Thiết kế thiết bị cô đặc nước vải

Thiết bị cô đặc dung dịch nước vải năng suất 1000kghThiết bị cô đặc 1 nồiTính toán cân bằng vật chấtSố liệu kỹ thuật thiết bị cô đặc dung dịch nước vảiTổng quan vảiĐặc điểm các thiết bị cô đặcCác phương pháp cô đặcthành phần dinh dưỡng của quả vải

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

Đồ án:

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

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp.HCM, ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp.HCM, ngày tháng năm Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

 DANH MỤC BẢNG 5

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1 Tổng quan về vải 3

1.1 Nguồn gốc 3

1.2 Những đặc tính chủ yếu 3

1.3 Các giống vải và vùng trồng tại Việt Nam 3

1.4 Giá trị dinh dưỡng 4

1.5 Lợi ích của vải 5

1.6 Tiêu chuẩn nguyên liệu 5

1.7 Quy trình sản xuất vải cô đặc 7

2 Cô đặc và quá trình cô đặc 8

2.1 Khái niệm 8

2.2 Bản chất của cô đặc do nhiệt 8

2.3 Phân loại và ứng dụng 8

2.4 Một số thiết bị cô đặc 9

2.5 Lựa chọn thiết bị cô đặc 12

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC VẢI 13

3 Hệ thống cô đặc dung dịch nước vải 13

3.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục chân không 13

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc 13

3.3 Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc 13

CHƯƠNG III CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 15

4 Cân bằng vật chất và năng lượng 15

4.1 Cân bằng vật chất 15

4.2 Cân bằng nhiệt 16

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 22

5 Tính kích thước thiết bị cô đặc 22

5.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 22

5.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc 26

5.3 Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc 32

4.3.7 Khối lượng và tai treo 49

CHƯƠNG V TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 56

6 Tính toán thiết bị phụ 56

6.1 Thiết bị ngưng tụ 56

6.2 Bồn cao vị 58

6.3 Bơm 60

6.4 Cửa sữa chữa 64

6.5 Kính quan sát 64

BẢNG TỔNG KẾT 65

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt 18

Bảng 2: Tổng kết về các số liệu trong cân bằng năng lượng 21

Bảng 3: Tổng kết về các thông số truyền nhiệt cho thiết bị 26

Bảng 4: Kích thước nồi cô đặc 43

Bảng 5: Số liệu bích nối buồng đốt và đáy 45

Bảng 6.Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp 46

Bảng 7: Tổng kết về loại thép và khối lượng thép dùng cho thiết bị 54

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

cơ bản về quá trình cô đặc dung dịch nước vải Quy trình côngnghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt chothiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụcần thiết theo yêu cầu

Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết

kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầukhông thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm Do đó đểtrở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiếnthức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thựcphẩm Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiệncông tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũngrất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của bộ môn Quátrình thiết bị và những người 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 sứcmới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót Nhưng sự xem xét và đánhgiá khách quan của thầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với

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

Xin chân thành cám ơn!

1.2 Những đặc tính chủ yếu

Vải là cây thường xanh với kích thước trung bình, có thể cao tới15–28 m, có lá hình lông chim mọc so le, mỗi lá dài 12.5–20 cm, với2-8 lá chét ở bên dài 5–10 cm và không có lá chét ở đỉnh (Davidson,2006)

Các lá non mới mọc có màu đỏ đồng sáng, sau đó chuyển dầnthành màu xanh lục khi đạt tới kích thước cực đại Hoa nhỏ màutrắng ánh xanh lục hoặc trắng ánh vàng, mọc thành các chùyhoa dài tới 30 cm (Menzel, 2005)

Quả là loại quả hạch, hình cầu hoặc hơi thuôn, dài 3–4 cm vàđường kính 3 cm Lớp vỏ ngoài màu đỏ, cấu trúc sần sùi, không ănđược nhưng dễ dàng bóc được Bên trong là lớp cùi thịt màu trắng

mờ, ngọt và giàu vitamin C, có kết cấu tương tự như của quả nho Ởgiữa quả là một hạt màu nâu, dài 2 cm và đường kính cỡ 1-1,5 cm.Hạt - tương tự như hạt của quả dẻ ngựa - có độc tính nhẹ và khôngnên ăn Quả chín vào giai đoạn từ tháng 6 (ở các vùng gần xích đạo)đến tháng 10 (ở các vùng xa xích đạo), khoảng 100 ngày sau khi cây

ra hoa (Somogyi, 2005)

1.3 Các giống vải và vùng trồng tại Việt Nam

1.3.1 Nhóm vải chua (vải tu hú)

Cây cao lớn, lá to, phiến lá to Khi ra hoa, chùm hoa vải từ cuống đến nụ hoađều phủ một lớp lông đen Quả thường chín vào cuối tháng 4 và đầu tháng 5 Khi chín

vỏ quả màu đỏ tươi, trọng lượng quả 30-50kg, vỏ dày, hạt to, cùi mỏng và rất chua, tỷ

lệ cùi chiếm 60-65% trọng lượng quả ở nước ta loại vải này chủ yếu được trồng ở cáctỉnh trung du và miền núi như: Phú Thọ, Hà Tây, Tuyên Quang, Quảng Ninh

1.3.2 Nhóm vải nhỡ

Cây to trung bình, tán cây thường to 5-7m, dạng trứng, lá to, cây sinh trưởngkhỏe, chùm hoa không có lông đen, nhưng hoa mọc thưa hơn vải chua, quả chín muộnhơn nhóm vải chua nhưng sớm hơn nhóm vải thiều Quả có trọng lượng trung bình từ28-34g

1.3.3 Nhóm vải ngọt

Cây có tán hình mâm xôi cao từ 10-15m, lá nhỏ, phiến lá dày bóng, khả năngchịu hạn tốt, phù hợp với đất có độ pH 5-6, khi ra hoa chùm hoa không phủ lớp lôngđen mà có màu trắng vàng, chín chính vụ (tháng 6) Trọng lượng quả trung bình 18-25g, vỏ quả mỏng, hạt nhỏ, dày cùi, tỷ lệ ăn được 70-80%, cùi thơm và ngọt hơn 2nhóm vải trên

Giống vải được ưa chuộng nhất ở Việt Nam là vải thiều trồng tạikhu vực huyện Thanh Hà, tỉnh Hải Dương Tuy nhiên, vải được trồngnhiều nhất ở huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang Quả vải tại vùngThanh Hà (Hải Dương) thông thường có hương vị thơm và ngọt hơnvải được trồng ở các khu vực khác (mặc dù cũng lấy giống từđây) Một giống vải khác chín sớm hơn, có tên gọi dân gian là "vải tuhú", có hạt to hơn và vị chua hơn so với vải thiều Nguyên do có têngọi như vậy có lẽ là vì gắn liền với sự trở lại của một loài chim di cư

là chim tu hú (camnangcaytrong.com)

1.4 Giá trị dinh dưỡng

Trong 100g phần ăn được của quả vải cung cấp:

 Năng lượng: 276 kJ (66 Kcal)

mgmgmgmgµgmg

mgmgmgmgmgmg

(USDA Nutrient Database)

1.5 Lợi ích của vải

- Hỗ trợ tiêu hóa

Lượng chất xơ đáng kể trong vải, cũng như trong hầu hết cácloại trái cây và rau quả sẽ giúp hỗ trợ quá trình tiêu hóa Điều nàygiúp nhu động ruột di chuyển qua đường tiêu hóa một cách thuận lợi,đồng thời chất xơ cũng kích thích nhu động của cơ trơn ruột non,tăng tốc độ thức ăn đi qua Nó cũng kích thích dịch vị và dịch tiêuhóa, do đó, sự hấp thụ các chất dinh dưỡng hiệu quả Điều này cóthể làm giảm táo bón và các rối loạn tiêu hóa khác Nó cũng giúpgiảm béo bụng.(Jun Nishihira, 2009) Hơn nữa, các đặc tính chốngviêm của vải thiều giàu flavanol cũng có tác dụng bảo vệ gan (Dongxiao Su, 2016)

- Tăng khả năng miễn dịch

Có lẽ chất dinh dưỡng quan trọng nhất trong vải thiều là vitamin C Điều này cónghĩa là hệ thống miễn dịch của bạn được tăng cường đáng kể, vì vitamin C là một hợp chất chống oxy hóa chính và được biết là kích thích hoạt động của các tế bào bạchcầu, là tuyến phòng thủ chính của hệ thống miễn dịch của cơ thể (Seung Wan Kang, 2012)

-Tiềm năng chống ung thư

 Một nghiên cứu năm 2006 cho thấy chiết xuất từ quả vải thiều

có khả năng tạo ra quá trình chết rụng cũng như ức chế sự tăngsinh tế bào của tế bào ung thư vú (Xiujie Wang, 2006)

 Nghiên cứu cho thấy chiết xuất từ hạt vải có thể là một liệupháp thay thế để điều trị ung thư tuyến tiền liệt Mặc dù cácnghiên cứu trên người vẫn chưa được thực hiện, nhưng nhữngphát hiện cho đến nay có vẻ đầy hứa hẹn (Hongwei Guo,2017)

 Nghiên cứu mới nhất của ông được công bố trên tạp chíNutrients cho thấy vải thiều có một số tác dụng điều trị có thểgiúp điều trị ung thư ruột kết (Sonia Emanuele, 2018)

-Kháng vi-rút

Các proanthocyanidins trong vải thiều đã được nghiên cứu rộng rãi và chúngcũng đã được các nhà nghiên cứu từ Học viện Khoa học Trung Quốc chứng minh khảnăng kháng virus Litchitannin A2, một hợp chất được tìm thấy trong vải thiều, có liênquan chặt chẽ đến việc ngăn chặn sự lây lan hoặc bùng phát của vi rút, bao gồm vi rútherpes simplex và coxsackievirus (Xinya Xu, 2010)

-Kiểm soát huyết áp

Vải thiều chứa nhiều kali, có nghĩa là nó có thể giúp cơ thể bạn duy trì sự cânbằng chất lỏng; nó cũng ít natri Cân bằng chất lỏng là một phần không thể thiếukhông chỉ của các chức năng trao đổi chất mà còn trong bệnh tăng huyết áp Kali đượccoi là chất làm giãn mạch, có nghĩa là nó làm giảm sự co thắt của mạch máu và độngmạch, do đó làm giảm căng thẳng cho hệ thống tim mạch Hơn nữa, Tiến sĩ MaheshThirunavukkarasu và cộng sự, Trung tâm Y tế Đại học Connecticut, Hoa Kỳ, trong mộtnghiên cứu đã tiết lộ rằng oligonol chiết xuất từ quả vải cũng là một chất giãn mạch.(Mahesh, 2012)

1.6 Tiêu chuẩn nguyên liệu

TCN 575-2004

Trạng thái - Vải quả tươi tốt, phát triển bình

thường, hình sáng cân đối, gai tươngđối nhẵn Không bị ẩm ướt bất thườngngoài vỏ và không có vết thâm

- Cùi vải dày, chắc và bóng

- Không có quả thối,úng, lên men, khô,sâu bệnh…

Kích thước - Đường kính mặt cắt ngang lớn nhất

của quả: không nhỏ hơn 30mm

1.7 Quy trình sản xuất vải cô đặc

Nước vải cô đặcChai

Nắp

2 Cô đặc và quá trình cô đặc

2.1 Khái niệm

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

đó là quá trình vật lý – hóa lý

Các phương pháp cô đặc:

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

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

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

2.2 Bản chất của cô đặc do nhiệt

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

2.3 Phân loại và ứng dụng

Theo cấu tạo:

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị

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

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

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

-Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết

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

Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được chocác dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên

bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhómnày chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyềnnhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác động nhiệt độ lâulàm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợpcho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Baogồm:

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

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

Theo phương thức thực hiện quá trình

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

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

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

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

+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thểđược điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.Đối với mỗi nhóm thiết bị ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong,buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy theo điềukiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ

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

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

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

2.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

- Cấu tạo:

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

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

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

- Nhược điểm :

+ Cấu tạo phức tạp

+ Kích thước lớn do có khoảng trống vành khăn

2.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

- Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:

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

đi qua ống vào phòng bốc hơi

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

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

2.4.4 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc :

+ Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U

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

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

- Ưu điểm:

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

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

2.4.5 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:

+ Dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn

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

- Ưu điểm

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

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

- Nhược điểm

+ Tốn năng lượng để bơm

+ Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn

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

2.4.6 Thiết bị cô đặc loại màng

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:

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

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

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

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

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

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

- Nhược điểm:

+ Khó làm sạch vì ống dài

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

2.5 Lựa chọn thiết bị cô đặc

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

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

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

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

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC

DUNG DỊCH NƯỚC VẢI

3 Hệ thống cô đặc dung dịch nước vải

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

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

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

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

3.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm các ống truyền nhiệt vàmột ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đitrong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động củaống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơnnhiều so với ống truyền nhiệt do đó có hệ số truyền nhiệt nhỏ, dungdịch sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dungdịch có ρds = 0.5ρdd do đó tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuầnhoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một vòng chuyển độngtuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động cóhiệu quả dung dịch cho vào khoảng 0.4-0.7 chiều cao ống truyềnnhiệt Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏidung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách những giọt lỏng rakhỏi hơi thứ Hơi đốt đưa vào thiết bị, hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫnngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả

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

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

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

-Ổng: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng

 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

8 Thùng chứa sản phẩm

9 Thiết bị ngưng tụ

10 Bộ phận thu hồi bọt

11 Ốngbaromet

CHƯƠNG III CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4.1 Cân bằng vật chất

Dữ liệu ban đầu:

 Nồng độ ban đầu: xđ = 15%

 Nồng độ sản phẩm: xc = 40%

 Năng suất nhập liệu: Gđ = 1000kg/h

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

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

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

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

Ẩn nhiệthóa

hơi(kJ/kg)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(oC)

22

: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển

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

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

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

Trong đó:

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

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

Ta có:

f = 16.2* = 16.2 = 0.685

= 0.9 0.685 = 0.61650C

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

4.2.1.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh

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

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

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

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

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

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

= 0.97Theo quy tắc Babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dungdịch Do đó tại nhiệt độ t:

= = 0.97=>0.12 (at)Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc ở áp suất 0.117 at bằng nhiệt độ sôi củanước ở áp suất 0.12 at là 48.90C (tra bảng I.251, trang 314, tập 1)

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

 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

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

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

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở

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

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

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

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

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

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

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

Nhiệt lượng vào thiết bị cô đặc:

 Do dung dịch đầu: Gđ*Cđ*tđ kW

 Do hơi đốt: D*h1 kWNhiệt lượng ra khỏi thiết bị cô đặc:

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

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

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

Nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc:

Nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc ở các nồng độ khác nhau được tính theocông thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]):

4.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt

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

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

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

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

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

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt tc 0C 52.22

Nhiệt dung riêng của dung dịch

Nhiệt dung riêng của dung dịch

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 444204.8

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng m kg/kg 1.2

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

5 Tính kích thước thiết bị cô đặc

5.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

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

K = (W/m2.K)

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

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

5.1.1.1 Nhiệt tải riêng trung bình

qtb = (W/m2)

Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch

q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt (W/m2)

q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ (W/m2)

q2: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi (W/m2)

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

ts: nhiệt độ sôi dung dịch (0C)

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

5.1.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt

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

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

28

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

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

: chiều dày thành ống đốt (m)

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

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

= = 2.65 (m2.K/W)

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

5.1.3 Hệ số cấp nhiệt

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

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

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

Trong đó:

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

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

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

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

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

Nhiệt trung bình của thành thiết bị:

ρ: khối lương riêng (kg/m3)

c: nhiệt dung riêng (J/kg.K)

a: phần mol của saccharose

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



 M = (kg/kmol)

30

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

K được tính thông qua các hệ sô cấp nhiệt:

(W/m2.K)

5.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

)

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

Nhiệt độ tường phía hơi ngưng Tw1 0C 102.75

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi Tw2 0C 68.05

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/m2.K 8857.43

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi W/m2.K 2586.94

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống W/m.K 16.97

Nhiệt trở phía hơi nước m2.K/W 0.232.10-3

Nhiệt trở phía dung dịch m2.K/W 0.387.10-3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K

5.2 Tính kích thước thiết bị cô đặc

 W: suất lượng hơi thứ; kg/s

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

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

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

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

Như vậy đường kính buồng bốc là Db = 1200 mm

 Chiều cao buồng bốc (Hb):

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

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

Trong đó:

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

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

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

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

Thể tích buồng bốc:

Vb = = = 3.3 m3

Chiều cao buồng bốc:

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

Chọn chiều cao buồng bốc là 3.5m

32

5.2.2 Tính kích thước buồng đốt

 Số ống truyền nhiệt

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

n =Trong đó:

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

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

 d – đường kính của ống truyền nhiệt

 Vì nên ta chọn d = dt = 20 mm

 Số ống truyền nhiệt là:

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

 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth)

chọn Dth = 250 mm theo tiêu chuẩn ASTM của Mĩ

Kiểm tra: = = 12.511 10 (thỏa)

 Đường kính buồng đốt

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

Dt = (m)

Trong đó:

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

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

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

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

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

 = 600 : gốc ở đỉnh của tam giác đều

 F = 11.06: diện tích bề mặt truyền nhiệt

= 0.45 m.

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

 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:

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

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 91

Số ống trong các hình viên phân

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

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

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

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

d = = = 0.138 m

Chọn dt = 140 mm; dn = 144 mm

- Ống dẫn hơi thứ: W = 625 kg/h

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

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

Sơ lược cấu tạo

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

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

 Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép – crom – titan Mã hiệu (1X18H9T) theo(I.125 trang 127, [1]) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn