 trong 1 giờ, kg/h

W1 , W2 – khối lượng hơi thứ cho nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h

Gđ , G1 , G2 – khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h

Cđ , C1 , C2 – nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 , J/kg.độ

Tđ , T1 , T2 – nhiệt độ dung dịch ban đầum ra khỏi nồi 1, nồi 2 , oC

iđ , i1 , i2 – enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1 và hơi thứ nồi 2, J/kg

Cn1 , Cn2 – nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

θ1, θ2 – nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2, oC

Các thông số trong từng nồi

Ta thấy W1 < W2 là do hiện tượng tự sôi của dung dịch

Vậy, giả thiết ban đầu được chấp nhận

qtb – nhiệt tải riêng trung bình, W/m2

∆thi – hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, oC

2.5.2.1 Nhiệt tải riêng trung bình

[5 – 116]

Hình 3: Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch

q – nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m2

q1 – nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2

q2 – nhiệt tải riêng về phía dung dịch sôi, W/m2

tbh – nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, oC

tdds – nhiệt độ sôi dung dịch, oC

tw1 , tw2 – nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, oC

2.5.2.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt

r1 – nhiệt trở trung bình của hơi nước, r = 0,464*10-3 m2.độ/W [2 – 4]

r2 – nhiệt trở trung bình của lớp cặn bẩn, r2 = 0,387*10-3m2.độ/W

δ – chiều dày thành ống đốt, m

λ – hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ

Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng đồng hợp kim (60Cu-40Ni) có bề dày 2mm, đường kính ngoài 80 mm, đường kính trong 78 mm Có λ = 26,8 W/m.độ

Suy ra: ∑r = r +δ/λ + r = 0,464*10-3 + 0,002/26,8 + 0,387*10-3 = 0,000917

2.5.2.3 Hệ số cấp nhiệt α 1 và α 2

a/ Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1, W/m 2 độ

Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trên bề mặt đứng, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

[2 – 28]

tm = 0,5 (tbh + tw1)

tbh – nhiệt độ hơi bão hòa dùng làm hơi đốt, oC

tw1 – nhiệt độ bề mặt ống đốt phía hơi ngưng tụ, oC

b/ Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi

Trường hợp dung dịch sôi (dung môi là nước) và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ

số cấp nhiệt được tính theo hệ số cấp nhiệt của nước αn như sau:

[2 – 71]

Với: dd biểu thị cho dung dịch, n biểu thị cho nước

λ – hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ

ρ – khối lượng riêng, kg/m3

C – nhiệt dung riêng, J/kg.độ

µ - độ nhớt động lực học, Ns/m2

Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2 – 100 at được

tính theo công thức:

αn = 45,3(∆t2)2,33 p0,5 , W/m2.độ [5 – 44]

∆t2 = tw2 – tdds, oC

p – áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (áp suất hơi thứ), at

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức:

[2 – 123]

A – hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, đối với nước A = 3,58*10-8

Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ

ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3

M – khối lượng mol

lamdaW/m.độ

độ nhớtN.s/m2

Hệ số truyền nhiệt theo từng nồi

Vậy điều kiện bề mặt truyền nhiệt của 2 nồi bằng nhau được thỏa mãn, Với F thực tế

lớn hơn so với lý thuyết 10% Chọn F thực tế là F = 32 m 2

Khi đó, số ống truyền nhiệt được tính như sau

Tra chuẩn được n = 127 ống

Trong đó ống truyền nhiệt trung tâm chiếm 15% tổng số ống tương đương 23 ống

Vậy số ống truyền nhiệt thực tế là n = 104 ống

2.5.3 Tính toán đường kính trong buồng đốt

Bố trí ống theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính như sau:

L – chiều dài ống truyền nhiệt, m

dth – đường kính ngoài của ống tuần hoàn, m

Suy ra:

Vậy đường kính trong của 2 nồi là Dtr = 1.46 m

Chọn D tr = 1.5 m

Utt – cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tíchhơi nước bốc lên trong một đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trên một đơn vịthời gian), m3/m3h

Ở áp suất thường, Utt = 1600 – 1700 m3/m3h, áp suất hơi thứ có ảnh hưởng đáng kể đến

Utt Tuy nhiên không có số liệu hiệu chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 1at nên ta có thể chọn Utt

= 1700 m3/m3h

ρ ht - khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3

Hkgh – chiều cao không gian hơi

Ta chọn chiều cao không gian hơi Hkgh = 2.5 m, khi đó đường kính buồng bốc được tính:

B – THIẾT BỊ PHỤ

3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET

3.1 Lưu lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ

[2 – 84]

Gn – lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s

W – lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s

i – hàm nhiệt của hơi ngưng tụ, J/kg

t2đ, t2c – nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối của nước lạnh, oC

Cn – nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ

3.3 Kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ

Hình 4: Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet

3- tấm ngăn

3.3.1 Đường kính trong

[2 – 84]

W – lượng hơi ngưng tụ, W = 0.1718 kg/s

ρh – khối lượng riêng của hơi ngưng ở 51.54oC, ρh = 0.08272 kg/m3

ωh – tốc độ của hơi đi trong thiết bị ngưng tụ, m/s

Thiết bị ngưng tụ làm việc ở áp suất 0.136 at nên có thể chọn ωh trong khoảng 35m/s

Gnc – lưu lượng nước, m3/s

Ở nhiệt độ trung bình 34oC thì khối lượng riêng của nước là 994 kg/m3

Gnc = 5.51 kg/s = 5.54.10-3 m3/s

ωc – tốc độ của tia nước, m/s

Chọn chiều cao gờ của tấm ngăn là 40mm thì ωc = 0.62 m/s Suy ra

Chiều dày tấm ngăn chọn 4mm

Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước lỗ được xác định theo công thức:

Với d – đường kính lỗ, d = 5mm

fe/ftb – tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện các lỗ với tổng diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ, thường từ 0.025 – 1 Chọn bằng 0.1

3.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ

Mức độ đun nóng nước được xác định theo công thức [2 – 85]

Dựa vào mức độ đun nóng với đường kính lỗ 5mm, tra bảng VI.7 [2 – 86] ta có:

Số ngăn: 8

Số bậc: 4

Khoảng các trung bình giữa các ngăn: 400 mm

Tra bảng VI.8 [2 – 88] Với đường kính trong Dba = 0.315 m, ta có những kích thước

cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet sau: (đơn vị mm)

Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 1300

Đường kính các cửa ra và vào

W – lượng hơi ngưng, kg/s

Gn – lượng nước lạnh tưới vào tháp, kg/s

ω – tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống Baromet, m/sChọn ω = 0.6 m/s

Chiều cao ống Baromet:

H = h1 + h2 + 0.5

 h1 được tính như sau: h1 = 10.33pck/760 , m

pck – độ chân không trong thiết bị ngưng tụ: pck = 760 -735.6png = 659.96 mmHgSuy ra: h1 = 8.97 m

 h2 chiều cao cột nước trong ống Baromet để khắc phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống

λ – hệ số ma sát khi nước chảy trong ống, λ = 0.3164/Re0.25 = 0.1551

Suy ra: h2 = 1.68 m

Hba = 11.15 m Tổng chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = H hi + H ba = 15.35 m

Hình 5: Cấu tạo thiết bị ngưng tụ Baromet

3.4 Bơm chân không

Công suất bơm được tính theo công thức: