Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục năng suất nhập liệu 5000kgh

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 lên mặt thoáng chất lỏng. Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 1.1.1.1.2.1.3.1.3.1.1.3.2.1.3.3.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 chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục 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 và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc. 1.3.4.Ứng dụng của sự cô đặc Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây… Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… 1.3.5.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 một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả 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 chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. 1.4.Các thiết bị cô đặc nhiệt 1.4.1.Phân loại và ứng dụng Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc). Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 – 3,5 ms tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. 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 nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm: Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí khó vỡ. Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. 1.1.1.1.2.1.3.1.4.1.1.4.2.1.3.2.1.Theo phương pháp thực hiện quá trình: Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác. Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.

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

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài: “ Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi

liên tục năng suất nhập liệu 5000kg/h”

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN SVTH: NGUYỄN TUÁN VŨ

PHẠM NGÔ XUÂN TRANG

LỚP: 06DHTP5

Nhận xét của giáo viên

MỤC LỤ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 S Ơ LƯỢC VỀ NGHÀNH CÔNG NGHỆ MÍA ĐƯỜNG 2

1.2 N GUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ĐƯỜNG 3

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu 3

1.2.2 Đặc điểm sản phẩm 3

1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc 3

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 3

1.3 Cô đặc và quá trình cô đặc 3

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt 5

1.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục 6

1.4.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc 7

1.4.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng 7

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

2.1 N GUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI LIÊN TỤC 8

2.2 N GUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM 8 CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

3.1 SỐ LIỆU BAN ĐẦU 10

3.2 C ÂN BẰNG VẬT CHẤT 10

3.3 C ÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 10

3.3.1 Chế độ nhiệt độ 10

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ 11

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng 14

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc 17

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 18

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 19

4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 ) 19

4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 ) 19

4.3 Nhiệt tải riêng phía tường ( q v ) 23

4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng 24

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 25

4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 25

CHƯƠNG 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 27

5.1 T ÍNH BUỒNG ĐỐT 27

5.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị 27

5.1.2 Thể tích dung dịch cuối 27

5.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt 27

5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 29

5.1.5 Tổng kết 30

5.2 T ÍNH BUỒNG BỐC 30

5.2.1 Đường kính buồng bốc 30

5.2.2 Chiều cao buồng bốc 32

5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 33

5.3 T ÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU , THÁO LIỆU 34

5.3.1 Ống nhập liệu 34

5.3.2 Ống tháo liệu 34

5.3.3 Ống dẫn hơi đốt 35

5.3.4 Ống dẫn hơi thứ 35

5.3.5 Ống dẫn nước ngưng 35

5.3.6 Ống xả khí không ngưng 36

6.1 T ÍNH CHO BUỒNG ĐỐT 37

6.1.1 Sơ lược về cấu tạo 37

6.1.2 Tính toán 37

6.1.3 Tính bền cho các lỗ 39

6.2 T ÍNH CHO BUỒNG BỐC 39

6.2.1 Sơ lược cấu tạo 39

6.2.2 Tính toán 39

6.3 T ÍNH CHO ĐÁY THIẾT BỊ 43

6.3.1 Sơ lược về cấu tạo 43

6.3.2 Tính toán 43

6.3.3 Tính bền cho các lỗ 48

6.4 T ÍNH NẮP THIẾT BỊ 49

6.4.1 Sơ lược cấu tạo 49

6.4.2 Tính toán 49

6.4.3 Tính bền cho các lỗ 51

6.5 T ÍNH MẶT BÍCH 51

6.5.1 Sơ lược về cấu tạo 51

6.5.2 Chọn mặt bích 52

6.6 T ÍNH VỈ ỐNG 53

6.6.1 Sơ lược cấu tạo 53

6.6.2 Tính toán 53

6.7 T ÍNH TAI TREO CHÂN ĐỠ 55

6.7.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ 55

6.7.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 55

6.7.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 59

6.7.4 Tổng khối lượng 59

CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 62

7.1 T I ́ NH THIÊ ́ T BI ̣ NGƯNG TU ̣ BAROMET 62

7.1.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ 62

7.1.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 62

7.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet 63

7.2 T I ́ NH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 66

7.2.1 Bơm chân không 66

7.2.2 Chọn bơm chân không 67

LỜI KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ ánkyc thuật quá trình và thiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quátrình và thiết bị của ngành công nghệ thực phẩm Bên cạnh đó, môn học nàycòn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựachọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng

“Thiết kế thiết bị cô đặc nước đường mía một nồi liên tục, năng suất

nhập liệu 5000 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy

Nguyễn Hữu Quyền, bộ môn Quá trình và Thiết bị khoa Công nghệ Thựcphẩm trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh

Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản vềnghành mía đường và cụ thể là quá trình cô đặc đường, quy trình công nghệ,tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc,tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu

Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệthống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếuđối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm Do đó để trở thành một người kỹ sưthực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình và thiết bịtrong Công nghệ thực phẩm Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, haythực hiện công 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 Hữu Quyền cũng như các bạn

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 sức mới mẻnên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan củathầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sauđược thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn

Xin chân thành cám ơn!

Sinh viên thực hiện

Phạm Ngô Xuân Trang Nguyễn Tuấn Vũ

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về nghành công nghệ mía đường

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Donhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường quy mô nhỏ ở nhiều địa phương

đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuấtmột cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kếtvới nhau đã gây 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,mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liênhiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đườnglàm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phếliệu là nguyên 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 tâmđầu 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 nếuthu 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 hiệuquả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao Hiện nay, nước ta đã córất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưngvới sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó Bên cạnh đó, việccung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạchậu, 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 vàcấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc làmột yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phầnkhông thể xem thường

Bảng 1.1 Số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn)

1.2 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường 1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

 Dung môi: nước

 Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như khôngcó) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze Các cấu tử này xem như không bayhơi trong quá trình cô đặc

 Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít

1.1.1.2.2 Đặc điểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

 Dung môi: nước

 Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu

1.1.1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩmbiến đổi không ngừng

 Biến đổi tính chất hóa học

 Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit(Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid

 Đóng cặn bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng độcao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa

 Phân hủy chất cô đặc

 Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗgiữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid

 Biến đổi sinh học

 Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

 Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao

1.1.1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa

 Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữnguyên

 Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu

 Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi

1.3 Cô đặc và quá trình cô đặc

1.3.1 Định nghĩa

- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịchbằng việc đun sôi Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dungdịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch Do đó, nồng độ củadung dịch sẽ tăng lên Khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất cáccấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ởnhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóngmột thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ Truyền nhiệt trongquá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thườngdùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơinước bão hòa để đốt nóng

- Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quantrọng Nó được ứng dụng với mục đích:

 Làm tăng nồng độ chất tan

 Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )

 Thu dung môi ở dạng nguyên chất

- Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, ápsuất thường hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình

có thể gián đoạn hay liên tục

1.3.2 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 ápsuất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu

tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi đểtăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lênmặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khiphải dùng đến máy lạnh

1.3.3 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 củacác phân tử chất 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 trở lực bênngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiệnquá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quátrình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng cácphần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi côđặc Tách không khí và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi côđặc

1.3.4 Ứng dụng của sự cô đặc

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

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

1.3.5 Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sửdụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mongmuốn mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liềnvới sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cảithiện hiệu quả 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 sưphải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá cácnguyên lý mới của thiết bị cô đặc

1.4 Các thiết bị cô đặc nhiệt

1.4.1 Phân loại và ứng dụng

Theo cấu tạo :

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc

dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặttruyền 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 bốc)

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, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinhtrên bề mặt truyền nhiệt 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

nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:

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

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

Theo phương pháp thực hiện quá trình :

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.

Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăngnăng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dungdịch đạt là không cao

Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 ℃ Dungdịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ

cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác

Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến

nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mứcdung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu

sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

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

lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô đặc chân không, côđặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứcho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng

điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

1.3.4.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục

Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý(tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp

và không tiếp xúc oxy

Ưu điểm:

 Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân khôngtrong thiết bị

 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

1.3.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc

Thiết bị chính

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…

Thiết bị phụ

 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ Baromet

 Các loại van

 Thiết bị đo

1.4.4 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

Chương 2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp Từbồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ

bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thânhình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ Các đầu ống được giữ chặttrên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Dung dịch đi từ dưới lên ở bêntrong ống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệtcho 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 hiệnquá trình bốc hơi Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặctrong chân không Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụBaromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua

bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài Sản phẩm đặcđược bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm

2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

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 hòa) đi trong

khoảng không gian ngoài ống

Phía trên buồng đốt là phòng

tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi –

lỏng còn gọi là buồng bốc Trong

buồng bốc có bộ phận tách giọt

dùng để tách những giọt lỏng do

hơi thứ mang theo

Dung dịch được đưa vào đáy

buồng bốc rồi chảy vào trong các

ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn

trung tâm, hơi đốt được đưa vào

buồng đốt Dung dịch được đun sôi,

tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong

ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từdưới lên miệng ống

Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyềnnhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn Vì vậykhối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt Do đó,chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên

và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên

Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dungdịch bay lên qua bộ phận tách giọt Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lạinhững giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còndung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy một phần ở đáythiết bị làm sản phẩm , đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịchvào thiết bị

Chương 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Số liệu ban đầu

 Dung tích đường mía

 Nồng độ nhập liệu xđ = 15% (khối lượng)

 Nồng độ sản phẩm xc = 32% (khối lượng)

 Năng suất nhập liệu Gđ = 5000 kg/h

 Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,75 at

 Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,75 = 0,25 at

 Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 1,8 ati

Vậy Pdư = 1,8 at

 Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,8 = 2,8 at

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

3.2 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:

 Tính áp suất hơi thứ trong buồng bốc:

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

Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, chọn

∆’” = 1,2oC

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(P0)

tsdm(P0) – tc = ∆’”

 tsdm (P0) = ∆’” + tc = 1,2 + 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 vàthực phẩm, trang 117)

Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,trang 314, ta có :

 Ở áp suất thự trên chân không kế tại thiết bị ngưng tụ Pc = 0,25 at thì nhiệt

độ hơi thứ trong TBNT baromet tc = 64,2 oC

Mà tsdm (P0) = tc + 1,2 (theo chứng minh trên)

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

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

f =16,2 T2

r

(Theo công thức VI – 11, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chấttập 2, trang 59)

T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, oK

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

Tra bảng VI – 2, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,trang 60:

Theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất:

độ cuối của dung dịch – Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,trang 59 – nên ∆0' tra theo nồng độ cuối của dung dịch)

 ∆ '

=f ∆ '0=0,67 0,7921=0,53oC

Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ là 0,53oC

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (∆”)

 Theo công thức VI – 12, Sổ tay Quá trình và thiết bị côngnghệ hóa chất tập 2, trang 60:

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

P tb=P0+(h1+h2

2) ρ dds g (N/m2)Trong đó:

P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đếnmặt thoáng của dung dịch, m

h2: chiều cao của ống truyền nhiệt, m

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

Theo công nội suy (1) suy ra yc = 71,54

 ttb = 71,54 oC _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:

∆” = tsdd.(Po + ∆P) – tsdd.(Po)

 ∆” = ttb(Ptb) – ttsdd(P0) (2)

Theo trên, ∆’ = 0,53oC mà ∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) (công thức sách Quá trình

và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296)

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆t hi )

∆thi = ∆tch - ∑∆ = 66,04– 7,34 = 58,7 oC

(Các công thức lấy từ Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập

2, trang 67, 68)

3.3.3 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt lượng tiêu thụ cho 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 (3)

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 đ )

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

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) (4)

Trong đó:

 Gđ = 5000 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:

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 = 2656,25 2344,14.103 = 6,227.109 (J/h)(6)

Trong đó:

 W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 2656,25 kg/h

 r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,26 at, J/kg

Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,trang 314:

Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q kn )

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

Q kn=Q ht 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

Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua (7)

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 7,2997.10 9 J/h.

3.3.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức 5.22a, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1,trang 295 :

3.3.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

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

d= D

W=

3527,3112656,25 =1,328(kg h ơi đ ốt kg h ơi thứ )

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,328 (kg hơi đốt/kghơi thứ)

Chương 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 4.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 )

Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chấttập 2, trang 28:

α1=2,04.(H ∆ t r 1)0,25 , W/m2.độ

 q1 = α1 ∆t1 (1)

Trong đó:

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 2,8 at, r = 2178,4.103 J/

kg (tra bảng I.251 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang315)

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 2mA: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

t m=t D+t V 1

2

Với 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

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.độ

4.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 )

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

Theo công thức VI.27, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chấttập 2, trang 71:

Theo công thức V.90, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập

∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, oC

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

 Cn: nhiệt dung riêng của nước, J/kg.độ

 µdd: độ nhớt của dung dịch, N.s/m2

 µn: độ nhớt của nước, N.s/m2

 φdd: khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

 φn: khối lượng riêng của nước, kg/m3

 λdd: độ dẫn điện dung dịch, W/m.K

 λn: độ dẫn điện nước, W/m.K

Bảng 4.1.Số liệu theo nồng độ của dung dịch

μ

d d

μ

n

C

d d

C

n

λ

d d

1,50410

3

-0,801

10

3

-3846,84

4178

61,7.10

2

1,011

10

3

-0,368

10

3

-3571,71

4192,72

67,3.10

2

1,31.10

3

-0,597

10

3

-3702,51

4183

0,2153

64,2.10

2

%

Ghi chú:

 Các thông số của dung dịch:

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

 μdd: Ở nồng độ 15%, tđ = 300C

Ở nồng độ 32%, tc= 77,15 0C ( tra bảng I.112, Sổ tay tập 1, trang 114)

 Tại nồng độ 23,5%, độ nhớt bằng tổng độ nhớt ở 2 nồng độ trên chiacho 2

t: nhiệt độ của dung dịch, 0C

4.3 Nhiệt tải riêng phía tường ( q v )

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

A: hệ số dẫn nhiệt của ống

λ= 17,5 W/m.độ ( với ống là thép không gỉ_ tra bảng 28, Bài tập và Ví

dụ tập 10, trang 417)

 tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, 0C.

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

4.4 Tiến trình tính nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

4.5 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

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

4.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo chương 3, nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD =7,2997 109 J/h,

thi = 58,7 0C

Chương 5 TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Gđ = 5000 kg/h : khối lượng dung dịch nhập liệu

ρđ : khối lượng riêng dung dịch nhập liệu, kg/m3

xđ= 15% => ρđ = 1061,04 kg/m3 ( tra bảng I.86, Sổ tay Quá trình và thiết

bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 58)

Gc = 2343,75 kg/h: khối lượng dung dịch cuối

ρc: khối lượng riêng dụng dịch cuối, kg/m3

xc= 32% => ρc = 1138,61 kg/ m3 ( tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59)

Đường kính ống tuần hoàn:

Chọn theo kinh nghiệm từ 1/4 đến 1/8 lần đường kính vỏ buồng đốt( theo Giáo trình Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 274)

d th=1

4.1200=325 mm

Theo dãy chuẩn thì ta chọn dth = 325 mm

Hd= 1,5 m : chiều cao buồng đốt

Số ống truyền nhiệt cần thiết là:

l= Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt

F= 50 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

m: số ống trên đường chéo

do= 38 mm :đường kính ngoài ống truyền nhiệt

5.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồngđốt:

Số ống truyền nhiệt là 331 ống có kích thước d32/38 mm

Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth= 325 mm

Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 1200mm

Chiều cao buồng đốt Hd= 1,5 m

Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 50m2

Chiều cao đáy nón Hnon = 1087 mm

W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h)

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,26 at

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

Nội suy: A (0,2; 0,1283), A (0,3; 0,1876) , C (0,26; yc)

ρ”= ρh = 0,16388 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi

 Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 274:

Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 2 m

 Kiểm tra lại Re:

Vậy đường kính buồng bốc Db = 2000 mm

5.2.2 Chiều cao buồng bốc

Theo công thức VI.34, Sổ tay tập 2, trang 72: chiều cao của không gianhơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:

H KGH=4 V KGH

π D b2 , m

Trong đó:

Db: đường kính buồng bốc, m

VKGH: thể tích không gian hơi, m3

Công thức VI.32, sổ tay tập 2, trang 71:

V KGH= W

ρ h U tt , m

3

Trong đó: