ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DỨA (WORD+CAD)

cô đặc dứa thiết kế thiết bị cô đặc dứa thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa thiết kế thiết bị cô đặc 1 nồi Sau khi mua tài liệu. Nhấp vào link sau để có bản CAD+PDF https://drive.google.com/drive/folders/1DC3GVXIgrpKb1QANYnxqulyNKOrhnnrv?ogsrc=32

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

Đồ án:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH DỨA NĂNG SUẤT 1000KG/H

GVHD: NGUYỄN VĂN NGUYỆN

SVTH: NGUYỄN THỊ QUỲNH NHƯ 13116097

TPHCM, ngày 18 tháng 12, năm 2016

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp.HCM, ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Văn Nguyện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp.HCM, ngày tháng năm Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

LỜI MỞ DẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1 Tổng quan về dứa 2

1.1 Nguồn gốc 2

1.2 Những đặc tính chủ yếu 2

1.3 Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam 2

1.4 Giá trị dinh dưỡng 3

1.5 Lợi ích của dứa 4

1.6 Quy trình sản xuất dứa cô đặc 5

2 Cô đặc và quá trình cô đặc 6

2.1 Khái niệm 6

2.2 Bản chất của cô đặc do nhiệt 6

2.3 Phân loại và ứng dụng 6

2.4 Một số thiết bị cô đặc 7

2.5 Lựa chọn thiết bị cô đặc 10

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC DỨA 11

3 Hệ thống cô đặc dung dịch nước dứa 11

3.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục chân không 11

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc 11

3.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc 11

CHƯƠNG III CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 13

4 Cân bằng vật chất và năng lượng 13

4.1 Cân bằng vật chất 13

4.2 Cân bằng nhiệt 14

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 20

5 Tính kích thước thiết bị cô đặc 20

5.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 20

5.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc 24

5.3 Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc 30

CHƯƠNG V TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 54

6 Tính toán thiết bị phụ 54

6.1 Thiết bị ngưng tụ 54

6.2 Bồn cao vị 56

6.3 Bơm 58

6.4 Cửa sữa chữa 62

6.5 Kính quan sát 62

BẢNG TỔNG KẾT 63

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt 17

Bảng 2: Tổng kết về các số liệu trong cân bằng năng lượng 20

Bảng 3: Tổng kết về các thông số truyền nhiệt cho thiết bị 25

Bảng 4: Kích thước nồi cô đặc 43

Bảng 5: Số liệu bích nối buồng đốt và đáy 44

Bảng 6.Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp 45

Bảng 7: Tổng kết về loại thép và khối lượng thép dùng cho thiết bị 53

LỜI MỞ ĐẦU

Mục tiêu của đồ án “Thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa

năng suất 1 t ấ n /h” là thiết kế hệ thống cô đặc dứa từ nồng độ

chất khô 15% đến 40% với năng suất 1 tấn/h đạt tiêu chuẩn xuấtkhẩu

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức

cơ bản về quá trình cô đặc dung dịch nước dứa Quy trình côngnghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt chothiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụcần 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 cầukhông thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm Do đó đểtrở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiếnthức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thựcphẩm Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiệncông tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũngrất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Nguyện cũngnhư các thầy cô của bộ môn Quá trình thiết bị và những ngườibạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em trong quá trình thiết kế

Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sứcmới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánhgiá khách quan của thầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với

em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoànthiện hơn

6

Xin chân thành cám ơn!

Ở nước ta dứa được trồng nhiều ở Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Giang, Bắc Ninh,Tuyên Quang, Thanh Hoá, Nghệ An, Tây Ninh, Kiên Giang.

(khoahocchonhanong.com)

1.2 Những đặc tính chủ yếu

Dứa có các lá gai mọc thành cụm hình hoa thị Các lá dài và có hình dạng giốngmũi mác và có mép lá với răng cưa hay gai Hoa mọc từ phần trung tâm của cụm láhình hoa thị, mỗi hoa có các đài hoa riêng của nó Chúng mọc thành cụm hình đầu rắnchắc trên thân cây ngắn và mập Các đài hoa trở thành mập và chứa nhiều nước vàphát triển thành một dạng phức hợp được biết đến như là quả dứa (quả giả), mọc ởphía trên cụm lá hình hoa thị

1.3 Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam

 Dứa Victoria (dứa tây, dứa hoa) có các giống:

nhiều gai và cứng, quả nhỏ, thịt quả vàng đậm, thơm, ít nước, giòn

suất cao

 Dứa Cayen: lá chỉ có ít gai ở đầu mút lá, lá dài cong lòng máng, quả to khi chưachín quả màu xanh đen, khi chín chuyển màu da đồng Quả nhiều nước, thịt vàngngà, mắt dứa to và nông, vỏ mỏng, thích hợp với đóng hộp

vườn cây lâm nghiệp Dứa Cayen trồng phổ biến ở Tam Điệp, Ninh Bình

cây chịu bóng tốt, có thể trồng ở dưới tán cây khác Quả to nhưng vị ít ngọt

8

 Dứa mật (Ananas comosus sousvar - Singapor spanish) có quả to thơm, ngon, trồng

các đồi vùng Trung du Quả bé nhưng thơm, ngọt

 Dứa không gai (Ananas comosus cayenne) được trồng ở Nghệ An, Quảng Trị, LạngSơn Cây không ưa bóng Quả to hơn các giống trên (khoahocchonhanong.com)

1.4 Giá trị dinh dưỡng

Trong 100g phần ăn được của dứa cung cấp:

15 36.2

mgmgmgmgmgµgmg

8 12

115 0.1

mgmgmgmgmgmg

(Nutritiondata.com)

1.5 Lợi ích của dứa

oxi hóa tan trong nước của cơ thể, giúp cơ thể chống lại các gốc tự do Điều nàykhiến cho dứa trở nên vô cùng hữu dụng trong việc chống lại những bệnh lý nhưbệnh tim, xơ vữa động mạch và đau khớp

trọng) cần thiết cho cơ thể, có vai trò quan trọng trong việc phát triển xương và các

mô liên kết Do đó, dứa là một lựa chọn hoàn hảo cho những người lớn tuổi cóxương đang ngày trở nên giòn hơn

 Thúc đẩy quá trình tiêu hóa: Giống như nhiều loại rau và quả khác, dứa chứa nhiềuchất xơ giúp tiêu hóa Thêm vào đó, dứa còn chứa một lượng đáng kể bromelain,một loại enzym phân hủy protein, từ đó đẩy nhanh quá trình tiêu hóa

thể giúp làm giảm nguy cơ đau khớp và sưng tấy, Viêm quá mức có thể dẫn tới mộtloạt các bệnh nguy hiểm, bao gồm cả ung thư, và theo một số nhà dinh dưỡng họcthì bromelain có thể giúp phòng ngừa bệnh Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể

về việc liệu bromelain trong dứa có kết quả tương tự hay không

trở thành món ăn cực tốt cho người có nguy cơ bị đông máu (Morton& Julia F,

2011 )

10

1.6 Quy trình sản xuất dứa cô đặc

2 Cô đặc và quá trình cô đặc

DứaPhân loại

Xử lýRửa

Dập nát

Vỏ mắt dứa

Nước

Ép Lọc thô Gia nhiệt

Nước dứa cô đặcChai

Nắp

2.1 Khái niệm

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòatan trong dung dịch bao gồm hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặccủa dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôirất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi;

đó là quá trình vật lý – hóa lý

Các phương pháp cô đặc:

+ Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng tháilỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêngphần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

+ Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ nào

đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới các dạng tinh thể của đơn chất tinhkhiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùytính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng màquá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi taphải dùng máy lạnh

2.2 Bản chất của cô đặc do nhiệt

Để tạo thành hơi, tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phần tửchất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bayhơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trởlực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ nănglượng thực hiện quá trình này Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủyếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt vàchuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ởtrên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi côđặc Tách không khí và lắng keo sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

2.3 Phân loại và ứng dụng

Theo cấu tạo:

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

12

+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn tronghoặc ngoài

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

bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc từ 1.5 m/s đến 3.5m/s tại bề mặt truyền nhiệt

Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được chocác dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt 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

này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyềnnhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác động nhiệt độ lâulàm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợpcho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Baogồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dungdịch sôi tạo bọt khó vỡ

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

Theo phương thức thực hiện quá trình

+ Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất khôngđổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mứcdung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặcngắn nhất

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

+ Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồikhông nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta

có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế

+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thểđược điều khiển tự động nhưng hiện 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, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy theo điềukiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ

cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

14

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sữa chữa và làm sạch

- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bịđun nóng

2.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

- Cấu tạo:

+ Phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữaphòng đốt và vỏ đóng vai trò tuần hoàn, hơi đốt đi vào phòng theoống

+ Phòng đốt có thể được lấy ra ngoài khi cần sữa chữa hoặc làmsạch

+ Tốc độ tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng

- Nhược điểm :

+ Cấu tạo phức tạp

+ Kích thước lớn do có khoảng trống vành khăn

2.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

+ Dung dịch đi vào phòng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng

đi qua ống vào phòng bốc hơi

+ Hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòngđốt theo ống tuần hoàn

+ Đôi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làmviệc thay thế khi cần làm sạch và sữa chữa để đảm bảo quá trìnhlàm việc liên tục

2.4.4 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang

+ Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U

+ Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ tráiqua phải, còn ở nhánh trên từ phải qua trái

+ Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏiphòng bốc hơi để làm sạch và sữa chữa

+ Cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hoàn ởgiữa và phòng đốt treo

+ Dễ dàng tháo phòng đốt để sữa chữa và làm sạch

2.4.5 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

+ Dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn

+ Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc hơi, còn phầnchính chảy về ống do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịchđầu đi vào phòng đốt

- Ưu điểm

+ Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt

+ Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tựnhiên khó thực hiện

+ Tốn năng lượng để bơm

+ Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn

+ Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau

2.4.6 Thiết bị cô đặc loại màng

+ Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạngmàng mỏng từ dưới lên trên

+ Phòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 – 9 m, hơiđốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào ở đáy thiết bị

+ Nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độcần thiết

+ Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên vớitốc độ lớn ~20m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cũng đilên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi

thấp bề mặt truyền nhiệt của ống ở giữa sẽ bị khô, mức chất lỏngthích hợp xác định bằng thực nghiệm

+ Áp suất thủy tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thủy tĩnh ít

- Nhược điểm:

+ Khó làm sạch vì ống dài

+ Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi + Không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

2.5 Lựa chọn thiết bị cô đặc

Trong dứa có nhiều chất khoáng và vitamin, đặc biệt là hàm lượngcao vitamin C, rất tốt cho sức khỏe, tuy nhiên các thành phần này dễ

bị phân hủy ở nhiệt độ cao nên em chọn thiết bị cô đặc chân khôngmột nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâmnhằm tránh thất thoát chất dinh dưỡng

Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch,giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo vàbám lại trên thành thiết bị Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơngiản, dễ vệ sinh và sửa chữa

Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàndung dịch nhỏ và hệ số truyền nhiệt thấp

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC

DUNG DỊCH NƯỚC DỨA

3 Hệ thống cô đặc dung dịch nước dứa

3.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục chân không

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từbồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt

và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc thực hiệnquá trình bốc hơi Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dướithiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng

đi ra ở phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet,ngưng tụ thành giọt lỏng chảy vào bồn chứa nước ngưng, phầnkhông ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng đượcbơm chân không hút ra ngoài

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm các ống truyền nhiệt vàmột ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đitrong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động củaống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơnnhiều so với ống truyền nhiệt do đó có hệ số truyền nhiệt nhỏ, dungdịch sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung

hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một vòng chuyển độngtuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động cóhiệu quả dung dịch cho vào khoảng 0.4-0.7 chiều cao ống truyềnnhiệt Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏidung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách những giọt lỏng rakhỏi hơi thứ Hơi đốt đưa vào thiết bị, hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫnngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả

ra ngoài theo cửa xả khí ngưng Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vàothiết bị baromet Toàn bộ hệ thống làm việc ở điều kiện chân không

do bơm chân không tạo ra Dung dịch được bơm ra ngoài theo ốngtháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm và vào thùng chứa sản phẩm

18

3.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc

CHƯƠNG III CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4 Cân bằng vật chất và năng lượng

4.1 Cân bằng vật chất

Dữ liệu ban đầu:

 Nồng độ ban đầu: xđ = 15%

 Nồng độ sản phẩm: xc = 40%

 Năng suất nhập liệu: Gđ = 1000kg/h

 Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: chọn tđ = 300C

 Chọn áp suất hơi đốt là 1.23at (Tra bảng 56, bảng tra cứu /45) ta có nhiệt độ hơi đốt

là 105oC

bảng tra cứu /45) có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ là Tng=45oC

Theo định luật bảo toàn khối lượng trong suốt quá trình cô đặc ta có: nồng độ chấttan không thay đổi

Gđ Gc: lưu lượng ban đầu và cuối cùng của dung dịch (kg/h)

xđ xc: nồng độ chất tan đầu và cuối (%)

Ẩn nhiệthóa

hơi(kJ/kg)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(oC)

21

: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển

Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 40%

= 0.90C (Tra đồ thị VI.2, trang 60, [2])

Theo công thức VI.11, [2], trang 59: f = 16.2

Trong đó:

t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất p0

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (tra bảng I.251, trang314,[1]) => r = 2391.3 (kJ/kg)

Ta có:

f = 16.2* = 16.2 = 0.685

= 0.9 0.685 = 0.61650C

tsdd(p0) = tsdm(p0) + = 45+0.6165 = 45.620C

4.2.1.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:

P = ρs*g*Hop (N/m2) (Phạm Văn Bôn, 2006)

Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd

22

ρdd: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)

Để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau có thể dùng quy tắcBabô Theo quy tắc Babô thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dungdịch loãng p với áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất p0 ở cùng nhiệt độ làkhông đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc vàonhiệt độ sôi

từ biểu thức này nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suấtnào đó thì cũng có thể xác định được nhiệt độ ở các áp suất khác nhau

4.2.2 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa áp suất hơi đốt là 1.23at tD = 1050C (tra bảngI.251, [1], trang 314)

 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

23

 = tD- tC - = 105 - 45 – 4.92 = 55.080C

Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt

Gọi

D: là lượng hơi đốt cho vào nồi (kg/s)

h1: entanpy hay nhiệt lượng riêng của hơi đốt (kJ/kg)

tđ: nhiệt độ ban đầu của dung dịch trước cô đặc (0C)

tc: nhiệt độ cuối của sản phẩm sau cô đặc (0C)

: nhiệt độ của nước ngưng coi nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt (0C)

Cđ, Cc, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, sản phẩm cuối và nước ngưng(kJ/kg.K)

h2: entanpy hay nhiệt lượng riêng của hơi thứ (kJ/kg)

Nhiệt lượng vào thiết bị cô đặc:

24

Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị cô đặc:

Nhiệt độ của dung dịch cô đặc 15% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 45.620C

Nhiệt độ của dung dịch cô đặc 40% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc (công thức 2.15,trang107,[6])

tc = tsdd (p0) + 2 = 45.62 + 2.3.3 = 52.220C

Nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc:

công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]):

4.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt

Như vậy sẽ thiết lập được phương trình cân bằng nhiệt sau đây:

Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là (W)

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào ( không có quá trìnhlạnh sau khi ngưng) thì ( 2248 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

 Tổng lượng hơi đốt D phải dùng (biểu kiến): (Theo CT 5.23, Quá trình và thiết bị[5], quyển 1, trang 279)

25

Bảng 2: Tổng kết về các số liệu trong cân bằng năng lượng

Nhiệt dung riêng của dung dịch

Nhiệt dung riêng của dung dịch

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

5 Tính kích thước thiết bị cô đặc

5.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

5.1.1 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc

K = (W/m2.K)

Qtb: nhiệt tải riêng trung bình (W/m2)

hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết (0C)

5.1.1.1 Nhiệt tải riêng trung bình

qtb = (W/m2)

26

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 phía dung dịch sôi (W/m2)

tbh: nhiệt độ hơi nước bão hào dùng làm hơi đốt (0C)

ts: nhiệt độ sôi dung dịch (0C)

tw1 tw2: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ phía dung dịch sôi (0C)

sánh nhỏ hơn 5% thì chấp nhận giả thiết

5.1.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt

= r1 + r2 + (m2.K/W)

Chọn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nước sạch Theo V.I trang 4, [2]

r1 = 0.232 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.K/W)

r2= 0.387 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.K/W)

27

: chiều dày thành ống đốt (m)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt (W/m.K)

Chọn bề dày của ống truyền nhiệt =0.0042m, vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thépcrom – niken – titan Mã hiệu (1X18H9T) và hệ số dẫn nhiệt tại tv1 = 1050C λ =16.97(W/m.K) (tra I.125,trang 127, [1])

= = 2.65 (m2.K/W)

= 0.232 +0.387 2.65 = 0.884 (m2.K/W)

5.1.3 Hệ số cấp nhiệt

5.1.3.1 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (W/m 2 K)

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằngcách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ ( = 10m/s), nước ngưng chảymàng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1.5m), ngưng hơi bão hòa tinh khiết ứng trên

bề mặt đứng Công thức (V.101) trang 28, [2] được áp dụng:

Trong đó:

: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ W/(K)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 1.23at (2248 kJ/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1.5m)

A : hệ số đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm

Chọn =4.5 oC: hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt truyền cho thành thiết bị:

Nhiệt trung bình của thành thiết bị:

Khi dung dịch sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp nhiệt khi chất lỏngsôi được tính theo công thức VI.27, trang 71, tập 2:

(W/m2.K)

Trong đó: chỉ số dd biểu thị cho dung dịch, chỉ số dm biểu thị cho nước

 : hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)

ρ: khối lương riêng (kg/m3)

c: nhiệt dung riêng (J/kg.K)

a: phần mol của saccharose

Xem nồng độ của saccharose trong dung dịch là 40% (

5.1.3.4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc

K được tính thông qua các hệ sô cấp nhiệt:

(W/m2.K)

5.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

)

Bảng 3: Tổng kết về các thông số truyền nhiệt cho thiết bị

5.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc

 W: suất lượng hơi thứ; kg/s

 = 0.068kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc (tra bảng I.251,trang 314, [1])

 = 0.2889 at

Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc:

Wh = = = (m2/s)

30

 = 0.068 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc

p0 = 0.098 at (Tra bảng I.251, trang 311, [1])

 d: đường kính giọt lỏng (m) Chọn d = 0.0004 m (Trang 292, [3])

Như vậy đường kính buồng bốc là Db = 1200 mm

 Chiều cao buồng bốc (Hb):

Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:

Utt = f*Utt (m3/m3.h)

Trong đó:

f – hệ số điều chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

Utt (1at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi áp suất là 1at

Chọn Utt (1at) = 1700 (m3/m3.h) f = 1.6 (tra hình VI.33, trang 72, [2])

Utt = 1.6*1700 = 2730 (m3/m3.h)

Thể tích buồng bốc:

Vb = = = 3.3 m3

Hkgh = = = 2.92 m : chiều cao không gian hơi

Chọn chiều cao buồng bốc là 3.5m

5.2.2 Tính kích thước buồng đốt

 Số ống truyền nhiệt

31

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức 3.140, trang 134, [3]:

n =Trong đó:

 F = 11.06m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

 l = 2 m – chiều dài của ống truyền nhiệt

 d – đường kính của ống truyền nhiệt

 Vì nên ta chọn d = dt = 20 mm

 Số ống truyền nhiệt là:

n = = 88.01Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n= 91 ống và bố trí ống theo hình lụcgiác đều

 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth)

chọn Dth = 250 mm theo tiêu chuẩn ASTM của Mĩ

Kiểm tra: = = 12.511 10 (thỏa)

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theohình lục giác đều đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (VI.40.trang 74, [2])

Trong đó:

 : hệ số thường có giá trị từ 1.3 – 1.5 Chọn = 1.5 (t: bước ống m)

 dn = 0.022 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

 : hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0.7 – 0.9 Chọn = 0.9

 l = 2 m: chiều dài của ống truyền nhiệt

 Dnth = 0.25 m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

 = 600 : gốc ở đỉnh của tam giác đều

 F = 11.06: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Dt =

= 0.45 m

chọn Dt = 600mm = 0.6 m theo tiêu chuẩn (trang 275, [5])

 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

32

Phân bố 91 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như sau:

Số ống trong các hình viên phân

 Số ống truyền nhiệt còn lại là: = 91 – 7 = 84 ống

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 1.23at Chọn v = 20 m/s (trang 74,[2])

0.69799 kg/m3 (Tra bảng I.251, trang 314, QTTB, [1])

d = = = 0.138 m

Chọn dt = 140 mm; dn = 144 mm

- Ống dẫn hơi thứ: W = 625 kg/h

Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 0.098 at Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2])

((Tra bảng I.251, trang 314, QTTB, [1])

Sơ lược cấu tạo

 Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 2 m

 Thân có 3 lỗ, ứng với 3 lỗ ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng

(I.125 trang 127, [1]) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn

Tính toán:

 Bề dày buồng đốt hình trụ được tính theo công thức XIII.8 trang 360, [2]:

+ C (m)

Trong đó:

 : Đường kính trong của thiết bị (m)

 : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

 C: Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày; m

 : Áp suất bên trong của thiết bị (N/m2)

34

 Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường (mm)

 Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo (mm)

 C0: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước (mm)

 Vậy trong trường hợp đang xét là dung dịch lỏng có Cb = Cc = 0

 C0 là đại lượng bổ sung do sai số của chiều dày phụ thuộc vào chiều dày của tấm vậtliệu (theo XIII.9, trang 364, tập 2) ta có: C0 = 0.4 (mm) đối với thép cán loại dày 4(mm)

Chọn hệ sô hiệu chỉnh ( có lớp bọc cách nhiệt) ( trang 17,[4])

Ứng suất cho phép của vật liệu là:

Có thể bỏ qua Pt ở mẫu số của công thức

Theo công thức 5 – 3, trang 96,[4]:

= = = 6.2 (mm)

Trong đó:

  = 0.95: hệ số bền mối hàn (bảng 1-8,trang 19, [4], hàn một phía)

 Dt = 600 mm: đường kính trong của buồng đốt

35