Thiết kế thiết bị cô đặc chân không dùng để cô đặc dịch cà phê sau trích li năng suất 1200 kg/h

Đồ án môn học, thiết kế thiết bị cô đặc chân không buồng đốt trong dùng để cô đặc dung dịch cà phê trong sản xuất cà phê hòa tan.

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

-o0o -KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG BUỒNG ĐỐT TRONG, DÙNG TRONG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH CÀ PHÊ TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN VỚI NĂNG SUẤT 1200KG/GIỜ

GVHD:

Lớp:

SVTH:

Tp.HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2019

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

-o0o -KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG BUỒNG ĐỐT TRONG, DÙNG TRONG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH CÀ PHÊ TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN VỚI NĂNG SUẤT 1200KG/GIỜ

GVHD:

Lớp:

SVTH:

Giảng viên hướng dẫn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

I Nhiệm vụ của đồ án 2

II Giới thiệu về nguyên liệu và sản phẩm hạt cà phê hòa tan 2

1 Nguyên liệu 2

2 Sản phẩm cà phê hòa tan 3

III Giới thiệu về công nghệ sản xuất cà phê hòa tan 4

IV Khái quát về cô đặc 5

1 Định nghĩa 5

2 Các phương pháp cô đặc 5

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 5

4 Ứng dụng của cô đặc 5

V Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt 6

1 Phân loại và ứng dụng 6

2 Thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 7

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8

I Dữ liệu đề bài 8

II Cân bằng phương trình vật chất 8

1 Suất lượng tháo liệu 8

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) 8

III Cân bằng năng lượng 8

1 Tổn thất nhiệt độ 8

1.1 Tổng thất nhiệt độ: do nồng độ tăng (∆’) 8

1.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’) 9

1.3 Tổn thất trở lực do đường ống 10

1.4 Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống: 10

1.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống 10

2 Cân bằng năng lượng 11

2.1 Cân bằng nhiệt lượng, 11

2.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 11

3 Hệ số cấp nhiệt 12

3.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α1) 12

3.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 13

3.3 Nhiệt tải riêng phía tường 15

4 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 15

5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 15

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 16

I Tính kích thước thiết bị cô đặc 16

1 Tính kích thước buồng bốc 16

1.1 Đường kính buồng bốc (Db) 16

1.2 Chiều cao của buồng bốc 17

2 Tính kích thước buồng đốt 17

2.1 Số ống truyền nhiệt 17

2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) 18

2.3 Đường kính buồng đốt 18

2.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt 19

3 Tính kích thước các ống dẫn 19

3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt 20

3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ 20

3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch 20

II Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc 23

1 Tính cho buồng đốt 23

1.1 Sơ lược về cấu tạo 23

1.2 Tính toán 23

2 Tính cho buồng bốc 25

2.1 Sơ lược về cấu tạo 25

2.2 Tính toán 25

3 Tính cho đáy thiết bị 28

3.1 Sơ lược về cấu tạo 28

3.2 Tính toán 28

4 Tính cho nắp thiết bị: 32

4.1 Sơ lược về cấu tạo: 32

4.2 Tính toán 33

2

5 Tính mặt bích 34

5.1 Sơ lược về cấu tạo: 34

5.2 Chọn mặt bích 35

6 Tính vỉ ống 36

6.1 Sơ lược về cấu tạo 36

6.2 Tính toán 36

7 Khối lượng và trai treo 38

7.1 Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ 38

7.2 Buồng đốt 38

7.3 Buồng bốc 38

7.4 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt 39

7.5 Đáy nón 39

7.6 Nắp ellipe 39

7.7 Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm 40

7.8 Mặt bích 40

7.9 Bu lông và ren 41

7.10 Đai ốc 42

7.11 Vỉ ống 42

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 45

I Thiết bị gia nhiệt 45

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α1) 45

2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 45

3 Nhiệt tải riêng phía tường 47

4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 47

II Thiết bị ngưng tụ: 49

1 Chọn thiết bị ngưng tụ 49

2 Tính thiết bị ngưng tụ 50

3 Bồn cao vị 55

4 Bơm 57

4.1 Bơm chân không 57

4.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 58

4.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 60

4.4 Bơm tháo liệu 63

5 Các chi tiết phụ 65

5.1 Cửa sữa chữa 65

5.2 Kính quan sát 66

LỜI KẾT 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

4

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Kĩ thuật thựcphẩm là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của côngnghệ hoá học Bên cạnh đó, môn 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 cụthể, thông dụng

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thựcphẩm TP Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Thực phẩm của trường đã tạođiều kiện cho em được thực hiện đồ án

Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáonày là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô Đặcbiệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Thái Nguyên, người đã tận tìnhhướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo mộtcách tốt nhất Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức cònhạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thànhtốt hơn những đồ án sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I Nhiệm vụ của đồ án

Thiết kế thiết bị cô đặc chân không buồng đốt trong, dùng trong cô đặc dung dịch càphê trong sản xuất cà phê hòa tan

 Năng suất: 1200kg/giờ

 Áp xuất chân không: 0,5 atm

 Hoạt động: cô đặc liên tục

 Nồng độ dịch cà phê ban đầu: 10 Brix⁰

 Nồng độ dịch cà phê cần đạt được 40 Brix.⁰

II Giới thiệu về nguyên liệu và sản phẩm hạt cà phê hòa tan

1 Nguyên liệu

Nguyên liệu chính để làm nên cà phê hòa tan là cà phê nhân Thành phần hóa họctrong nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác,phương pháp chế biến và bảo quản Thành phần hóa học của cà phê nhân gồm các chấtsau:

 Nước

Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại là 10-12% ở dạng liên kết, Khi hàm lượngnước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt Mặt khác, hàm lượngnước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang, tốn nhiềunguyên liệu và nhất là làm tổn thương hương cà phê Hàm lượng nước trong cà phêsau khi rang còn 2,7%

 Protein

2

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò quan trọng trongviệc hình thành hương vị của sản phẩm Trong quá trình chế biến chỉ có một phầnprotein bị phân giải thành acid amin, còn phần lớn bị biến thành hợp chất không tan.

 Lipid

Hạt cà phê chứa lipid khá lớn (1-13%), Lipid trong cà phê gồn chủ yếu dầu và sáp.Trong đó sáp chiến 7-8% tổng lượng lipid, còn dầu chiến 90% Trong quá trình chếbiến lipid bị biến đổi, song một phầ acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng củanhiệt độ cao tạo nên hương liệu thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi làdung môi tốt gòa tan các chất thơm Khi pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vàonước còn phần lớn lưu lại trên bã,

bị mất mùi thơm nên cần đựng trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh,

2 Sản phẩm cà phê hòa tan

Sản phẩm cà phê hòa tan rất đan dạng về hình thức (kích thước, màu sắc,…), hượngvị

Cà phê hòa tan có thể được đóng gói riêng hoặc trộn cùng với nguyên liệu khác nhưsữa bột, đường, cofee mate… Đây là một thức uống rất tiện lợi, dễ sử dụng Tuy nhiên,

nó không có được hương vị đặc trưng của cà phê do thời gian sản xuất kéo dài và nhiệt

khối lượng riêng 220-240 g/l

III Giới thiệu về công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

4

Mục đích: của quá trình cô đặc trong sản xuất cafe hòa tan: Khai thác

Sau khi trích ly xong, nồng độ chất khô hòa tan trong dịch trích ly cafe thường thấp.Hiện nay, nồng độ chất khô trong dịch trích ly cao nhất có thể đạt được khoảng 25-30% (w/w) Khi nồng độ chất khô còn thấp như thế, việc thực hiện quá trình sấy để thu

Cà phê nhânLàm sạch

Tạo hạt

Phối trộnRang

Lọc

XayTrích ly

Phối trộnĐóng gói

Sấy

Cô đặcTách hương

Sản phẩm

hồi sản phẩm sẽ không mạng lại hiệu quả kinh tế cao Do đó, dịch trích ly cần phảiđược cô đặc đến nồng độ chất khô cao hơn để quá trình sấy được thực hiện dễ dànghơn Như vậy, mục đích của quá trình cô đặc là nhằm nâng cao nồng độ chất khô cótrong dịch trích nhằm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sấy,

IV Khái quát về cô đặc

1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịchgồm 2 hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng cóchênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dungmôi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tính chất củacấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phầndung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phươngpháp làm lạnh kết tinh

2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái

hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lênmặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra

dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng

độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quátrình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

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 độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chấtlỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắcphục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt

để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt

và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt vàdưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo(protit) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc

4 Ứng dụng của cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, cô đặc: Dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…

Trong sản xuất hoá chất, cô đặc các dung dịch: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị côđặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặcchỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà

6

máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc làmột tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suấtcao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và

đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

V Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

1 Phân loại và ứng dụng

1.1 Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch kháloãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bềmặt truyền nhiệt Gồm:

◦ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặcngoài

◦ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt)

 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5– 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùngcho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyềnnhiệt 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, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làmbiến chất sản phẩm Đặt biệt thích hợp chho các dung dịch thực phẩm như dungdịch nước trái cây, nước ép hoa quả… Gồm:

◦ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạobọt khó vỡ

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

1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình

 Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thườngdùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch để giữ mức dung dịch cốđịnh để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độdung dịch đạt được là không cao

 Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 1000C, áp suất chânkhông Dung dịch tuần hoàn 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 quá lớn và sẽlàm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả

hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng caohiệu quả kinh tế

 Cô đặc liên tục: cho kết quả sản phẩm tốt hơn, ổn định hơn quá trình cô đặc giánđoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động nhưng 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 Tuỳ theo điều kiện 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

2 Thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

1.3 Thiết bị chính

 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 vào 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…

8

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I Dữ liệu đề bài

 Dung dịch cô đặc: dung dịch cà phê

 Nồng độ đầu: 10 Brix xđ = 10 %

 Nồng độ cuối: 40 Brix xc = 40 %

 Năng suất nhập liệu: Gc = 1200 kg/h

 Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30℃

 Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5 atm = 0,516 at ⇒ pc = 1 – 0,516 = 0,484 at

 Áp suất hơi đốt, hơi nước bão hòa chọn: 3at (132,9 ℃) (Tr314, [1])

II Cân bằng phương trình vật chất

1 Suất lượng tháo liệu

Theo định luật bảo toàn chất khô (CT5.16,Tr195,[3]) :

2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo định luật bảo toàn khối lượng (CT5,16,Tr195,[3]):

 tc: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pc (áp suất hơi thứ) trong thiết bị ngưng tụ

 tdm: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Po (áp suất hơi đốt) trong thiết bị ngưng tụ

⇒ tdm (Po) = tc + Δ’’’ = 80 + 1 = 81℃

⇒ Po = 0,503 at (Tr312, [1])

1.1 Tổng thất nhiệt độ: do nồng độ tăng (∆’)

 Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môinguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ ∆’ được xác định theo công thứcgần đúng của Tisenco

 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

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

Tra bảng VI,2, trang 67, [2]:

 Tại nhiệt độ tdm = 81 0C suy ra: f = 0,88 (theo bảng điều chỉnh hệ số f theo nhiệt độ)

Δ’ = 1,3 0,88 = 1,14oC

⇒ tdd(po) = tdm(po) + Δ’ = 81 + 1,14 = 82,14 oC

1.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)

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

ρdm: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch tdd =

82,14 ℃

Tra bảng I,249, trang 311, [1], ρdm = 970,43 kg/m3

⇒ Hop = [0,26 + 0,0014 (1178,53 – 970,43)]2 = 1,1 m

10

Tra bảng I,251, trang 314, [1] ptb = 0,5354 at tương ứng với tdm(ptb) = 82,5 oC

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tdd(ptb) ℃ 83,64

2 Cân bằng năng lượng.

2.1 Cân bằng nhiệt lượng,

Nhiệt dung riêng của dung dịch cà phê ở các nồng độ khác nhau được tính theo côngthức sau:

Trong đó

 t: nhiệt độ của dung dịch (℃)

 x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theokhoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi),

⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)(cθ); W

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh saukhi ngưng) thì (- cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt),

Vậy lượng hơi đốt biểu kiến:

= 1,32 (kg/s)

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Nhiệt lượng do hới đốt cung cấp:

QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD = 1,32.(1 – 0,05).(1-0,05).2171000 = 2586312,3 W

3 Hệ số cấp nhiệt

 Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ

số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1

 Giai đoạn 2: dẫn nhiệt qua thành ống

 Giai đoạn 3: nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α2 vànhiệt tải riêng q2

3.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α 1 )

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 (ω = 10 m/s), nước ngưngchảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 2 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên

bề mặt đứng Công thức (V.101, Tr28, [2]):

Trong đó:

 α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.độ)

 r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at (2171 kJ/kg)

 H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)

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

Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 129,11 oC

 Chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, Tr4, [2])

r1 = 0,46410-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W)

Dung dịch cần cô đặc là cà phê theo (V.I, Tr4, [2])

r2 = 0,38710-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W)

 Chọn bề dày ống truyền nhiệt  = 0.002 (m), vật liệu chế tạo là thép không gỉOX18H10T và có λ = 16,3 W.m/độ (bảng XII.7, Tr313, [2])

 cn = 4199 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của nước ở tdm(ptb)

 n = 0,34310-3(N.s/m2): độ nhớt của nước ở tdm(ptb)

 ρn = 970,2 kg/m3: khối lượng riêng của nước ở tdm(ptb)

 λn = 0,6765 W/m: hệ số dẫn nhiệt của nước ở tdm(ptb)

 cdd = cc= 3444,27 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của dung dịch ở tdd(ptb).Tra bảng I.112,trang 114, [1]

 dd = 1,17210-3 (N.s/m2): độ nhớt của dung dịch ở tdd(ptb).Tra bảng I.86, trang 60, [1]

 ρdd = 1178,53 kg/m3: khối lượng riêng của dung dịch ở tdd(ptb)

 λdd = 0,54 W/m: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tdd(ptb)

Với λdd được tính theo công thức I.32, trang123, [1]

Trong đó:

 A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết,

A = 3,58.10-8

 M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp cà phê và H2O

M = aMcaphe + (1 – a).MH2O = a342 + (1 – a)18; kg/kmol

 a: phần mol của cà phê Xem nồng độ cà phê trong dung dịch là 40% (xc)

3.3 Nhiệt tải riêng phía tường

Sai số tương đối của q2 với q1

Nhiệt tải riêng trung bình:

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

K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:

5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Chọn F = 80 theo dãy chuẩn của sách quá trình và thiết bị quyển 1, trang 276

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I Tính kích thước thiết bị cô đặc

1 Tính kích thước buồng bốc

1.1 Đường kính buồng bốc (D b )

 Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

Trong đó:

 W: suất lượng hơi thứ; kg/h

 ρh = 0,304 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc po = 0,503 at(tra bảng I.251, trang 314, [1])

 Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc:

 ρ = 0,304 kg/m3: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc po = 0,503 at

 d – đường kính giọt lỏng; m Chọn d = 0,0004 m (trang 292, [4])

Chọn = 1,8 m = 1800 mm theo tiêu chuẩn trang 277, [4]

 Kiểm tra lại Re:

Như vậy, đường kính buồng bốc là Db = 1800 mm

1.2 Chiều cao của buồng bốc

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

Utt = fUtt(1 at) m3/(m3.h)

Trong đó:

 f: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

 Utt (1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at

Chọn Utt (1 at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,2 (tra hình VI.3, trang 72, [2])

⇒ Utt = 1,21650 = 1980 m3/(m3.h)

 Thể tích buồng bốc:

Chiều cao buồng bốc:

Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 2,5 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)

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

 d: đường kính của ống truyền nhiệt Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm

Số ống truyền nhiệt là:

Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 547 và bố trí ống theo hình lục giácđều

2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (D th )

Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [5]:

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

 dnth = 0,4 + 2.0,002 = 0,404 m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

 α = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều

 F = 80 m2: Diên tích bề mặt truyền nhiệt

theo tiêu chuẩn trang 276, [4]

2.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 547 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như sau:

Số ống trong các hình viên phân

18

ống theo bảng V.11, trang 48, [2] Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế

có 6 ống trên đường xuyên tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế là:

Số ống truyền nhiệt còn lại là n’= 613-61 = 552 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

Chọn (m/s) đối với hơi nước bão hòa, thường (m/s)

(m/s) đối với chất lỏng nhớt, thường (m/s)

3.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng

Lưu lượng khối lượng là:

1.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1200 mm, chiều cao Ht = 2000 mm

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

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.2 Tính toán

Bề dày tối thiểu S’:

 Hơi đốt là hơi nước bão hoà có áp suất 3 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:

pm = pD – pa = 3 – 1 = 2 at = 0,196 N/mm2

Áp suất tính toán là:

Pt = pm + ρgH = 0196 + 1178,539,81.10-62 = 0,219 N/ mm2

 Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 132,9 + 20 = 152,9 oC (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

 Theo hình 1.2, Tr16, [6], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt=152,9oC là:[σ]* = 114,565 N/mm2

Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [5])

Ứng suất cho phép của vật liệu là:

 Pt = 0,219 N/mm2: áp suất tính toán của buồng đốt

Bề dày thực S:

 Dt = 1200 mm ⇒ Smin = 4 mm > 1,129 mm

Chọn S’ = Smin = 4 mm (bảng 5.1, Tr94, [5])

 Chọn hệ số ăn mòn hoá học là C1 = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm)

 Vật liệu được xem là bền cơ học nên C2 = 0

 Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C3 = 0,4 mm (bảng XIII.9, Tr364,[2])

Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:

Vậy bề dày buồng đốt là 6 mm

Đường kính ngoài của buồng đốt:

Dn = Dt + 2S = 1200 + 26 = 1212 mm

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, Tr162, [5]):

Trong đó:

 Dt = 1200 mm: đường kính trong của buồng đốt

 S = 6 mm: bề dày của buồng đốt

 k: hệ số bền của lỗ

So sánh:

 Ống dẫn hơi đốt Dt = 250 mm > dmax

 Ống xả nước ngưng Dt = 40 mm < dmax

 Ống xả khí không ngưng Dt = 40 mm < dmax

Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứngbằng bề dày thân (6 mm)

2 Tính cho buồng bốc

2.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 1800 mm, chiều cao Ht = 2000 mm

 Thân có 5 lỗ, gồm: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sửa chữa và 2 kính quan sát

 Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

2.2 Tính toán

Bề dày tối thiểu S’:

 Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài Vì áp suấttuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,503 at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

 Pn = pm = 2pa – p0 = 2.1 – 0,503 = 1,497 at = 0,1468 N/mm2

 Nhiệt độ của hơi thứ ra là tsdm(po) = 81 oC, vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là:

ttt = 81+ 20 = 101oC (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

 Chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95 (bảng XIII.8, Tr362, [2])

 Theo hình 1.2, trang 15, [5], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:

[σ]* = 122,35 N/mm2

 Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [5])

Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η.[σ]* = 0,95122,35 = 116,23 N/mm2

 Tra bảng 2.12, trang 34, [5]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05105 N/mm2

 Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1,65 (bảng 1-6, trang 14, [5])

Ứng suất chảy của vật liệu là:

N/mm2

 Khối lượng riêng của dung dịch cà phê 40 % ở tdd(ptb) là ρdd = 1178,53 kg/m3

Áp dụng công thức 5-14, trang 98, [5]:

Trong đó:

 Dt = 1800 mm: đường kính trong của buồng bốc

 Pn = 0,1468 N/mm2: áp suất tính toán của buồng bốc

 L = 2000 mm: chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích

Bề dày thực S:

 Dt = 1800 mm Smin = 4 mm < 7,72 mm

chọn S’ = 7,857 mm (theo bảng 5.1, trang 94, [5])

 Chọn hệ số ăn mòn hoá học là C1 = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm)

 Vật liệu được xem là bền cơ học nên C2 = 0

 Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C3 = 0,8 mm (bảng XIII.9, Tr364,[2])

Hệ số bổ sung bề dày là:

24

C = C1 + C2 + C3 = 1 + 0 + 0 + 0,8 = 1,8 mm

Bề dày thực là:

S = S’ + C = 7,72 + 1,8 = 9,52 mm

Chọn S = 10 mm

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

Kiểm tra công thức 5-15, trang 99, [5]

Kiểm tra công thức 5-16, trang 99, [5]

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:

So sánh Pn với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [Pn] theo 5-19, trang 99, [5]

N/mm2 (thỏa)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:

Xét: L = 2000 mm ≤ 5D = 51800 = 9000 mm

Lực nén chiều trục lên buồng bốc:

Theo điều kiện 5-33, trang 103, [5]

Ứng suất nén được tính theo công thức 5-48, trang 107, [5]

Ứng suất nén cho phép được tính theo công thức 5-31, trang 103, [5]

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục:

Kiểm tra điều kiện 5-47, trang 107, [5]

Vậy bề dày buồng bốc là 10 mm

Đường kính ngoài của buồng bốc:

Dn = Dt + 2S = 1800 + 210 = 1820 mm

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [5])

Trong đó:

 Dt = 1800 mm: đường kính trong của buồng đốt

 S = 10 mm: bề dày của buồng đốt

 k: hệ số bền của lỗ

So sánh:

 Ống dẫn hơi đốt Dt = 250 mm > dmax

 Ống xả nước ngưng Dt = 40 mm < dmax

Dùng bạc tăng cứng với bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân (10 mm)

3 Tính cho đáy thiết bị

3.1 Sơ lược về cấu tạo

 Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 1200 mm

 Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2α = 600

Tra bảng XIII.21, trang 394, [2]:

 Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 1087 mm

26

 Thể tích của đáy nón là Vđ = 0,832 m3

Đáy nón được khoan 1 lỗ để tháo liệu

 Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T

3.2 Tính toán

 Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc

 Tổng thể tích ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm:

 Thể tích của phần đáy nón:

V2 = Vđ = 0,52 m3

 Với đường kính trong của ống nhập liệu là 34mm, tốc độ nhập liệu được tính lại là:

 Tốc độ dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm

 Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị :

Trong đó:

 Vnl: tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu (m/s)

 Dnl: đường kính trong của ống nhập liệu, m

 Dth: đường kính trong của ống tuần hoàn, m

 l: chiều dài của ống truyền nhiệt, m

 l’: chiều dài hình học của đáy, m

 Thể tích của dung dịch đi vào thiết bị

Trong đó:

 Khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt trong thiết bị; kg/m3

 Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:

V3= ∑V – V1 – V2 = 1,5428 – 0,7932 – 0,52 = 0,2296 (m3)

 Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là Hgc = 40mm

 Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt: