Đồ án quá trình và thiết bị thiết kế thiết bị cô đặc 1 nồi liên tục, năng suất nhập liệu 20 tấnh

1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình - Cô đặc áp suất thường thiết bị hở: nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thườngđược dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

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

NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 20 TẤN/H.

Giáo Viên Hướng Dẫn: NGUYỄN HỮU QUYỀN Sinh Viên Thực Hiện:

Nguyễn Huỳnh Xuân Vi 2005150076 Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh 2005150172

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8, NĂM 2018.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 7

I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN 7

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU 7

III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC 8

1 Định nghĩa 8

2 Các phương pháp cô đặc 8

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 9

4 Ứng dụng của sự cô đặc 9

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc 9

IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT 10

1 Phân loại và ứng dụng 10

1.1 Theo cấu tạo 10

1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình 11

2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 11

V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH MÍA ĐƯỜNG 12

PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 13

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÊ THIẾT BỊ CHÍNH 16

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 16

1 Dữ kiện ban đầu 16

2 Cân bằng vật chất 16

3 Tổn thất nhiệt độ 17

3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆ ’ ) 18

3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆ ’’ ) 19

4 Cân bằng năng lượng 21

4.1 Cân bằng nhiệt lượng 21

4.2 Phương trình cân bằng nhiệt 22

II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 26

A TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 26

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 26

2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi 27

3 Nhiệt tải phía tường (q v ) 30

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 31

5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 32

6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 33

B TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 33

1 Tính kích thước buồng đốt 33

1.1 Số ống truyền nhiệt 33

1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (D th ) 33

1.3 Đường kính buồng đốt (D t ) 34

1.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt 35

1.5 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 36

1.6 Tổng kết 36

2 Tính kích thước buồng bốc 37

2.1 Đường kính buồng bốc (D b ) 37

2.2 Chiều cao buồng bốc (H b ) 39

2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 40

3 Tính kích thước các ống dẫn 41

3.1 Ống nhập liệu 41

3.2 Ống tháo liệu 41

3.3 Ống dẫn hơi đốt 42

3.4 Ống dẫn hơi thứ 42

3.5 Ống dẫn nước ngưng 42

3.6 Ống xả khí không ngưng 43

3.7 Tổng kết về đường kính 43

C TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 44

1 Tính cho buồng đốt 44

1.1 Sơ lược về cấu tạo 44

1.2 Tính toán 44

2 Tính cho buồng bốc 46

2.1 Sơ lược cấu tạo 46

2.2 Tính toán 47

3 Tính cho đáy thiết bị 52

3.1 Sơ lược cấu tạo 52

3.2 Tính toán 52

4 Tính cho nắp thiết bị 58

4.1 Sơ lược cấu tạo 58

4.2 Tính toán 58

5 Tính mặt bích 60

5.1 Sơ lược về cấu tạo 60

5.2 Chọn mặt bích 60

6 Tính vỉ ống 62

6.1 Sơ lược về cấu tạo 62

6.2 Tính toán 62

7 Khối lượng và trai treo 65

7.1 Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ 65

7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 66

7.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 70

7.4 Tổng khối lượng 70

PHẦN IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 72

I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 72

1 Chọn thiết bị ngưng tụ 72

2 Tính thiết bị ngưng tụ 72

2.1 Lượng nước lạnh 72

2.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 73

2.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 74

II BỒN CAO VỊ 80

III BƠM CHÂN KHÔNG 82

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tóm tắt cân bằng vật chất 19

Bảng 2 Tóm tắt cân bằng năng lượng 24

Bảng 3 Tổng kết về đường kính các ống dẫn 41

Bảng 4 Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc 59

Bảng 5 Số liệu nối của buồng đốt - đáy 59

Bảng 6 Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp 60

Bảng 7 Kích thước tai treo 69

Bảng 8 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet 74

Bảng 9 Tóm tắt số liệu của thiết bị ngưng tụ Baromet 78

Bảng 10 Các hệ số trở lực cục bộ 80

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp ứng nhu cầu này Tuy nhiên nó chỉ là các hoạt động sản xuất mộtcách đơn lẻ, năng suất thấp các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau

đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta, ngành công nghiệp mía đường

đã có bước nhảy vọt rất lớn Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa đồng thời tạo ra phế liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm Vì tính quan trọng vấn đề được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảo bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Vì những lý do trên việc cải tiến sản xuất nâng cao,

mở rộng nhà máy đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu suất của các quá trình

là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị ngay từ bây giờ

Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một sinh viên đảm nhận nênthiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn Chúng em chân thành cảm ơn

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

- Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch nước mía

+ Năng suất nhập liệu 20000kg/h

+ Nồng độ đầu: 20% khối lượng

+ Nồng độ cuối: 40% khối lượng

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

+ Áp suất hơi bão hòa P = 2 ati

- Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (chọn)

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Do nhucầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã đượcthiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cáchđơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đãgây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp míađường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, míađường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệpcác ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làmnguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phế liệu lànguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu…

Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu

tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm Xuất phát

từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ

và không chế biến kịp thời

Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quảsản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã có rấtnhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưng với sựphát triển rộng của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việc cungcấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu,thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất

Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổimới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấpbách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu

tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thểxem thường

III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC

2 Các phương pháp cô đặc

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng tháihơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụnglên mặt thoáng chất lỏng

- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách radưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăngnồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặtthoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phảidùng máy lạnh.

3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 đểcác phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trìnhcấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bềmặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắngkeo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

4 Ứng dụng của sự cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước tráicây

Trong sản xuất hóa chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối

vô cơ Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa 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 cô đặcchỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhàmáy 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 suất cao

Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đadạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

Hiện nay phần lớn các nhà máy sản xuất hóa 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 mộthoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với

sự phát triển của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại,đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắcchắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

1 Phân loại và ứng dụng

1.1 Theo cấu tạo

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

+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặttruyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho cácdung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyềnnhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược)

để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép.Bao gồm:

+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi 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 thức thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thườngđược dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằmđạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

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

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì

nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áplực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứcho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế

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

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài,

có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy 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 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

- 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 phụ

+ Bể chứa nguyên liệu

+ Bể chứa sản phẩm

+ Bồn cao vị

+Lưu lượng kế

+ Thiết bị gia nhiệt

+ Thiết bị ngưng tụ baromet

+ Bơm nguyên liệu và bồn cao vị

+ Bơm tháo liệu

+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

+ Bơm chân không

+ Các van

+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

V LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH MÍA ĐƯỜNG

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

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

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

Nhược điểm:

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

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

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

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

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

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

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

- Phân bố hơi đều

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

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

- Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất

- Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng

PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp Từ bồncao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ vàđược đun nóng đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ 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 Cácđầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt làhơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dướilên ở bên trong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấpnhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch saukhi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơinước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy rangoài

 Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ốngtuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trongkhoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt chodung dịch đang chuyển dộng trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trênxuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dungmôi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài

 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 hợplỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối vớiống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so vớitrong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý dotrên khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ốngtruyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển độngtuần hoàn tự nhiên trong thiết bị; từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuốngtrong ống tuần hoàn

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng.Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng rakhỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lạiđược hoàn lưu

Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứasản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên củabuồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chấtlàm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăndưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thànhlỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lêntrên, 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 tụgiảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không duy trì áp suấtchân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải đượclắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà khôngcần bơm.

Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốntheo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng

Bơm chân không có nhiệm vụ hút không ngưng ra ngoài đế tránh trường hợpkhí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trongthiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÊ THIẾT BỊ CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1 Dữ kiện ban đầu

Dung tích đường mía

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

 Năng suất nhập liệu Gc = 20 tấn/h = 20000 kg/h

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

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

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

Vậy Pdư = 2,0at

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

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

2 Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (G c )

Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:

Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

Gđ = Gc + W

 W = Gđ – Gc = 20000 – 10000 = 10000 (kg/h)

 Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 63,150C.

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

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

tsdm( P0) – tc = ∆ '' '

Trong đó

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

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

 tsdm( P0) = 63,15+1 =64,15 0C

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

3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆ ’ )

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

∆’ =f ∆0’ [0C]

Trong đó:

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

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

f : hệ số hiệu chỉnh

f = 16,2 T2

r

Với

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

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

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

Tại P0 = 0,245at Ta nội suy được: r = 2348,07 (J/Kg)

ρ dm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 660C

Tra bảng I.249 trang 311, [1], ρ dm= 979,96 kg/m3

Hop= [0,26+ 0,0014 ( 1179,4  979,96)] 1,5 = 0,809 m

∆p =12 589,7 9,81 0,809

9,81.104= 0,0239N/m2

 ptb=p0+ ∆p= 0,245+ 0,0239= 0,269 atTra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

∆’’= tsdd(p0+∆p)  tsdd(p0)

 tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 65,16 + 1,62 = 66,780CSai số chấp nhận Vậy tsdd(ppt) = 660C

Sản phẩm lấy ra ở tại đáy  tsdd(p0+2∆p) = 65,16+ 2.1,01 = 67,20C

Tổng tổn thất nhiệt độ:

ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’

⇒ ΣΔ = 1,01 +1,62 +1 = 3,630CGia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3at, tD = 132,90C (bảng I.251,trang 315, [1])

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

Bảng 1 Tóm tắt cân bằng vật chất

4 Cân bằng năng lượng

4.1 Cân bằng nhiệt lượng

 tra = tsdd(po) = 65,160C

 Nhiệt độ của dung dịch đường mía 20% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 65,160C

 Nhiệt độ của dung dịch đường mía 40% đi ra đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2 ∆’’ = 65,16 + 2 1,01 = 67,20C(công thức 2.15, trang 107, [3])

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía:

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía ở các nồng độ khác nhau được tính theocông thức (I.43) và (I.44) trang 153 [1]:

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

t: nhiệt độ của dung dịch

x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng

 xđ= 20%, tđ= 300C

 Cđ= 4190 – ( 2514 – 7,542.30).0,2=3732,452 J/kg độ

 xc= 40%, tđ= 67,20C

 Cc= 4190 – ( 2514 – 7,542.67,2).0,2=3387,13 J/kg độ

4.2 Phương trình cân bằng nhiệt

 Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q D

Theo công thức VI-3, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,trang 57, ta có:

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (1)Trong đó:

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

Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.

Qkn: nhiệt lượng khử nước, W

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

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

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

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) (2)Trong đó:

Gđ = 20000 kg/h

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

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153:

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

 C2 = 3378,63 J/kg.độ

 Ctb = C1+C2

2 = 3732,452+3378,632 = 3555,54 J/kg độThay tất cả vào (2) ta được:

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )

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

Qbh = W r = 10000 2348,07.103 = 2,348.1010 (J/h) (4)Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 10000 kg/h

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,245 at, J/kg

Tra bảng I.251, trang 314 [1]

Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q KN )

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

Qkn=Qht đ−Q ht c

Trong đó:

Q ht đ: nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ởnồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W

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

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 6888888,89 J/s

 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức 5.22a, trang 295 [6]

truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295

(1−φ) r=

6888888,89

(1−0,005).2171 103=3,19 (kg/s)

 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập5, quyển 1, trang 295 :

d= D

W=

3,19

2,78=1,15(kg h ơi đ ốt kg h ơi thứ )

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,15 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)

Bảng 2 Tóm tắt cân bằng năng lượng

II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

A TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào

bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước

chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hòa

tinh khiết trên bề mặt đứng

Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at, r = 2171.103 J/kg(tra bảng I.251 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 315).H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5m).

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

t m=t D+t V 1

2Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng

A: tra ở Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 29.Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 126,3250C

q1 = α1.Δt1 = 8433,65.6,575 = 55451,25 W/m2

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

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi:quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị,hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch

Theo công thức VI.27, trang 71 [2]

α n: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, trang 26 [2]

α n=0,145 ∆ t2,33 P0,5 W/m2.độ ()

Với:

+ P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2)

Có P = 0,245 at = 24026,29 N/m2.+ ∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C

Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), J/(kg.K)

Cdm: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), J/(kg.K)

µdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), N.s/m2

µdm: độ nhớt của nước ở tsdm(ptb), N.s/m2

ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), kg/m3

ρdm: khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb), kg/m3

λdd: hệ số dẫn điện của dung dịch ở tsdd(ptb), W/(m.K)

λdm: hệ số dẫn điện của nước ở tsdm(ptb), W/(m.K)

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

Các thông số của dung dịch

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

µdd: tra bảng 9, trang 16, [8]

Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường

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

+ t: nhiệt độ của dung dịch, 0C

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

a – phần mol của đường saccharose (C12H22O11)

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

 a =

xc M(C 12 H 22 O11) xc

342+

0,618 = 0,034

3 Nhiệt tải phía tường (q v )

Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104:

q v=t v1−t v2

∑r v ∆ t v=t v1−t v2=∑r v q v (4)Trong đó

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

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

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

4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

Mà ∆t = t v2 – tsdm = 12,95 0C

Từ (3)  α2 = 0,59 αn = 0,494.0,145.(12,95)2,33.( 24026,29)0,5 = 4335,38(W/m2.K)

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

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

−3

4335,38

=830,75 W /(m¿¿2 K )¿

6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

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

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

Áp dụng công thức (III.26) trang 121, [7]:

Trong đó:

Chọn β = 1,4 theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 202

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

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

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

Dnth = 0,7 + 2.0,002 = 0,704: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 160 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo tiêu chuẩn trang 274 [5] chọn Dt = 2000 mm = 2,0 m

1.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

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

d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

m: số ống trên đường chéo

∑n=n+ n '

 n=∑n−n '=919−91=828 ống: số ống truyền nhiệt còn lại

Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt

F=π H d(n d t+d th)=π 1,5 (828.0,034+0,7)=¿ 165,96 > 100 (thỏa)

1.5 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

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

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

Số ống truyền nhiệt là 828 ống có kích thước d là 34/38 mm

Chiều cao buồng đốt Hd= 1,5m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 160m2

Chiều cao đáy nón Hnon = 1812 mm

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h)

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,245at

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

ρ”= ρh = 0,1522 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi

Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 3,0 m

Kiểm tra lại Re:

32 =9,89(thỏamãn 0,2<ℜ<500)

Vậy đường kính buồng bốc D b = 3000 mm.

2.2 Chiều cao buồng bốc (H b )