Đồ án cô đặc mía đường

Chöông 1: TOÅNG QUAN I. Giôùi thieäu nguyeân lieäu: Tính chaát cuûa dung dòch ñöôøng mía: • Thaønh phaàn: Dung moâi: nöôùc. Caùc chaát hoaø tan: chieám chuû yeáu laø ñöôøng saccaroze, khoâng bay hôi trong quaù trình coâ ñaëc. Ngoaøi ra coøn coù caùc chaát caën baõ xuaát hieän sau quaù trình eùp mía.Caùc chaát naøy aûnh höôûng khoâng nhoû ñeán quaù truyeàn nhieät cuûa dung dòch . • Tính chaát nguyeân lieäu trong cheá bieán: ¯ Dung dòch ñöôøng mía coù ñoä nhôùt cao. ¯ Nhaïy caûm vôùi nhieät ñoä cao. Trong quaù trình coâ ñaëc tính chaát cuûa nguyeân lieäu bieán ñoåi khoâng ngöøng. Cuï theå: Bieán ñoåi tính chaát vaät lyù: Thôøi gian coâ ñaëc taêng, noàng ñoä dung dòch taêng daãn ñeán tính chaát dung dòch thay ñoåi: Caùc ñaïi löôïng giaûm: heä soá daãn nhieät, nhieät dung, heä soá caáp nhieät, heä soá truyeàn nhieät. Caùc ñaïi löôïng taêng: khoái löôïng rieâng dung dòch, ñoä nhôùt, toån thaát nhieät do noàng ñoä, nhieät ñoä soâi. Bieán ñoåi tính chaát hoaù hoïc: Thay ñoåi pH moâi tröôøng: thöôøng laø giaûm pH do caùc phaûn öùng phaân huûy amit (Vd: asparagin) cuûa caùc caáu töû taïo thaønh caùc acid. Ñoùng caën dô: do trong dung dòch chöùa moät soá muoái Ca2+ ít hoaø tan ôû noàng ñoä cao, phaân huûy muoái höõu cô taïo keát tuûa. Phaân huûy chaát coâ ñaëc. Taêng maøu do caramen hoaù ñöôøng, phaân huûy ñöôøng khöû, taùc duïng töông hoã giöõa caùc saûn phaåm phaân huûy vaø caùc amino acid. Phaân huûy moät soá vitamin … • Vieäc cheá bieán, baûo quaûn: ¯ Xuaát phaùt töø tính töï nhieân cuûa caây mía: ñoä ñöôøng seõ giaûm nhieàu vaø nhanh neáu thu hoaïch treã vaø cheá bieán khoâng kòp thôøi. Cho neân vaán ñeà quan troïng ñaët ra laø hieäu quaû saûn xuaát nhaèm ñaûm baûo thu hoài ñöôøng vôùi hieäu suaát cao. ¯ Hieän nay, nöôùc ta ñaõ coù nhieàu nhaø maùy ñöôøng nhö Bình Döông, Quaûng Ngaõi, Bieân Hoøa … Nhöng vôùi söï phaùt trieån oà aït cuûa dieän tích mía coäng vôùi coâng ngheä laïc haäu, thieát bò cuõ kó thì khaû naêng ñaùp öùng yeâu caàu treân laø khoù. ¯ Do ñoù vieäc ñoåi môùi coâng ngheä vaø thieát bò laø moät trong nhöõng ñoøi hoûi caáp thieát. Trong ñoù coù thieát bò coâ ñaëc. II. Quaù trình vaø thieát bò coâ ñaëc: 1 Quaù trình coâ ñaëc: 1. Ñònh nghóa: Coâ ñaëc laø phöông phaùp duøng ñeå naâng cao noàng ñoä caùc chaát hoaø tan trong dung dòch hai hay nhieàu caáu töû. Quaù trình coâ ñaëc cuûa dung dòch loûng raén hay loûng loûng coù cheânh leäch nhieät soâi raát cao thöôøng ñöôïc tieán haønh baèng caùch taùch moät phaàn dung moâi (caáu töû deå bay hôi hôn). Ñoù laø caùc quaù trình vaät lyù hoùa lyù. 2. Caùc phöông phaùp coâ ñaëc: • Phöông phaùp nhieät (ñun noùng): dung moâi chuyeån töø traïng thaùi loûng sang traïng thaùi hôi döôùi taùc duïng cuûa nhieät khi aùp suaát rieâng phaàn cuûa noù baèng aùp suaát taùc duïng leân maët thoaùng chaát loûng. • Phöông phaùp laïnh: khi haï thaáp nhieät ñoä ñeán moät möùc naøo ñoù thì moät caáu töû seõ taùch ra daïng tinh theå ñôn chaát tinh khieát, thöôøng laø keát tinh dung moâi ñeå taêngnoàng ñoä chaát tan.Tuøy tính chaát caáu töû vaø aùp suaát beân ngoaøi taùc duïng leân maët thoaùng maø quaù trình keát tinh ñoù xaûy ra ôû nhieät ñoä cao hay thaáp vaø ñoâi khi phaûi duøng ñeán maùy laïnh. 3. Baûn chaát cuûa söï coâ ñaëc do nhieät: Döïa theo thuyeát ñoäng hoïc phaân töû: • Ñeå taïo thaønh hôi (traïng thaùi töï do) thì toác ñoä chuyeån ñoäng vì nhieät cuûa caùc phaân töû chaát loûng gaàn maët thoaùng lôùn hôn toác ñoä giôùi haïn. Phaân töû khi bay hôi seõ thu nhieät ñeå khaéc phuïc löïc lieân keát ôû traïng thaùi loûng vaø trôû löïc beân ngoaøi. Do ñoù, ta caàn cung caáp nhieät ñeå caùc phaàn töû ñuû naêng löôïng thöïc hieän quaù trình naøy. • Beân caïnh ñoù, söï bay hôi chuû yeáu laø do caùc boït khí hình thaønh trong quaù trình caáp nhieät vaø chuyeån ñoäng lieân tuïc, do cheânh leäch khoái löôïng rieâng caùc phaàn töû ôû treân beà maët vaø döôùi ñaùy taïo neân söï tuaàn hoaøn töï nhieân trong noài coâ ñaëc. Taùch khoâng khí vaø laéng keo (protit) khi ñun sô boä seõ ngaên chaën ñöôïc söï taïo boït khi coâ ñaëc. 4. ÖÙng duïng cuûa söï coâ ñaëc: Duøng trong saûn xuaát thöïc phaåm: dung dòch ñöôøng, mì chính,caùc dung dòch nöôùc traùi caây… Duøng trong saûn xuaát hoùa chaát: NaOH, NaCl, CaCl2, caùc muoái voâ cô … 5. Ñaùnh giaù khaû naêng phaùt trieån cuûa söï coâ ñaëc: Hieän nay, phaàn lôùn caùc nhaø maùy saûn xuaát hoaù chaát, thöïc phaåm ñeàu söû duïng thieát bò coâ ñaëc nhö moät thieát bò höõu hieäu ñeå ñaït noàng ñoä saûn phaåm mong muoán. Maëc duø chæ laø moät hoaït ñoäng giaùn tieáp nhöng raát caàn thieát vaø gaén lieàn vôùi söï toàn taïi cuûa nhaø maùy. Cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa nhaø maùy thì vieäc caûi thieän hieäu quaû cuûa thieát bò coâ ñaëc laø moät taát yeáu. Noù ñoøi hoûi phaûi coù nhöõng thieát bò hieän ñaïi, ñaûm baûo an toaøn vaø hieäu suaát cao. Ñöa ñeán yeâu caàu ngöôøi kyõ sö phaûi coù kieán thöùc chaéc chaén hôn vaø ña daïng hôn, chuû ñoäng khaùm phaù caùc nguyeân lyù môùi cuûa thieát bò coâ ñaëc. 2 Thieát bò coâ ñaëc: 1. Theo caáu taïo: Nhoùm 1: dung dòch ñoái löu töï nhieân (tuaàn hoaøn töï nhieân) duøng coâ ñaëc dung dòch khaù loaõng, ñoä nhôùt thaáp, ñaûm baûo söï tuaàn hoaøn deå daøng qua beà maët truyeàn nhieät. Goàm:  Coù buoàng ñoát trong (ñoàng truïc buoàng boác), coù theå coù oáng tuaàn hoaøn trong hoaëc ngoaøi.  Coù buoàng ñoát ngoaøi ( khoâng ñoàng truïc buoàng boác). Nhoùm 2: dung dòch ñoái löu cöôõng böùc, duøng bôm ñeå taïo vaän toác dung dòch töø 1,5 3,5 ms taïi beà maët truyeàn nhieät. Coù öu ñieåm: taêng cöôøng heä soá truyeàn nhieät, duøng cho dung dòch ñaëc seät, ñoä nhôùt cao, giaûm baùm caën, keát tinh treân beà maët truyeàn nhieät. Goàm:  Coù buoàng ñoát trong, oáng tuaàn hoaøn ngoaøi.  Coù buoàng ñoát ngoaøi, oáng tuaàn hoaøn ngoaøi. Nhoùm 3: dung dòch chaûy thaønh maøng moûng,chaûy moät laàn traùnh tieáp xuùc nhieät laâu laøm bieán chaát saûn phaåm. Ñaëc bieät thích hôïp cho caùc dung dòch thöïc phaåm nhö dung dòch nöôùc traùi caây,hoa quaû eùp…Goàm:  Maøng dung dòch chaûy ngöôïc, coù buoàng ñoát trong hay ngoaøi: dung dòch soâi taïo boït khoù vôõ.  Maøng dung dòch chaûy xuoâi, coù buoàng ñoát trong hay ngoaøi: dung dòch soâi ít taïo boït vaø boït deã vôõ. 2. Theo phöông phaùp thöïc hieän quaù trình: Coâ ñaëc aùp suaát thöôøng (thieát bò hôû): coù nhieät ñoä soâi, aùp suaát khoâng ñoåi. Thöôøng duøng coâ ñaëc dung dòch lieân tuïc ñeå giöõ möùc dung dòch coá ñònh ñeå ñaït naêng suaát cöïc ñaïi vaø thôøi gian coâ ñaëc laø ngaén nhaát.Tuy nhieân, noàng ñoä dung dòch ñaït ñöôïc laø khoâng cao. Coâ ñaëc aùp suaát chaân khoâng: Dung dòch coù nhieät ñoä soâi döôùi 100oC, aùp suaát chaân khoâng. Dung dòch tuaàn hoaøn toát, ít taïo caën, söï bay hôi nöôùc lieân tuïc. Coâ ñaëc nhieàu noài: Muïc ñích chính laø tieát kieäm hôi ñoát. Soá noài khoâng neân lôùn quaù vì seõ laøm giaûm hieäu quaû tieát kieäm hôi. Coù theå coâ chaân khoâng, coâ aùp löïc hay phoái hôïp caû hai phöông phaùp. Ñaëc bieät coù theå söû duïng hôi thöù cho muïc ñích khaùc ñeå naâng cao hieäu quaû kinh teá. Coâ ñaëc lieân tuïc: Cho keát quaû toát hôn coâ ñaëc giaùn ñoaïn. Coù theå aùp duïng ñieàu khieån töï ñoäng, nhöng chöa coù caûm bieán tin caäy. III. Nhieäm vuï cuûa ñoà aùn: Thieát keá heä thoáng coâ ñaëc ñöôøng mía 2 noài lieân tuïc . Choïn thieát bò loaïi oáng chuøm thaúng ñöùng ,coù buoàng ñoát trong ,tuaàn hoaøn töï nhieân. Chöông 2: THUYEÁT MINH QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ I. QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ : Naêng suaát cuûa qui trình coâ ñaëc laø 1.5 taánh. Qui trình coâng ngheä nhö sau. II. NGUYEÂN TAÉC HOAÏT ÑOÄNG CUÛA HEÄ THOÁNG COÂ ÑAËC: Dung dòch töø beå chöùa nguyeân lieäu ñöôïc bôm leân boàn cao vò, töø boàn cao vò dung dòch chaûy xuoáng qua thieát bò gia nhieät vaø ñöôïc gia nhieät ñeán nhieät ñoä soâi öùng vôùi aùp suaát laøm vieäc cuûa noài I. Dung dòch sau ñoù ñöôïc ñöa vaøo noài I. Do coù söï cheânh leäch aùp suaát giöõa noài I vaø noài II neân dung dòch tieáp tuïc chaûy qua noài II roài ñöôïc bôm huùt ra roài chuyeån vaøo beå chöùa saûn phaåm. Hôi thöù trong noài I duøng laøm hôi ñoát noài II ñeå taän duïng nhieät. Hôi thöù noài II seõ ñöôïc ñöa qua thieát bò ngöng tuï baromet vaø ñöôïc chaân khoâng huùt ra ngoaøi. Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa noài coâ ñaëc : phaàn döôùi cuûa thieát bò laø buoàng ñoát goàm coù caùc oáng truyeàn nhieät vaø moät oáng tuaàn hoaøn trung taâm. Dung dòch ñi trong oáng, hôi ñoát seõ ñi trong khoaûng khoâng gian phía ngoaøi oáng. Nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa oáng tuaàn hoaøn trung taâm laø : do oáng tuaàn hoaøn coù ñöôøng kính lôùn hôn raát nhieàu so vôùi caùc oáng truyeàn nhieät do ñoù heä soá truyeàn nhieät nhoû, dung dòch seõ soâi ít hôn so vôùi dung dòch trong oáng truyeàn nhieät. Khi soâi dung dòch seõ coù ds = 0.5 dd do ñoù seõ taïo aùp löïc ñaåy dung dòch töø trong oáng tuaàn hoaøn sang oáng truyeàn nhieät. Keát quaû laø taïo moät doøng chuyeån ñoäng tuaàn hoaøn trong thieát bò. Ñeå oáng tuaàn hoaøn trung taâm hoaït ñoäng coù hieäu quaû dung dòch chæ neân cho vaøo khoaûng 0,4 – 0,7 chieàu cao oáng truyeàn nhieät. Phaàn phía treân thieát bò laø buoàng boác ñeå taùch hôi ra khoûi dung dòch, trong buoàng boác coøn coù boä phaän taùch boït ñeå taùch nhöõng gioït loûng ra khoûi hôi thöù.

MỤC LỤCChương 1:Tổng quan

I Giới thiệu về nguyên liệu cần cô đặc

1/ Tính chất vật lí,hoá học của dung dịch

đường mía 2/ Các phương pháp làm tăng nồng độ của

dung dịch đường

II Quá trình và thiết bị cô đặc

1/ Quá trình cô đặc

2/ Thiết bị cô đặc

Chương 2:Thuyết minh qui trình công nghệ

Chương 3:Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

3.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi từng

3.2.4 Cân bằng nhiệt lượng

Chương 4:Tính toán và thiết kế thiết bị chính

1.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi

1.4 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi

2/ Tính kích thước của buồng đốt và buồng bốc

3/ Tính cơ khí

19

5.5.2 Tải trọng tác dụng lên một tai treo

34

Chương 5:Tính toán các thiết bị phụ

1.2 Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng

1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ

Baromet 37

4.2 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ, bơm nhập liệu, bơm

5/ Lớp cách nhiệt

Chương 6:Tính toán sơ bộ giá thành chi tiết và thiết

bị

Chương 7:Kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN

I Giới thiệu nguyên liệu:

Tính chất của dung dịch đường mía:

 Thành phần: Dung môi: nước.

Các chất hoà tan: chiếm chủ yếu là đường saccaroze,không bay hơi trong quá trình cô đặc

Ngoài ra còn có các chất cặn bã xuất hiện sau quá trình ép mía.Các chất này ảnh hưởng không nhỏ đến quá truyền nhiệt của dung dịch

 Tính chất nguyên liệu trong chế biến:

¯ Dung dịch đường mía có độ nhớt cao

¯ Nhạy cảm với nhiệt độ cao Trong quá trình cô đặc tínhchất của nguyên liệu biến đổi không ngừng Cụ thể:

Biến đổi tính chất vật lý:

Thời gian cô đặc tăng, nồng độ dung dịch tăng dẫn đếntính chất dung dịch thay đổi:

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

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

Biến đổi tính chất hoá học:

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phảnứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạothành các acid

Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ íthoà tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kếttủa

Phân hủy chất cô đặc

Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử,tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và cácamino acid

Phân hủy một số vitamin …

 Việc chế biến, bảo quản:

¯ Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía: độ đường sẽgiảm nhiều và nhanh nếu thu hoạch trễ và chế biếnkhông kịp thời Cho nên vấn đề quan trọng đặt ra là hiệuquả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệusuất cao

¯ Hiện nay, nước ta đã có nhiều nhà máy đường như BìnhDương, Quảng Ngãi, Biên Hòa … Nhưng với sự phát triển ồạt của diện tích mía cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bịcũ kĩ thì khả năng đáp ứng yêu cầu trên là khó

¯ Do đó việc đổi mới công nghệ và thiết bị là mộttrong những đòi hỏi cấp thiết Trong đó có thiết bị côđặc.

II Quá trình và thiết bị cô đặc:

1/ Quá trình cô đặc:

1 Định nghĩa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độcác chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quátrình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng cóchênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằngcách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) Đólà các quá trình vật lý - hóa lý

2 Các phương pháp cô đặc:

 Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từtrạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụngcủa nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằngáp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

 Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến mộtmức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinhthể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dungmôi để tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấutử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặtthoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệtđộ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máylạnh

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 độchuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏnggần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phântử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liênkết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Dođó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủnăng lượng thực hiện quá trình này

 Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khíhình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyểnđộng liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng cácphần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sựtuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách khôngkhí và lắng keo (protit) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặnđược sự tạo bọt khi cô đặc

4 Ứng dụng của sự cô đặc:

Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mìchính,các dung dịch nước trái cây…

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

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc:

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất,thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết

bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn.Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cầnthiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùngvới sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệuquả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏiphải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn vàhiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải cókiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ độngkhám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

2/ Thiết bị cô đặc:

1 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 bảosự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạovận 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 dungdịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bềmặt truyền nhiệt Gồm:

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng,chảy mộtlần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặcbiệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nướctrái cây,hoa quả ép…Gồm:

 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hayngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hayngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ

2 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 tụcđể giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại vàthời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịchđạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ

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 nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiếtkiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợpcả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ chomục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tincậy

III Nhiệm vụ của đồ án:

Thiết kế hệ thống cô đặc đường mía 2 nồi liên tục

Chọn thiết bị loại ống chùm thẳng đứng ,có buồng đốt trong,tuần hoàn tự nhiên

Chương 2: THUYẾT MINH QUI TRÌNH

CÔNG NGHỆ

I QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ :

Năng suất của qui trình cô đặc là 1.5 tấn/h Qui trìnhcông nghệ như sau

II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ

ĐẶC:

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao

vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy xuống qua thiết bị gia nhiệtvà được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm

việc của nồi I Dung dịch sau đó được đưa vào nồi I Do có sựchênh lệch áp suất giữa nồi I và nồi II nên dung dịch tiếptục chảy qua nồi II rồi được bơm hút ra rồi chuyển vào bểchứa sản phẩm Hơi thứ trong nồi I dùng làm hơi đốt nồi IIđể tận dụng nhiệt Hơi thứ nồi II sẽ được đưa qua thiết bịngưng tụ baromet và được chân không hút ra ngoài.

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới củathiết bị là buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt vàmột ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốtsẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắchoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là : do ống tuầnhoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ốngtruyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽsôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung

trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạomột dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị Để ốngtuần hoàn trung tâm hoạt động có hiệu quả dung dịch chỉnên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt.Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏidung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt đểtách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

III.THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Nguyên liệu đầu tiên là nước mía đã được làm sạch có

thiết bị gia nhiệt với năng suất 1,5 tấn/h Tại đây, dung dịch

nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 1 Sauđó dung dịch chảy tiếp vào nồi 1

Trong nồi 1, dung dịch chảy thành màng mỏng từ trênxuống dọc theo bề mặt trong các ống truyền nhiệt , hơi đốt

dịch được bốc hơi tạo thành 2 dòng:

 Dung dịch có nồng độ 10,7% khối lượng , nhiệt độ

bốc nồi 1 để tách các giọt lỏng đi vào phía vỏ củabuồng đốt nồi 2

Tương tự nồi 1, dung dịch nồi 2 chảy màng phía trong ốngtruyền nhiệt, hơi đốt của nồi 2 chính là hơi thứ của nồi 1

đi ngoài ống Hai dòng ra khỏi nồi 2:

 Dung dịch có nồng độ 16% khối lượng , nhiệt độ60.7oC rồi được bơm vào bồn chứa sản phẩm đểchuẩn bị cung cấp cho công đoạn tiếp theo

 Hơi thứ của nồi 2 có áp suất 0.21 kg/cm2 được táchlỏng rồi đi vào thiết bị ngưng tụ baromet.

Nước ngưng từ thiết bị gia nhiệt và các nồi cô đặc ởtrạng thái lỏng sôi được thải vào hệ thống nước thảichung của nhà máy

Tại thiết bị ngưng tụ, hơi thứ nồi 2 được làm nguội và

chung Dòng nước ngưng có nhiệt độ 39.85oC Khí khôngngưng được bơm chân không hút sang thiết bị thu hồi nhằmtách hết ẩm và thải ra ngoài

Chương 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT

CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG1/Cân bằng vật chất:

75016

811500

Trong đó:

lượng

Chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi I và II là :

WI + WII = 750Giải hệ trên có kết quả :

WI = 377 kg/h

WII =373 kg/h

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi I :

3771500

8

*1500

W G

x G

%

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi II :

7501500

8

*1500

W W G

x G

(%)

2/Cân bằng năng lương:

2.1) Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

Aùp suất của hơi đốt vào nồi I là : P1= 3.5 kg/cm2

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :

Kết hợp với phương trình : P1 + P2 = Pt = 3.3 kg/cm2

Suy ra : P1 = 2.3 kg/cm2

P2 = 1 ( kg/cm2) Mà : P1 = P1- P2 P2 = P2- Png

Dựa vào các dữ kiện trên và tra sổ tay qúa trình thiết

bị tập I ta có bảng sau đây:

Áp suất(kg/cm2) Nhiệtđộ

(0C)

Ápsuất (kg/cm2)

Nhiệtđộ (0C)

Hơi

Png=0.2 tng=59.7Hơi

2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất :

a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao ( ’):

Để tính tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao ,ta có thể sử dụng nhiều phương pháp như: Tiaxenko, Babô.Tuy nhiên để đơn giản ta có thể tra(nội suy) theo bảng “Quan hệ giữa độ tăng nhiệt độ sôi ,nồng độ đường và nhiệt độ hơi

thứ của nồi bốc hơi”( Trang 198 - Sách Kỹ nghệ sản xuất

đường mía –NXB KHKT Hà Nội-1984)

Đại lượng

Từ đây ta có tổng tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao :

Ptb = Po + 0.5hhgHop (at)Trong đó:

kg/m3

dm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3

áp suất hơi thứ, at

dd

x x

)288(

3 )

đ (kg/m 3 )

dd (kg/m

3 )

H op (m) P

tb (at)

t sdm (P tb ) ( C)

”

( o C) Nồi I 954.55 1605.934 997.82 0.481 1.253 105.4 0.2

Nồi II 982.82 1598.03 1047.33 0.5255 0.224 61.86 1.16

Tổng 2

mỗi nồi (tra bảng I.250 –trang 312- STT1)

2.2.3 Tổn thất nhiệt độ  do trở lực thủy học trên ’’’ đường ống:

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ốngdẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối cùngđến thiết bị ngưng tụ là 10C

I’’’ = II’’’ = III’’’ = 10C

Suy ra: ∑’’’ = 3 0 C.

2.2.4 Tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc:

∑ = ∑’ + ∑’’ + ∑’’’ = 5,16( 0 C) 2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi từng nồi:

tiI, tiII : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi I, nồi II (độ)

t1’, t2’ : Nhiệt độ hơi thứ nồi I, nồi II , độ

’ ( 0 C) ’

( 0 C) ”

( 0 C)

t s ( 0 C) t i

( 0 C) Nồi I

105,514

2.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu (trước khi vào nồiI):

0526,408.0)514,105542.72514(

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi II:

86264,316.0)05,62542.72514(4190

2.4.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

 Nồi I: Di + GđCđtđ = W1i1 + (Gđ – W1)C1t1 + DCng1θ1 +Qxq1

 Nồi II: W1i1 + (Gđ – W1)C1t1 = W2i2 + (Gđ – W1 – W2) C2t2 +

W1Cng2θ2 +Qxq2

, j/kg

tđ, t1, t2 : Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi IIcủa dung

Cđ, C1, C2 :Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi

II của dung dịch, (j/kgđo)ä

95

2 2 2 2 1 1 2 2 1

t C t C C

i

t C i W t C t C G W

ng í

ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ Các thông số trađược:

 Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi I, nồi II và nồi III: (3)

(kg/h)5,348W

2 1

%5

%372.180.1407

95,401

%5

%927.414

.1430

67.135914

.1430

95

1 1 1

í

C i

t C G t C W G i W

Chương 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT

KẾ THIẾT BỊ CHÍNH1/ TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT:

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo

công thức tổng quát như sau: [2]

i

tK

QF



Trong đó:

Q = Dr (nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà)

ti : hiệu số nhiệt độ hữu ích, °C.

1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:

)( 4,235216

)/(2156300

)/(11.0)/( 392,7

W Q

kg j r

s kg h

kg D

)/( 2249920

)/(0968,0)/(348,5

1 1

W Q

kg j r

s kg h

kg W

( j/kg ) (tra theo trang 313-STT1)

1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi

1.2.1 Tính nhiệt tải riêng trung bình

Đối với mỗi nồi ta có:

q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1

∆t1 =thơi đốt -tw1 , tw1 : chọn

Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

)tt)(

r

1r

1()ttr

1

2 cáu cáu1

2 w 1

q2 = α2(tw2 – t2) = α2∆t2

Trong đó:

t1 : Nhiệt độ hơi đốt, °C

t2 : Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, °C

tw1, tw2 : Nhiệt độ 2 bên thành ống phía hơi đốt và phíadung dịch, °C

α1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2độ

α2 : Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2độ

rcáu1 : Nhiệt trở phía hơi đốt => rcáu1 = 2.7510-3

(m2độ/W) (dựa vào bảng V.1-trang 4-STT2)

rcáu2 : Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch => rcáu2 =0.38710-3 (m2độ/W)



V

: Nhiệt trở thành thiết bị, m2độ/W

 Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉX18H10T có: λ = 16.3 (W/mđộ) ( Tra bảng XII.7-T313-STT2)

 Chọn bề dày thành ống là: δV = 2 mm

Khi tốc độ của hơi nhỏ (ω  10 m/s , chính xác hơn khi ρ’ω’2 

thức (V.101-T28-STT2)

4 1 1

Ht

rA04.2





25 0 3 2

 , đối với nước giá trị A phụ thuộc

tm = 0.5(tw1 + t1)Trong đó:

bị, °C

 Nhiệt tải phía dd sôi : q2=2.t2

 Tính hệ s ố cấp nhiệt phía dung dịch sôi α 2

Được tính theo công thức(VI.26-T70-STT2)

Từ cách tính trên ta có bảng kết quả sau:

Bảng : Hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng của từng nồi

(12)

m W h

m kcal q

i

tb

0 1

2 2

296,32

)/(57,31474)

./(287,27107 →K1 = 974,566 (W/m2độ)

m W h

m kcal q

i

tb

0 2

2 2

154,42

)/(35,29730)

./(087,25605 →K2 = 705,273 (W/m2độ)

1.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi

m m

i m

m im

K Q

t K

Q t

II I

I m

m

K

Q K

Q K

Q K

t

t t t

Nếu (ti) < 5% thì thỏa

Bảng : Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực mỗi nồi

Q (W) (W/m K 2 đ

(t i ) (%) Nồi I 235216,4 974,56

2.1 Kích thước buồng đốt

2.1.1 Xác định số ống truyền nhiệt

05.1015.1021.0

o

(ống)Trong đó:

(17)

Do 1 > 2 nên d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

 Chọn theo chuẩn n = 127 ống ( BẢNG V.11 STQTTB T2 trang 48 )

2 1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm [2]

Diện tích mặt cắt của tất cả ống truyền nhiệt:

044.04

127021.04

2 2

F

 Chọn theo chuẩn Dth = 0.219 m và đảm bảo cho Dth>do

2.1.3 Số ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm [1]

025.05.1

159.01

Vậy số ống truyền nhiệt cần thiết: 127 – 37 = 90 (ống)

2.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết

)(m9.85.1021.0

2.1.5 Đường kính buồng đốt:

2 n th

n o 2

l

Fd60sin4.0

Suy ra:

4988.0)025.05.12219.0(5

.18.0

025.012760sin5.1

2.2 Kích thước buồng bốc

Do lượng hơi thứ bốc lên ở hai nồi gần xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi hai nhỏ hơn nên khối lượng riêng của hơi ở nồi

II sẽ nhỏ hơn nồi I suy ra thể tích hơi thóat ra ở nồi II sẽ lớn hơn nồi I Do vậy ta chỉ cần tính đại diện nồi II

– 80% vận tốc lắng(0)

l,h : khối lượng riêng của giọt lỏng và hơi thứ (kg/m3)

d : đường kính giọt lỏng, chọn d =0.0003 m

 : hệ số trở lực

0.2< Re < 500  = 0.6

Re

5.18

diện tích buồng bốc: Fb=

4

114.34

5,401





h h

W

785.0

8296.0

13444.0

*0003.0

*06.1

41.3

5.18

6

0 Vận tốc lắng :

*1.8

*3

0003.0

*)13444.082.982(

*81.9

*

thấy : h = 1.06 m/s < 80%0=1.55 m/s ( thoả điều kiện )

chọn U’t= 1600m3/m3.h: cường độ bốc hơi thể tích Do dung dịchsôi tạo bọt nên cường độ bốc hơi thể tích giảm còn :

*3726.0

76.377

Vậy chiều cao buồng bốc là:

114.3

167.14

.4

* * Kích thước của cả 2 nồi:

m D

m H

n

t

025.0

127

6.0

5.1

m H

5.1

* * Bộ phận nối buồng đốt và buồng bốc:

Chọn đáy nón cụt và vật liệu là thép không

gỉ X18H10T

2

6.0.1

m.1

m6.0

H D

D

lon nho

3/ TÍNH CƠ KHÍ:

3.1 Thân thiết bị:

3.1.1.Tính thân buồng đốt:

Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt làthép CT3

bọc cách nhiệt)

Các thông số cần tra và chọn:

N/mm2 (Tra đồ thị h1-2, trang 22 –[6])

4.125

25.06002



Bề dày thực:

S = S’ + C (mm)

Với C là hệ số bổ sung bề dày tính toán, mm

C = Ca + Cb + Cc + Co (mm)Trong đó:

Ca: Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi

.01

4800

1495.013222

][

(thoa)1.000375.0800

14

P C

S D

C S P

D

C S

a t

a h

t a

Ta tính bền tương tự như nồi I

t = 104.2 oC

bọc cách nhiệt)

Vì nồi I và II đều chịu áp suất trong và Pt(I) > Pt(II) nên nếu

chắc chắn sẽ thoả điều kiện bền

Vậy bề dày nồi II: S = 4 mm.

3.1.2 Thân buồng bốc

Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng bốc làthép không gỉ X18H10T

5.1.2.1 Nồi I

Áp suất của môi trường làm việc bên trong lớn hơn bênngoài thiết bị => Thân buồng bốc nồi I chịu áp suất trong

Ta tính bền tương tự như thân buồng đốt nồi I

Pt = 1.241 kg/cm2

t =105.2oC

bọc cách nhiệt)

Các thông số cần tra và chọn:

.05.132

0241.010002



Bề dày thực:

 Chọn S = 4 mm.(chọn bằng bề dày thân buồng đốt)

Kiểm tra độ bền:

.01

41000

1495.013922

][

(thoa)1.0003.01000

14

P C

S D

C S P

D

C S

a t

a h

t a

Pt = 0.21 kg/cm2

t =60.7 oCThông số tính toán: Pn = 1 + (1 – 0.21) = 1.79 kg/cm2 =

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  Tra []* =

t t

n

'lE

PD18.1

179.0100018.1

4 0

 Chọn S = 8 (theo chuẩn ) mm

Kiểm tra hai điều kiện:

.11000

15001643

.01000

1-821.5

2

'2

5.1

t

a

C S

D D

l D

C S

1000

1826

.237

1024.203.05.11000

1500

23

.0'

3 4

c

t

C S E

.036.01000

181500

10001024.200.649

'649.0

2 5 4

a t

D

C S D

C S l

D E P

nén chiều trục:

▪ Lực nén chiều trục cho phép của thân:

4

8210004

▪ Tỷ số:   28 1 71.43

10002

 kC = 0.071 (35) (tra bảng trang 140 – HLV – Tính toán

thiết kế các thiết bị hoá chất )

1024.20

6.237875

C S S D P

▪ Ứng suất nén chiều trục cho phép:

)(N/mm6

.1001000

181024.20071.0']

D

C S E

C n



▪ Điều kiện:

179.06.100

7.36

n

n n

Vậy chiều dày thân buồng bốc nồi II: S = 8 mm.

3.3 NẮP VÀ ĐÁY THIẾT BỊ

[]* : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2  []* = 139N/mm2.

Sơ bộ chọn bề dày bằng bề dày buồng bốc nồi I: S = 4mm

Kiểm tra độ bền:

.01

41000

1495.013922

][

(thoa)1.0003.01000

14

P C

S R

C S P

D

C S

a t

a h

t a

10004

2 2





Vậy chiều dày nắp nồi I: S = 4 mm

t = 60.7 + 20 = 80.7 °C (nắp có bọc cáchnhiệt)

Các thông số cần tra và chọn:

t y

x





hạn chảy của nó ở nhiệt độ tính toán (đối với thép không

gỉ x = 0.7)

Trước hết ta chọn bề dày nắp bằng bề dày thân tínhtoán S = 8 mm