THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC

Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, tập thể các thầy cô giảng dạy ở khoa công nghệ thực phẩm đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt hơn nữa chúng em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu Quyền, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý trong quá trình chúng em hoàn thành Đồ án Kỹ thuật thực phẩm này. Trong thời gian làm báo cáo đồ án, mặc dù đã cố gắng trong việc hoàn thiện bài báo cáo nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để bài báo cáo của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin cảm ơn rất nhiều.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC,

NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 10 TẤN/H.

Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN HỮU QUYỀN

Sinh Viên Thực Hiện:

Nguyễn Phạm Như Quỳnh 2005140472

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11, NĂM 2017

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Côngnghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, tập thể các thầy cô giảng dạy ở khoa công nghệthực phẩm đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cũng như kinh nghiệm trongquá trình học tập tại trường Đặc biệt hơn nữa chúng em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn HữuQuyền, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý trong quá trình chúng em hoàn thành

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm này

Trong thời gian làm báo cáo đồ án, mặc dù đã cố gắng trong việc hoàn thiện bài báocáo nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót nhấtđịnh Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để bài báo cáo của chúng em được hoànthiện hơn Chúng em xin cảm ơn rất nhiều

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 2

I Giới thiệu tổng quan 2

II Nguyên liệu và sản phẩm cuả quá trình 2

1 Đặc điểm nguyên liệu 2

2 Đặc điểm sản phẩm 2

3 Các biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc 3

3.1 Biến đổi tính chất vật lý 3

3.2 Biến đổi tính chất hóa học 3

3.3 Biến đổi sinh học 3

III Giới thiệu về quy trình công nghệ 3

1 Cô đặc và quá trình cô đăc 3

1.1 Định nghĩa: 3

1.2 Các phương pháp cô đặc: 4

2 Các thiết bị cô đặc nhiệt 4

2.1 Phân loại 4

2.1.1 Theo cấu tạo 4

2.1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình 5

2.2 Thiết bị chính 5

2.3 Thiết bị phụ 5

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

I Dữ liệu ban đầu 11

II Cân bằng vật chất 11

1 Suất lượng nhập liệu (Gd) 11

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) 11

III Tổn thất nhiệt độ 11

1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) 13

IV Cân bằng nhiệt lượng 15

V Tính toán truyền nhiệt 19

1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) 19

2 Nhiệt tải riêng của dung dịch (q2 ) 20

3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv ) 22

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 23

5 Hệ số truyền nhiệt K trong quá trình cô đặc 24

6 Diện tích cho bề mặt truyền nhiệt 25

CHƯƠNG 3: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 26

I Thiết bị cô đặc 26

1 Kích thước buồng đốt 26

1.1 Đường kính buồng đốt (Dt) 26

1.2 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt 27

1.3 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 28

1.4 Tổng kết 28

2 Kích thước buồng bốc 29

2.1 Đường kính buồng bốc (Db) 29

2.2 Chiều cao buồng bốc (Hb) 31

2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 32

II Tính kích thước các ống dẫn 33

1 Ống nhập liệu 33

2 Ống tháo liệu 33

3 Ống dẫn hơi đốt 34

4 Ống dẫn hơi thứ 34

5 Ống dẫn nước ngưng 34

6 Ống xả khí không ngưng 35

7 Tổng kết về đường kính 35

III Tính cơ khí cho các chi tiết, thiết bị 36

1 Tính cho buồng đốt 36

1.1 Sơ lược về cấu tạo 36

1.2 Tính toán 36

2 Tính cho buồng bốc 38

2.1 Sơ lược cấu tạo 38

2.2 Tính toán 39

3 Tính đáy thiết bị 43

3.1 Sơ lược cấu tạo 43

3.2 Tính toán 43

4 Tính cho nắp thiết bị 49

4.1 Sơ lược cấu tạo 49

4.2 Tính toán 49

5 Tính cho mặt bích 51

5.1 Sơ lược về cấu tạo 51

5.2 Chọn mặt bích 51

6 Tính vỉ ống 53

6.1 Sơ lược về cấu tạo 53

6.2 Tính toán 53

7 Khối lượng và tai treo 56

7.1 Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ 56

7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 57

7.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 61

7.4 Tổng khối lượng 61

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 63

I Thiết bị ngưng tụ baromet 63

1 Chọn thiết bị ngưng tụ 63

2 Tính thiết bị ngưng tụ 63

3 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 64

4 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 65

II Tính bơm chân không 72

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ hệ thống cô đặc nước mia một nồi liên tục 7

Hình 2: Cấu tạo nồi cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 9

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Tổng kết các thông số cân bằng vật chất và năng lượng 19Bảng 2 Tổng kết về đường kính các ống dẫn 35Bảng 3 Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc 52

Bảng 4 Số liệu nối của buồng đốt - đáy 52

Bảng 5 Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp 53

Bảng 6 Kích thước tai treo 62

Bảng 7 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet 67

Bảng 8 Tóm tắt số liệu của thiết bị ngưng tụ Baromet 72

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Kỹ Thuật ThựcPhẩm là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ thựcphẩm và hóa học Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thôngqua 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 mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 10000 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Nguyễn Hữu Quyền, bộ môn Kỹ

Thuật Thực Phẩm , trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về ngành míađường cũng như quá trình cô đặc, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, nănglượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bịphụ cần thiết theo yêu cầu

Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em 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 thựcphẩm Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức vềmôn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực phẩm Ngoài ra, việc giải các bàitoán công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệcũng rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA

I Giới thiệu tổng quan

Đường đã từng là một mặt hàng xa xỉ vào giai đoạn cuối thế kỉ XV đầu thế kỉ XVI tínhđến nay ngành sản xuất đường là một trong những ngành công nghiệp chế biến nông sản lâuđời nhất trên thế giới Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sựquan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với sự nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sảnphẩm

Mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liênhiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làmnguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa, đồng thời tạo ra phế liệu vànguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu,

Để tạo ra các sản phẩm đường có phẩm chất như mong muốn thì vấn đề công nghệ làyếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàngloạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu, Tất cả đều phải được tính toán mộtcách chi tiết để hạn chế rủi ro trong quá trình vận hành

Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy đổi mớidây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách.Trong đó thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây

là thành phần không thể xem thường

II.Nguyên liệu và sản phẩm cuả quá trình

1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

 Dung môi: nước

 Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp và chiếm chủ yếu làđường saccaroze Các cấu tử này coi như không bay hơi trong quá trình cô đặc

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít Tuy nhiên trước khi cô đặcnồng độ đường thấp 6 – 10% khối lượng

2 Đặc điểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch gồm:

 Dung môi: nước

 Các chất hòa tan: có nồng độ cao

3 Các biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đối khôngngừng

Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịchthay đổi:

 Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt

 Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổ thất nhiệt do nồng độ,nhiệt độ sôi,

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit của cáccấu tử tạo thành các acid

Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca 2+ ít hòa tan nồng độ cao, phânhủy muôi hữu cơ và tạo kết tủa

Phân hủy chất cô đặc

Tăng màu do xảy ra phản ứng caramen, phân hủy đường khử, tác dụng tương hổ giữacác sản phẩm phân hủy và các amino acid

Phân hủy một số vitamin

Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nhiệt độ cao

III Giới thiệu về quy trình công nghệ

1 Cô đặc và quá trình cô đăc

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch haihay nhiều cấu tử Quá trình cô dặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch

nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bayhơi hơn) Đó là các quá trình vật lí – hóa lí.

Phương pháp nhiệt (đun nóng) : dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơidưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoángchất lỏng

Phương pháp lạnh : khi hạ thấp nhiệt độ đến mốt mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách radưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chât cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng leen mặt thoáng mà quá trình kết tinh đóxảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp đôi khi phải dùng đến máy lạnh

2 Các thiết bị cô đặc nhiệt

2.1.1 Theo cấu tạo

- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm này

có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặttruyền nhiệt Bao gồm:

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhómnày dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưuđiểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độnhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao 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 Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phépdung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tácdụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho cácdung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khóvỡ.

Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

2.1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình

 Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường đượcdùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cựcđại và thời gian cô đặc ngắn nhất

 Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không.Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

 Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nólàm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phốihợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác đểnâng cao hiểu quả kinh tế

 Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự độngnhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, cóhoặc không có ống tuần hoàn Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta cóthể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

Ống nhập liệu, ống tháo liệu

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp

Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ baromet

Bơm nguyên liệu và bồn cao vị

Bơm tháo liệu

Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

Bơm chân không

Các van

Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

3 Lựa chon thiết bị cô đặc dung dịch mía đường

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựachọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trungtâm

- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng

- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch

Nhược điểm:

- Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác

- Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.

- Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ

- Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Phân bố hơi đều

- Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

3.Lưu lượng kế 10 Bơm chân không

4.Nồi cô đặc 11 Bồn chứa nước ngưng

5.Cửa nhập liệu 12 Bơm sản phẩm

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ (2) là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặtthẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ốngđược hàn dính vào thân Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng

tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lênnhiệt độ sôi Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ).Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống

Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc (4) để thực hiện quá trình bốchơi Trong nồi cô đặc (4), dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứbốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet (7), ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoàibồn chứa nước ngưng (10), phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theobơm chân không (9) ra ngoài Sản phẩm đặc được bơm (11) đưa đến bồn chứa sản phẩm(12)

 Cấu tạo thiết bị.

Hình 2: Cấu tạo nồi cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt (1), gồm có các các ống truyền nhiệt (2) và một ốngtuần hoàn trung tâm (3) Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trongkhoảng không gian ngoài ống

Phía trên buồng đốt (1) là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là buồng

bốc (4) Trong buồng bốc (4) có bộ phận tách những giọt lỏng (5) do hơi thứ mang theo.Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc (4) rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt (2)

và ống tuần hoàn trung tâm (3), hơi đốt được đưa vào buồng đốt (1) Dung dịch được đunsôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt (2), khối lượng riêng của dungdịch giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống

Trong ống tuần hoàn (3), thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớnhơn so với ống truyền nhiệt (2) do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậy khối lượng riêng củahỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt (2) Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trênxuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt (2) lên trên và trở lại ống tuần hoàn (3) tạo nêndòng tuần hoàn tự nhiên

Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc (4), hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lênqua bộ phận tách giọt (5) Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơithứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độyêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm mộtlượng dung dịch thiết bị

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Dữ liệu ban đầu

Dung tích đường mía

 Nồng độ nhập liệu xđ = 20% (khối lượng)

 Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng)

 Năng suất nhập liệu Gc = 10 tấn/h = 10000 kg/h

 Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,76 at

 Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,76 = 0,24 at

 Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 2,0 ati

Vậy Pdư = 2,0at

 Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,0 = 3,0 at

 Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC

II.Cân bằng vật chất

1 Suất lượng nhập liệu (G d )

Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Gđ = Gc + W

 W = Gđ – Gc = 10000 – 5000 = 5000 (kg/h)

III Tổn thất nhiệt độ

- Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,24 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi (0C)

 Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 63,30C

- ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bịngưng tụ Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296 [5]).

- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm( P0) – tc = ∆ '' '

Trong đó

tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng)

Mà tsdm( P0) =∆ '' '+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)

 tsdm( P0) = 63,3+1 =64,3 0C

Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:

Nhiệt độ (0C) Áp suất (at)

Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có:

∆’ =f ∆0’ [0C]

Trong đó:

∆’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

∆0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển

f : hệ số hiệu chỉnh

f = 16,2 T2

r

Với

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]

Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có:

Tại P0 = 0,248at Ta nội suy được: R = 2348,07 (J/Kg)

Hop: chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát của mực chất lỏng

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2])

ρ dm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 670C

Tra bảng I.249 trang 311, [1], ρ dm= 979,42 kg/m3

Hop= [0,26+ 0,0014 ( 1179,4  979,42)] 1,5 = 0,810 m

∆p =12 589,7 9,81 0,810

9,81.104= 0,0239N/m2

 ptb=p0+ ∆p= 0,248+ 0,0239= 0,272 atTra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Tại ptb=0,272at Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) = 66,180C

Ta có:

∆’’ = tsdm(p0+∆p)  tsdm(p0) = 66,18 64,3 = 1,880C

∆’’= tsdd(p0+∆p)  tsdd(p0)

 tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 65,31 + 1,88 = 67,19oCSai số chấp nhận Vậy tsdd(ppt) = 670C

Sản phẩm lấy ra ở tại đáy  tsdd(p0+2∆p) = 65,31+ 2.1,01 = 67,330C

Tổng tổn thất nhiệt độ:

ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’

⇒ ΣΔ = 1,01 +1,88 +1 = 3,890CGia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3at, tD = 132,90C (bảng I.251,trang 315, [1])

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

Δthi = tD – (tc + ΣΔ)

 Δthi = 132,9 – 63,3 – 3,89 = 65,860C

IV Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD)

Theo , ta có:

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (công thức VI-3, trang 57, [2])Trong đó:

Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W

Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W

Qkn: nhiệt lượng khử nước, W

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qđ)

trang 57:

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) ( trang 57, [2]) (1)Trong đó:

Gđ =10000 kg/h

Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ (công thức I.50, trang 153,[1])

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ)= 10000.3555,71.(64,534-30)= 1,228 109 (J/h) (2)

 Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:

Qbh = W r = 5000 2348,07.103 = 1,174.1010 (J/h) (4)Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = Gđ.(1- xđ/xc) = 5000 kg/h

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,248 at, J/kg

Tra bảng I.251, trang 314 [1]

Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2348,07 10-3 (J/kg)

 Nhiệt lượng dùng để khử nước ( Q kn )

Áp suất (at) r 10-3 (J/kg)

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4, trang 57:

Q ht c: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W

Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua (5)

 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức VI.6a, trang 57, [2], ta có:

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc :

Q D: nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q D= 1,303.1010 (J/h)

r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3.1at, r= 2171.103 J/Kg ( tra bảng I.251, trang 315, [1])

 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:

6001,56

5000 =1,200(kg hơi đốt kg hơi thứ)Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,200 kg hơi đốt

Tổng kết các thông số về cân bằng vật chất và năng lượng

Nhiệt lượng tiêu thụ

Bảng 1: Tổng kết các thông số cân bằng vật chất và năng lượng

V Tính toán truyền nhiệt

1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 )

Theo công thức V-101, trang 28, [2]:

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 1,5 m

A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

Với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

A: tra bảng trang 29,[2]

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.độ

Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 126,40C

 t m=132,9+126,4

2 = 129,650C

q1 = α1.Δt1 =8459,38.6,5=54985,97 W/m2.

2 Nhiệt tải riêng của dung dịch (q 2 )

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình

cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành cácbọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch

Theo công thức VI.27, trang 71, [2]:

α n: hệ số cấp nhiệt của nước.

α n=0,145 (∆ t )2,33 p0,5 (2)

(công thức V.90, trang 26, [2])

p= 0,248 at= 24328,8 N/m2

∆ t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C

Cdd, Cn :nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước, J/Kg.độ

μ dd, μ n: độ nhớt của dung dịch và của nước, N.s/m2

ρ dd, ρ n: khôi lượng riêng của dung dịch và của nước, kg/m3

λ dd, λ n: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và của nước, w/m.K

Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314 [1]

Các thông số của dung dịch

ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59,60 [1]

µdd: tra bảng 9, trang 16, [8]

Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường

C= 4190 – ( 2514 – 7,542t) x ; J/kg.độTrong đó:

+ t: nhiệt độ của dung dịch, 0C

(C12H22O11) và H2O.

M = a.M(C12H22O11) + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol

a – phần mol của đường saccharose (C12H22O11)

Xem nồng độ đường saccharose (C12H22O11) trong dung dịch là 40% (xc)

 a =

xc M(C 12 H 22 O11) xc

342+

0,618 = 0,034

+ ∑rv : Tổng trở vách, m2.K/W

λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ốngđược làm bằng thép không gỉ OX18H10T)

+ ∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, 0C

Tra ở bảng 31, Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 419, ta có:

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

5 Hệ số truyền nhiệt K trong quá trình cô đặc

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

Chọn F = 80 m2 theo dãy chuẩn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1,trang 326 [5]

Theo bảng V.11, trang 48 [2] bố trí theo hình lục giác đều.

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (III – 52) trang 135, [4]:

Chọn β = 1,4 theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 324

Dn = 0,038 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

Ѱ:Hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9, chọn ѱ = 0,8

L = 1,5 m: chiều dài của ống truyền nhiệt

Dnth = 0,6 + 2.0,002 = 0,604: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 80 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo tiêu chuẩn trang 274 [5] chọn Dt = 1600 mm = 1,6 m

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Theo công thức 3.86, trang 202, [5]

 m= D d−4 d0

1600−4.3853,2 +1 = 28,22Trong đó

S: bước ống, (m);

s = 1,4 38 = 53,2 mm

d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

m: số ống trên đường chéo

Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm Chọn m’ = 11 theotrang 48, [2].

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 50 mm

Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:

I.4 Tổng kết

Số ống truyền nhiệt là 660 ống có kích thước d là 34/38 mm

Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth= 600 mm

Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 1600mm

Chiều cao buồng đốt Hd= 1,5m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 80m2

Chiều cao đáy nón Hnon = 1450 mm

3

/s

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h)

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,248at

Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1, trang 314: