Đồ án thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục Ứng dụng cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly

Đồ án kỹ thuật thực phẩm là môn học vận dụng những kiến thức đã học (chuyên ngành công nghệ thực phẩm) để thiết kế ra thiết bị ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm tại các nhà máy. Mục đích đồ án kỹ thuật thực phẩm: giúp cho sinh viên tiếp cận và hiểu thêm về khía cạnh của một người kỹ sư thiết kế trong lĩnh vực thực phẩm. Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục Ứng dụng dung dịch cà phê sau trích ly

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

PHIẾU NHẬN XÉT

Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:

Nội dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP HCM, ngày tháng năm Chủ nhiệm bộ môn Giảng viên hướng dẫn

LỜI CÁM ƠN

Với đề tài “Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục - Ứng dụng

cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly”, chúng tôi chân thành cám ơn sự hướng dẫn của thầy Huỳnh Thái Nguyên đã giúp chúng tôi hoàn thành môn học Đồ án

Kỹ thuật Thực phẩm Ngoài ra, chúng tôi cám ơn sự giúp đỡ từ các thầy cô thuộc khoa Công nghệ thực phẩm cũng như bạn bè cùng khóa đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện đồ án này

Đây là lần đầu tiên chúng tôi làm đồ án này nên trong bài làm dưới đây sẽ có nhiều điều thiếu sót Chúng tôi hy vọng có được sự góp ý từ thầy và các bạn để chúng tôi bổ sung, sửa lỗi và hoàn thiện đầy đủ hơn về bài làm của mình

LỜI MỞ ĐẦU

Cà phê hòa tan hay cà phê uống liền (instant coffee) là loại đồ uống bắt nguồn từ cà phê dưới dạng bột cà phê, được nêm nếm sẵn theo khẩu vị và được chế biến bằng phương pháp rang - xay - sấy khô

Trong công nghệ sản xuất cà phê hòa tan, quá trình cô đặc được thực hiện sau quá trình trích ly để dễ dàng thực hiện quá trình sấy tiếp theo Chính vì điều

đó, chúng tôi được thầy giao đề tài “Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục - Ứng dụng cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly” nhằm làm tăng nồng

độ chất khô từ dung dịch cà phê một cách hiệu quả nhất cũng như tăng hiệu quả của quá trình sấy và góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm cà phê hòa tan.

Mục lục

LỜI CÁM ƠN ii

LỜI MỞ ĐẦU iii

Mục lục iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Ứng dụng của quá trình cô đặc vào trong công nghệ sản xuất thực phẩm 1 1.2 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan 1

1.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan 1

1.2.2 Thuyết minh quá trình cô đặc trong sản xuất cà phê hòa tan 3

1.2.3 Hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục 4

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 7

2.1 Dữ kiện ban đầu 7

2.2 Cân bằng vật chất 7

2.2.1 Suất lượng nhập liệu (Gn) 7

2.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên 7

2.3 Cân bằng năng lượng 7

2.3.1 Xác định nhiệt độ và áp suất trong nồi 7

2.3.2 Nhiệt dung riêng 8

2.3.3 Cân bằng nhiệt lượng 9

2.4 Xác định nhiệt độ tổn thất 10

2.4.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’) 10

2.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) 10

2.4.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ (∆’’’) 12 2.4.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống 12

2.5 Nhiệt lượng riêng 12

2.6 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 12

2.6.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) 12

2.6.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2) 13

2.7 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 14

2.8 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 14

2.9 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 14

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 15

3.1 Thiết bị chính 15

3.1.1 Buồng đốt 15

3.1.2 Buồng bốc 17

3.1.3 Tính kích thước của ống dẫn 20

3.1.4 Đường kính ống dẫn hơi đốt 21

3.1.5 Đường kính ống dẫn hơi thứ 21

3.1.6 Đường kính ống tháo nước ngưng 21

3.1.7 Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 22

3.1.8 Tính bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị 22

3.1.9 Tổng kết 23

3.2 Tính cơ khí các chi tiết thiết bị 23

3.2.1 Buồng đốt 24

3.2.2 Buồng bốc 27

3.2.3 Mặt bích 29

3.2.4 Bích nối buồng đốt 29

3.2.5 Bích nối buồng bốc 30

3.2.6 Vỉ ống 31

3.2.7 Tai treo 32

3.3 Thiết bị phụ 35

3.3.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 35

3.3.2 Tính toán và chọn bơm 40 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Ứng dụng của quá trình cô đặc vào trong công nghệ sản xuất thực phẩm

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi

Trong công nghệ sản xuất thực phẩm, quá trình cô đặc được ứng dụng rộng rãi: + Công nghệ sản xuất đường

+ Công nghệ sản xuất nước trái cây cô đặc

+ Công nghệ sản xuất trà, cà phê hòa tan

+ Công nghệ sản xuất sữa đặc có đường

+ …

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1.2.2 Thuyết minh quá trình cô đặc trong sản xuất cà phê hòa tan

Mục đích: tăng nồng độ chất khô của dịch trích cà phê để quá trình sấy được thực hiện dễ dàng

 Các biến đổi trong quá trình cô đặc dung dịch cà phê

 Sự tăng độ nhớt của dịch trích: trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô của dịch trích tăng lên, do đó, độ nhớt của dịch trích cũng tăng theo

 Hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi: trong quá trình cô đặc, dưới tác dụng của nhiệt độ, cùng với sự bay hơi nước, các chất dễ bay hơi (đặc biệt là các cấu

tử tạo hương) cũng sẽ bị bay hơi, gây hiện tượng tổn thất hương, làm giảm cường độ hương của sản phẩm Để hạn chế hiện tượng tổn thất hương, người ta thực hiện quá trình tách hương trước khi cô đặc

 Sự thay đổi nồng độ chất khô: nồng độ chất khô trong dịch trích cà phê sẽ tăng lên sau khi dịch trích được cô đặc

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện quá trình cô đặc dịch trích cà phê như sau:

 Phương pháp cô đặc bốc hơi: phương pháp này dùng nhiệt để thực hiện quá trình cô đặc Quá trình cô đặc này thường được thực hiện ở áp suất chân không để tăng hiệu quả quá trình cô đặc Đồng thời, còn hạn chế các biến đổi của những cấu tử trong dịch trích cà phê do tác động của nhiệt

 Phương pháp cô đặc kết tinh: trong phương pháp cô đặc kết tinh, dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh đến 2oC Sau đó, dung dịch được làm lạnh chậm đến nhiệt độ -4oC Khi đó, nước sẽ kết tinh Tốc độ làm lạnh càng chậm, tinh thể tạo thành càng to, quá trình tách các tinh thể đá càng thuận lợi Dịch trích cà phê được làm lạnh nhanh bằng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng đến nhiệt độ khoảng 2oC, dịch trích cà phê được

hạ nhiệt độ xuống dần đến -4oC và duy trì ở điều kiện nhiệt độ này cho đến khi quá trình kết tinh được hoàn thành Sau đó, tinh thể đá được tách ra bằng phương lọc hoặc

ly tâm

 Phương pháp cô đặc bằng membrane: trong phương pháp này, dịch trích cà phê được phân riêng bằng membrane với dòng retentate là dòng dịch trích cà phê cô đặc và dòng permeate là dòng thải bỏ Thông thường, trong cô đặc cà phê, hai kỹ thuật membrane thường được ứng dụng là kỹ thuật lọc nano và kỹ thuật thẩm thấu ngược

Ưu điểm của phương pháp cô đặc membrane là chất lượng cảm quan của dịch trích cà phê không bị ảnh hưởng đáng kể, chi phí vận hành thấp Tuy nhiên, chi phí đầu tư thiết bị membrane khá cao và nồng độ chất khô cuối cùng của dịch cô đặc thường thấp

hơn các phương pháp khác Do đó, membrane thường được sử dụng như quá trình tiền

cô đặc, sau đó có thể thực hiện tiếp quá trình cô đặc chân không hoặc quá trình cô đặc kết tinh

1.2.3 Hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục

1.2.3.1 Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục

ống tuần hoàn trung tâm 1.2.3.2 Nguyên lý làm việc hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch cà phê có nồng độ 8% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kếrồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 2.5at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi được dẫn về nồi hơi Khí không ngưng được xả theo định kỳ

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi được dẫn về nồi hơi

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm: khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng - hơi có khối lượng riêng giảm đi và

bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng - hơi

ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng - hơi thành hai dòng Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu

Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu tiếp xúc) Chất làm lạnh là

nước được bơm vào ngăn trên cùng, còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng

Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết

bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Dữ kiện ban đầu

Trong cà phê, tinh bột chiếm thành phần chủ yếu từ 8 - 23 % Do vậy, có sự biến tính tương đối trong quá trình cô đặc từ tinh bột thành glucose nên các thông số được tính thông qua glucose

Các số liệu ban đầu:

 Dung dịch cà phê sau khi trích ly:

 Nhiệt độ ban đầu 28o

2.3.1 Xác định nhiệt độ và áp suất trong nồi

Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 2.5 at Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 315, ta có nhiệt độ hơi đốt là 126.25o

C

Áp suất hơi thứ trong buồng bốc:

Gọi ∆’” là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, chọn ∆’” = 1oC Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm (P0)

tsdm (P0) – tc = ∆’”

tsdm (P0) = ∆’” + tc = 1 + tc

Trong đó:

tc: nhiệt độ hơi thứ trong TBTN baromet

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

(Theo Bài tập truyền nhiệt – Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm, trang 117)

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

Ở áp suất thự trên chân không kế tại thiết bị ngưng tụ Pc = 0.5at thì nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ baromet tc = 80.9oC

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

tsdm (P0) = 80.9 + 1 = 81.9oC

Tra bảng I.250, Sổ tay QTTB tập 1, trang 312, theo công thức nội suy ta suy ra:

P0 = 0.524at

Vậy với nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc là 81.9oC thì áp suất hơi thứ P0 = 0.524at

2.3.2 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ < 20% tính theo công thức I.43, sổ tay QTTB tập1, trang 152:

Cdd = 4186 ∗ (1 − x) (J/kg độ) Với x: nồng độ chất tan, phần khối lượng (%)

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186 ∗ (1 − 0.08) = 3851.12 (J/kg độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ > 20% tính theo công thức I.44, sổ tay QTTB tập 1, trang 152:

Cc = Chtt ∗ xc + 4186 (1 − xc)(J/kg độ) Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nước (J/kg.độ)

Áp dụng công thức I.41, sổ tay QTTB tập 1, trang 152

𝑀 ∗ 𝐶𝑕𝑡 = 𝑛𝑖𝑐𝑖

Cht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)

ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất (J/kg nguyên tử.độ) bảng I.141

sổ tay QTTB, tập 1, trang 152

CC = 7500 (J/kg nguyên tử.độ); CH = 9630 (J/kg nguyên tử.độ); CO = 16800 (J/kg nguyên tử.độ)

 𝐶𝑕𝑡 =𝑛𝐶 𝑐𝐶+𝑛𝐻𝑐𝐻+𝑛𝑂𝑐𝑂

𝑀𝐶6𝐻12𝑂6 =7,5∗103∗6+9,63∗101803∗12+16,80∗103∗6= 1452 (𝐽/𝑘𝑔 độ) Vậy Cc = Cht ∗ xc + 4186 1 − xc = 1452 ∗ 0.60 + 4186 ∗ 1 − 0.60

= 2545.6 (J/kg độ)

2.3.3 Cân bằng nhiệt lượng

 Nhiệt vào: do dung dịch đầu: GđCđtđ

: nhiệt độ của nước ngưng

tđ, tc: nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch

Cđ, Cc, C: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng, J/kg.độ

i, i': hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ, J/kg

𝑚 = 𝐷

𝑊 =

2007.4

1625 = 1.23 𝑘𝑔 𝑕ơ𝑖 đố𝑡/𝑕ơ𝑖 𝑡𝑕ứ Trong đó: W là lƣợng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 1625 kg/h

2.4 Xác định nhiệt độ tổn thất

2.4.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’)

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

o’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển

Với xc = 60% và đồ thị VI.2, sổ tay QTTB tập 2, trang 60 ta đƣợc ∆′

𝑜= 2.86 f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển

Tra VI.11, sổ tay QTTB tập 2, trang 59:

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

Theo công thức VI.12, sổ tay QTTB tập 2, trang 60:

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc là:

Ptb = P0 + h1 + h2

2 ∗ ρdds ∗ g (N/m2) Trong đó:

P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m 2

ρdds: khối lƣợng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

với 𝜌𝑑𝑑𝑠 = ½ 𝜌𝑑𝑑với 𝜌𝑑𝑑 là khối lƣợng riêng thực của dung dịch đặc không chứa bọt hơi; kg/m3

→ 𝜌𝑑𝑑 = 1148.37 𝑘𝑔/𝑚3 (tra bảng I.86, sổ tay Quá QTTB tập 1, trang 59)

Coi 𝜌𝑑𝑑 trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến

độ sâu trung bình chất lỏng

Chọn chiều cao ống truyền nhiệth2 = 2 m

Theo công thức VI.6, sổ tay QTTB tập 2, trang 80:

𝑕1 = 0.26 + 0.0014 ∗ 𝜌𝑑𝑑 − 𝜌𝑑𝑚 ∗ 𝑕2

= [0.26 + 0.0014 ∗ 1148.37 − 970.62 ∗ 2 = 0.76 (𝑚) (𝜌𝑑𝑚 tra bảng I5, sổ tay QTTB tập 1, trang 11)

Ta có: Ptb = P0 + h1 + h2

2 ∗ ρdds ∗ g (N/m2) = 0.524 + 0.76 +22 ∗1

2∗ 1148.37 ∗ 9,81 ∙9,81∙101 4 = 0.625 𝑎𝑡 Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314 suy ra ttb = 86.45oC nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch ứng với Ptb

Theo công thức sách Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, ta có:

Thay vào công thức (*), ta đƣợc:

∆t = thd - tnt = 126.25 – 80.9 = 45.35oC Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích

∆thi = ∆t - Σ∆ = 45.35 – 5.55 = 39.8oC Nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi

tc = tnt + Σ∆ = 80.9 + 5.55 = 86.45 o

C

2.5 Nhiệt lƣợng riêng

Gọi I là nhiệt lƣợng riêng của hơi đốt (J/kg)

i là nhiệt lƣợng riêng của hơi thứ (J/kg)

Tra bảng I.250, sổ tay QTTB tập 1, trang 312

T (0C) I.10-3 (J/kg) T (0C) i.10-3 (J/kg)

2.6 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

2.6.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 )

Từ công thức V.101, sổ tay QTTB tập 2, trang 28, ta có :

𝛼1 = 2.04 ∗ 𝐴 ∗ 𝑟

𝑕 ∗ ∆𝑡1

0.25

𝑞1 = 𝛼1 ∗ ∆𝑡1Trong đó:

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt 2.5at

Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314, r = 2189.5*103 (j/kg)

h: chiều cao ống truyền nhiệt (h = 2m)

A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng (𝑡𝑚 =𝑡đ + 𝑡𝑣1

2 ) Tra sổ tay QTTB tập 2, trang 28

tđ, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía nước ngưng, oC

Nhiệt trở của cặn mặt ngoài r1 = 0.464 ∗ 10−3(𝑚2 độ 𝑊)

Dung dịch cần cô đặc cà phê r2 = 0.387 ∗ 10−3(𝑚2 độ 𝑊)

2.7 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Giá trị K đƣợc tính thông qua hệ số cấp nhiệt

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ

ρ∶ Khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, kg⁄m3

G đ = 1875kg/h : Khối lượng dung dịch nhập liệu

ρ∶ Khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, kg⁄m3

G c = 250 kg/h : Khối lượng dung dịch nhập liệu

xc= 60 % =>𝜌 = 1288.73 kg/m3 ( tra bảng I.86, trang 59, Sổ tay QTTB tập 1) 3.1.1.3 Tính số ống truyền nhiệt

Chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính 38x2 mm nên: d = dt=34 (mm) ( theo bảng V1.6, sổ tay QTTB tập 2, trang 80)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt là h = 2 (m)

𝑛 = 𝐹

𝑑𝑡 ∗ 𝑕 ∗ 𝜋 =

500.034 ∗ 2 ∗ 3.14 = 234 ố𝑛𝑔 Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11, sổ tay QTTB tập 2, trang48:

Chọn n = 271 ống

Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh

Số hình 6 cạnh là: 9

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b = 19 ống

3.1.1.4 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn Fth :

𝐹𝑡𝑕 = 𝜋 ∗ 𝐷

2 𝑡𝑕

𝐷𝑡𝑕 = 4 ∗ 𝐹𝑡𝑕

𝜋 =

4 ∗ 0.0733.14 = 0.304 𝑚 Chọn Dth= 325(mm)

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

𝐷𝑡 = ( 𝑑𝑡𝑕 + 2𝛽𝑑𝑛)2 +0.4𝛽2sin 60 ∗ 𝐹 ∗ 𝑑𝑛

∪∗ 𝑕Trong đó:

𝛽 = 𝑑𝑡

𝑛 = 1.4 ∶ 𝑕ệ 𝑠ố, 𝑡𝑕ườ𝑛𝑔 𝛽 = 1.3 − 1.5

3.1.1.6 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

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

Đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:

 Chiều cao buồng đốt: Hd = 2 m

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = 50m2

 Chiều cao đáy nón : H nón = 562 mm

= 1.427

𝜋 ∗𝐷𝑏 4

= 1.82

𝐷𝑏2 𝑚 𝑠 Vận tốc lắng:

Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 292:

𝜔0 = 4∗𝑔∗ 𝜌′−𝜌′′ ∗ 𝑑

3∗ 𝜀∗𝜌′′

Trongđó:

ρ’=967.643kg/m3

: khối lƣợng riêng của giọt lỏng, kg/m3 (tra bảng I.249, trang 311,

sổ tay QTTB tập 1- tra ở nhiệt độ sôi của dung dịch trong buồng bốc tsdd = 86.45oC) ρ”=ρh=0.3162 kg/m3: khối lƣợng riêng của hơi

𝐷𝑏20,2 < Re < 500 thì

ξ = 18,5

Re0,6 = 18,5

14.387

Db0,6 = 3.736 ∗ Db1,2

3.1.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi

Theo công thức VI.32, trang 71, Sổ tay QTTB tập 2, ta có:

VKGH = W

ρh ∗ UttTrong đó:

W: Lượng hơi thứ =1625 kg/h

𝜌𝑕: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất P0= 0.524 at

Tra bảng I.251, trang 314, Sổ tay QTTB tập 1, ta có 𝜌𝑕 =0.3162 kg/m3

Utt : cường độ bốc hơi cho phép của khoảng không gian hơi

HKGH =4 ∗ 2.294

π ∗ 1.22 = 2.029 (m)

Do trong thiết bị có hiện tượng dung dịch sôi tràn lên phần buồng bốc nên đòi hỏi

thiết bị phải cao hơn so với tính toán

Vậy chiều cao buồng bốc là 2100 (mm)

3.1.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 50 mm

Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc:

 Chiều cao buồng bốc Hb= 2.1 m

 Chiều cao đáy nón Hnón = 1087 mm

Chọn ω = 2 m/s (Sổ tay Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 74)

ρđ = 1031.76 kg/m3 (tra xđ = 8 %, bảng I.86, Sổ tay Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 58)

dnl = 4 ∗ 0.52

π ∗ 2 ∗ 1031.76 = 0.018 m = 18 (𝑚𝑚) Vậy dnl = 18 mm

 Đường kính ống tháo liệu:

Gc = 250 kg/h = 0.07 kg/s

Chọn 𝜔= 1 m/s (dung dịch sau cô đặc có độ nhớt tương đối)

𝜌𝑐= 1288.73 kg/m3 (tra xc = 60%, bảng I.86, sổ tay QTTB tập 1, trang 58)

dtl = 4 ∗ 0.07

π ∗ 1 ∗ 1288.73 = 0.0008 m = 8 (mm) Vậy dtl = 8 mm

3.1.6 Đường kính ống tháo nước ngưng

W= 1625 kg/h = 0.451 kg/s

Chọn 𝜔= 2m/s (hơi quá nhiệt, sổ tay QTTB tập 2, trang 74)

tD=126.25 oC, ρnước ngưng= 937,9125 kg/m3