ĐỒ ÁN VÀ QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC ÉP SOÀI

.............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

VÕ THANH LỄ

Cần Thơ - năm 2019 (giữa, size 14, đậm)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Cần Thơ - năm 2019 (giữa, size 14, đậm)

Giảng viên hướng dẫn:

Ths TRẦN THỊ THÙY LINH

Nhóm sinh viên thực hiện:

TÀO PHƯỚC LỘC (1600509) TRẦN TẤN LỘC (1600322)

VÕ THANH LỄ (1600178)

i

Mục lục

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 2

1.1.1 Nguyên liệu 2

1.1.2 Phân loại 2

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng của xoài 3

1.2 KHÁI QUÁT VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 3

1.2.1 Khái niệm về cô đặc 3

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 4

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc 4

1.2.4 Thiết bị cô đặc một nồi, buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm 5

1.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CÔ ĐẶC XOÀI 6

1.3.1 Sơ đồ quy trình cô đặc nước xoài 6

1.3.2 Thuyết minh quy trình cô đặc: 6

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 1

2.1 Dữ liệu ban đầu 1

2.2 Các tổn thất nhiệt 3

2.3 Cân bằng nhiệt lượng 6

2.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc 7

2.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 8

CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 9

3.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng 9

3.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch 9

3.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv) 11

3.4 Tính tải nhiệt riêng 11

3.5 Hệ số truyền nhiệt K 12

3.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt F 13

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 14

4.1 Tính buồng đốt 14

4.1.1 Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị (Vđ) 14

4.1.2 Thể tích dung dịch cuối (Vc) 14

ii

4.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt 14

4.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt 16

4.1.5 Tổng kết 17

4.2 Tính buồng bốc 17

4.2.1 Tính đường kính buồng bốc Db 17

4.2.2 Tính chiều cao buồng bốc Hb 18

4.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 19

4.3 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu 19

4.3.1 Ống nhập liệu 20

4.3.2 Ống tháo liệu 20

4.3.3 Ống dẫn hơi đốt 20

4.3.4 Ống dẫn hơi thứ 20

4.3.5 Ống dẫn nước ngưng 21

4.3.6 Ống xả khí không ngưng 21

4.3.7 Tổng kết về đường kính ống 21

CHƯƠNG 5 TÍNH CƠ KHÍ 22

5.1 TÍNH BUỒNG ĐỐT 22

5.1.1 Sơ lược cấu tạo 22

5.1.2 Tính bề dày buồng đốt 22

5.1.3 Tính bền cho các lỗ 24

5.2 TÍNH BUỒNG BỐC 24

5.2.1 Sơ lược cấu tạo 24

5.2.2 Tính thể tích buồng bốc hơi 24

5.2.3 Tính bề dày buồng bốc 25

5.2.4 Tính toán nắp thiết bị 28

5.3 TÍNH TOÁN ĐÁY THIẾT BỊ 30

5.3.1 Sơ lược cấu tạo 30

5.3.2 Tính toán 30

5.3.3 Tính bền cho các lỗ 36

5.4 TÍNH BỀ MẶT BÍCH VÀ SỐ BULONG CẦN THIẾT 36

5.4.1 Sơ lược cấu tạo 36

5.4.2 Chọn mặt bích 37

5.5 TÍNH VÀ CHỌN TAI TREO CHÂN ĐỠ 38

iii

5.5.1 Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ 38

5.5.2 Thể tích các bộ phận thiết bị 38

5.5.3 Khối lượng các bộ phận thiết bị 42

5.5.4 Tổng khối lượng 42

5.6 TÍNH VĨ ỐNG 43

5.6.1 Sơ lược cấu tạo 43

5.6.2 Tính toán 43

5.7 KÍNH QUAN SÁT 45

5.8 BỀ DÀY CỦA LỚP CÁCH NHIỆT 45

CHƯƠNG 6 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 46

6.1 CHỌN TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 46

6.1.1 Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ 46

6.1.2 Đường kính trong dnt của thiết bị ngưng tụ 46

6.1.3 Tính kích thước tấm ngăn 47

6.4.1 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ: 48

6.1.5 Tính kích thước ống Baromet: 48

6.1.6 Tính lượng hơi thứ và khí không ngưng 50

6.2 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM CHÂN KHÔNG 51

6.2.1 Công suất bơm chân không: 51

6.2.2 Chọn bơm chân không 52

iv

DANH MỤC HÌNH

Hình1.1 Thiết bị cô đặc một nồi……… ….5 Hình1.2 Sơ đồ quy trình cô đặc nước xoài……… …6 Hình 2.1 Đồ thị thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc……… … 9

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của xoài cát Hòa Lộc ……… … 3

Bảng 2.1 Tổng hợp số thông số nồi cô đặc……… ….8

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp số liệu tổn thất nhiệt độ ở nồi cô đặc………… … 12

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp số liệu cân bằng nhiệt……… ….14

Bảng 3.1 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch……….…16

Bảng 4.1 Số liệu đường kính các ống……….… 27

Bảng 5.1 Số liệu của bích buồng bốc và buồng đốt……… ……… 43

Bảng 5.2 Số liệu mặt bích nối buồng đốt và đáy……….…44

Bảng 5.3 Số liệu mặt bích nối buồng bốc và nắp……….…… 44

Bảng 5.4 Bảng số liệu kích thước của tay treo……… 49

Bảng 6.1 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet……….……… … 51

ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một trong những nước có nền nông nghiệp phong phú, đa dạng và lâu đời trên thế giới Hiện nay nông nghiệp vẫn còn chiếm tỷ trọng khá cao trong nền kinh tế của nước Việt Nam ta Trong những năm gần đây nông nghiệp đã đạt được nhiều thành tựu to lớn Mặc dù vậy ngành nông nghiệp vẫn chưa mang lại hiệu quả cao tương xứng với vị trí của nó trong nền kinh tế Nguyên nhân chủ yếu

là do các khâu thu hoạch, bảo quản chế biến nông sản tại Việt Nam chưa được ổn định và khoa học Điều đó đã làm giảm giá trị của sản phẩm trên thị trong và ngoài nuớc

Vì vậy, để hạn chế được những điều trên nhiều sản phẩm được nghiên cứu như mứt, syrup, nectar, … được chế biến từ nguyên liệu nông sản Một trong những công đoạn quan trọng trong sản xuất sản phẩm đạt chất lượng là quá trình cô đặc Sản phẩm sau khi cô đặc xong sẽ bảo quản được lâu hơn và vận chuyển dễ dàng, làm tăng giá trị cảm quan cũng như giá trị kinh tế trên thị trường

Xoài là một loại nông sản phổ biến của Việt Nam Tuy vậy, xoài lại không bảo quản được lâu trong thời gian dài, do đó người ta đem xoài cô đặc để tăng được thời gian bảo quản và giữ lại được giá trị dinh dưỡng, làm cho sản phẩm đa dạng hơn, nâng cao được nền kinh tế trên thị trường trong và ngoài nước

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

1.1.1 Nguyên liệu

Xoài là cây ăn quả nhiệt đới, thuộc họ thực vật có hoa Anacardiaceae Xoài có

nguồn gốc ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia Trên thế giới hiện nay có 87 nước trồng xoài với diện tích khoảng 1,8 – 2,2 triệu hecsta Vùng Châu Á chiếm 2/3 diện tích trồng xoài trên giới thế, trong

đó đứng đầu là Ấn Độ (Nguồn: Trần Thế Tục,2004)

Khi trái chín da láng, lúc đó trái hơi nặng hơn nước, có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon được nhiều người ưa thích và được xem là một quả quí Trái xoài chứa nhiều vitamin, các acid hữu cơ nên được sử dụng rộng rãi cả trái chín và trái già còn xanh Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, kem, sấy khô để tiêu thụ nội địa hay xuất khẩu

1.1.2 Phân loại

Các giống xoài hiện được trồng tại Việt Nam gồm:

Xoài Cát Hòa Lộc: Xuất phát từ Cái Bè (Tiền Giang), xoài có trái to, trọng lượng trái 400 – 600gr, thịt trái vàng, dẽ, thơm, ngọt, hạt dẹp, được coi là giống xoài có phẩm chất ngon

Xoài Cát Chu: Phẩm chất trái ngon, thịt thơm ngọt có vị chua, dạng trái hơi tròn, trọng lượng trái trung bình 250 – 350gr, vỏ trái mỏng Đây là giống xoài ra hoa rất tập trung và dễ đậu trái, năng suất rất cao

Xoài Xiêm: Phẩm chất tương đối ngon, cơm vàng, thịt dẽo, mịn, hạt nhỏ, vỏ có trái dày Đây là giống dễ đậu trái, năng suất cao

Xoài Bưởi: trọng lượng trung bình 250 – 350gr, có nguồn gốc từ Cái Bè (Tiền Giang), giống xoài này có thể trồng được trên nhiều loại đất kể cả đất nhiễm phèn, mặn, cây phát triển nhanh

Xoài Thái Lan: Là giống xoài ăn xanh, cây phát triển mạnh, lá thon dài, đầu hơi ngọn, trái dài hơn cong, nặng trung bình 300gr

Xoài Đài Loan: Là giống xoài ăn sống, trái từ 800gr – 1kg, phiến lá lớn, phẳng, đuôi lá tròn, cây sinh trưởng tốt và dễ ra hoa.R2E2 (xoài Úc): Là giống có chất lượng trái ngon đang được phát triển trong thời gian gần đây, đặc biệt ở vùng Nha Trang – Khánh Hòa, An Giang R2E2 có trái tròn, màu sắc vỏ trái đẹp, có mùi thơm đặc trưng, thịt trái ngọt, chắc và ít xơ

Xoài Tứ Quí: Trái nặng trung bình 320gr, hình bầu dục, đầu trái nhỏ, vỏ láng

mỏng, màu vàng đẹp, ngọt, thơm, hạt nhỏ (Nguồn: Trần Thế Tục,2004)

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng của xoài

Theo Boldsky, xoài được gọi là vua của tất cả các loại trái cây Không chỉ thơm

ngon, ngọt, xoài giàu protein, chất xơ, vitamin C, A, axit folic , mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe

Bảng 1.1 Thành phần hóa học trong xoài Cát Hòa Lộc

đu đủ và chuối); 1 mg iron (chỉ thua dưa gang, nho, chuối, ổi và mơ); 295g kẽm (chỉ thua dưa tây, dưa hấu, đu đủ, chuối và ổi); 0,5 g potassium (chỉ thua dưa hấu,

dưa gang và chuối) (Nguồn: Trần Thế Tục, 2004)

1.2 KHÁI QUÁT VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1.2.1 Khái niệm về cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan

- Tách chất rắn hoàn 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, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc thường là hơi nước gọi là “hơi thứ”, thường có nhiệt độ cao,

ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu “hơi

thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc được gọi là “hơi phụ” (Nguồn: Phạm

ở chân không (p < 1 at) Đó là phương pháp cô đặc chân không

1.2.2.2 Phương pháp nhiệt lạnh (kết tinh)

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu náo đó thì một cấu tử sẽ được tách dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất ra (trước khi xảy ra sự kết tinh otecti) Tùy theo tính chất của các cấu

tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện áp suất bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có phải dùng

đến máy lạnh (như kết tinh nước để cô đặc nước ép quả giàu sinh tố, ) (Nguồn:

Phạm Văn Bồn và Nguyễn Đình Thọ, 2004.)

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quan lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau là dễ dàng và tiêu biểu nhất

Thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu sau:

- Loại 2: có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi)

Thiết bị cô đặc nhóm 1 chủ yếu dùng để cô đặc dung dịch khá loãng có độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

1.2.3.2 Nhóm 2:

Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) đối với nhóm này thường có hai loại như sau:

- Loại 3: có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

- Loại 4: có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài

Thiết bị cô đặc nhóm 2 có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch, tốc

độ chuyển động của dung dịch Ưu điểm chính của nhóm này là tăng cường hệ số truyền nhiệt K, dùng được cho dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt cao, giảm được

sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt Có loại dùng cánh khuấy đặt ở trung tâm buồng đốt để tuần hoàn dung dịch

1.2.3.3 Nhóm 3:

Dung dịch chảy thành mảng mỏng, loại này thường cũng có hai loại:

- Loại 5: màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài

- Loại 6: màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài

Thiết bị cô đặc nhóm 3 chỉ cho dung dịch chảy màng (màng mỏng hay màng hơi lỏng) qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng

nhiệt độ lâu làm biến đổi chất một số thành phần của dung dịch (Nguồn: Nguyễn

Tấn Dũng, 2015)

1.2.4 Thiết bị cô đặc một nồi, buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm

Hình1.1 Thiết bị cô đặc một nồi, buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm

Hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch nước xoài có các đặc điểm: Thiết bị cô đặc một nồi, làm việc gián đoạn, tuần hoàn liên tục, buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm

Phần dưới thiết bị là buồng đốt, trong đó có các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống truyền nhiệt Phía trên buồng đốt là buồng bốc, tại đây sẽ tách hơi thứ ra khỏi hỗn hợp lỏng-hơi

Khối lượng riêng của lượng hơi trong ống trung tâm lớn hơn trong ống truyền nhiệt nên nó sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trên ống truyền nhiệt và từ trên xuống ống tuần hoàn trung tâm Vận tốc tuần hoàn càng lớn hệ số cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt giảm

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở trung tâm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản,

dễ làm sạch và sửa chữa, nhưng nhược điểm là vận tốc tuần hoàn giảm vì ống tuần

hoàn cũng bị đun nóng (Nguồn: Phạm Xuân Toản,2003)

1.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CÔ ĐẶC XOÀI

1.3.1 Sơ đồ quy trình cô đặc nước xoài

Hình1.2 Sơ đồ quy trình cô đặc nước xoài

1.3.2 Thuyết minh quy trình cô đặc

Dung dịch nước xoài sau khi qua quá trình ép có nồng độ ban đầu là 15% được bơm lên thùng cao vị nhờ hệ thống bơm nguyên liệu Lưu lượng dung dịch nước xoài được điều chỉnh thông qua lưu lượng kế rồi sau đưa vào buồng đốt Tại đây dung dịch sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi tạo hỗn hợp lỏng-hơi

Hơi thứ và không khí ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, ngưng tụ thành chất lỏng chảy ra ngoài thùng chứa

Sản phẩm nước xoài sau cô đặc sẽ có nồng độ đạt 45% chất khô và được bơm sang thùng chứa sản phẩm

1 Thùng chứa nguyên liệu

2 Bơm nguyên liệu

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Dữ liệu ban đầu

Năng suất xuất liệu Gc = 500 (kg/h)

Nồng độ nhập liệu Xđ = 15%

Nồng độ sản phẩm Xc = 45%

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 300C

Áp suất hơi đốt Pđốt = 2,5 (at)

Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ 0,65 (at)

Loại thiết bị: tự chọn

Cân bằng vật chất

Với:

Gđ, Gc, W: là khối lượng dung dịch ban đầu, cuối và tổng lượng hơi thứ (kg/h)

Xđ, Xc: là nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu và cuối (% khối lượng) Khối lượng dung dịch đầu (Gđ)

Cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô, ta có:

Gđ.Xđ = Gc.Xc

 Gđ = 𝐺𝑐.𝑋𝑐

𝑋đ = 500.45

15 = 15000 (kg/h) Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)

Tra bảng I.125, trang 314, [1], nội suy ta được

Áp suất (tuyệt đối) (at) Nhiệt độ t (0C)

Áp suất tuyệt đối của thiết bị ngưng tụ:

Pc = Pa – Pck = 1 – 0,65 = 0,35 (at) Tra bảng I.125, trang 314, [1] ta có:

Áp suất (tuyệt đối) (at) Nhiệt độ t (0C)

Chênh lệch áp suất chung của hệ thống

P = Pđốt – Pck = 2,5 – 0,35 = 2,15 (at) Gọi ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết

bị ngưng tụ.Theo trang 280, [3], chọn ’’’ = 10C

Nhiệt độ ra khỏi nồi (tsdm) bằng hiệt độ trong thiết bị ngưng tụ + ’’’

tsdm = tnt + ’’’ = 72,05 + 1 = 73,050C Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:

Nhiệt độ t (0C) Áp suất (at)

Bảng 2.1 tổng hợp số thông số nồi cô đặc

3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt

4: Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch

5,6: Nhiệt độ sôi của dung dịch

7: Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ

Dùng công thức nội suy tại tsdm = 73,05 (C) Ta được f = 0,846

Với nồng độ cuối của dung dịch là 45% thì ∆o ’ = 1,25 (tra theo đồ thị VI.2, trang 61, [2]) Bởi vì khi cô đặc có tuần hoàn thì hiệu số nhiệt độ có tổn thất nên

∆′ phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch

∆′ = f. ∆o ’ = 0,846.1,25 = 1,06 C Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆′) là 1,06 C

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

Theo công thức VI.13 trang 60, [2], ta có

∆’’ = tsi – tiVới: tsi là nhiệt độ sôi ứng với áp suất ptb

ti là là nhiệt độ sôi ứng với áp suất pthứ

Theo công thức VI.12 trang 60, [2], ta có áp suất thủy tĩnh ở giữa lớp khối chất lỏng cần cô đặc:

Ptb = Pthứ + [(h1 + 𝐻

2).𝜌dds.h] (N/m2) Trong đó: Pthứ là áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (at), Pthứ = 0,3636

at

h1: chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch (m)

H: chiều cao ống truyền nhiệt (m)

ρdds: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

Tra bảng I.86, trang 60, [1], ta được:

Nhiệt độ (oC)

∆′′= ttb− tsddVới:

ttb: nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (oC)

tsi: nhiệt độ sôi của dung dịch (oC)

Mà ∆′= tsdd− tsdm

 tsdd = ∆′+ tsdm = 1,06 + 73,05 = 74,11 ℃

 ∆′′= 76,35 − 74,11 = 2,245 ℃ Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 2,245 ℃

* Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ((∆𝒕𝒉𝒊)

∆thi = ∆tch− Σ∆ = 54,2 − 4,305 = 49,89 ℃ (Các công thức lấy từ trang 67,67 [2].)

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp số liệu tổn thất nhiệt độ ở nồi cô đặc

∆′(℃) ∆′′(℃) ∆′′′(℃) ∆thi(℃) tsi(℃) 1,06 2,245 1 49,89 76,35

2.3 Cân bằng nhiệt lượng

* Nhiệt lượng tiêu thụ do cô đặc (Q)

Theo công thức VI.3, trang 57, [2], ta có:

Q = Qđ+ Qbh+ Qtt (3.1) Trong đó:

Qđ: nhiệt lượng cần đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi

Qbh: Nhiệt lượng làm bốt hơi nước

Qtt: nhiệt lượng tổn thất qua môi trường

* Nhiệt lượng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Q đ )

Theo công thức VI.3, trang 57, [2], ta có:

Qđ = Gđ Ctb (ts− tđ) Trong đó:

Gđ = 1500 kg/h

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

Theo trang 153, [1]: nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

Ctb = 4190 − (2514 − 7,542 t) x (J kg độ⁄ )

Do trong quá trình đun nóng dung dịch tới nhiệt độ sôi, khi đó dung dịch chưa bốc hơi nên nồng độ dung dịch không thay đổi và chính là nồng độ của nguyên liệu và bằng 15%

Ở nồng độ 15%, tra theo đồ thị VI.2, trang 60, [2]:

∆𝑜′= 0,22℃

∆′= f ∆o′= 0,846.0,22 = 0,186 ℃ Mà: ∆′= tsdd− tsdm

 tsdd = ∆′+ tsdm = 0,186 + 73,05 = 73,24 ℃

- Ở tđ = 30oC, x = 15% thì:

C1 = 4190 − (2514 − 7,542.30) 0,15 = 3846,839 (J kg độ⁄ )

- Ở ts = 73,24 oC, x = 15% thì:

* Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )

Theo công thức VI-3, trang 57, [2], ta có:

Qbh = W r Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên W = 1000 (kg/h)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất 0,3636 at, (J/kg)

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

Thay (3.2), (3.3), (3.4) vào (3.1), ta được

Q = Qđ+ Qbh+ Qtt = 251092388,3 + 232582,4 104 + 0,05Q

Q = 2712543567 (J h⁄ ) = 813,763 kW = 813763 W Vậy nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc là 813,763 kW

2.4 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức VI-6a, trang 57, [2], ta có:

Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc:

D =Q

r =

27125435672189.5 103 = 1238,89 (kg h⁄ ) Với:

Q: nhiệt lượng tiêu thụ trong quá trình cô đặc (J/h); Q = 2712543567 (J/h) r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 2,5 at (J/kg); r = 2189,5 103 (J/kg), (tra bảng I.251, trang 315, [1]

2.5 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có:

d = D

W=

1238,89,

1000 = 1,239 (kg hơi đốt kg hơi thứ)⁄Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,239 kg hơi đốt

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp số liệu cân bằng nhiệt

Cn: tra bảng I.294, trang 310, [1]

i: tra bảng I.250, trang 312, [1]

CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 3.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng

Theo công thức V.101, trang 28, [2]:

α1 = 2,04.A.( 𝑟

𝐻.∆𝑡1)0,25

q1 = α1.Δt1 (W/m2) Trong đó:

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (W/m2)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 2,5 at; r = 2189,5.103 (J/kg) H: chiều cao ống truyền nhiệt, với H = 1 m

A: phụ thuộc nhiệt độ mảng nước ngưng tm

tm = 𝑡𝐷+ 𝑡𝑣1

2 (oC) Với

𝑡𝐷, 𝑡𝑣1: nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ vách phía hơi ngưng

A: tra bảng trang 29, [2]

3.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị 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]:

Δt: Hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi (0C)

Cdd, Cn: Nhiệt dung riêng của dung dịch và của nước (J/kg.độ)

μdd, μn: Độ nhớt của dung dịch và của nước (N.s/m2)

ρdd, ρn: Khối lượng của dung dịch và của nước (kg/m3)

λdd, λn: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và của nước (W/m.K)

(3.1)

(3.2)

Bảng 3.1 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch

µn 10 3 N.s/m 2

Các thông số của dung dịch:

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

 ρdd: tra ở các nồng độ khác như, tra bảng I.86, trang 58 [1]

 μdd:

 Ở nồng độ 15%, tđ = 30 C

 Ở nồng độ 45%, tc = tsdd(Po)+ 2Δ”= 74,11 + 2.2,245 = 78,6 C

 Tra bảng I.112, trang 114, [1]

 Tại nồng độ trung bình 30%, độ nhớt bằng tổng độ nhớt của hai nồng

độ trên chia 2

 𝐶𝑑𝑑: Nhiệt dung riêng của dung dịch đường, (công thức I.50, trang 15, [1])

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

t: nhiệt độ của dung dịch x: nồng độ của dung dịch

Trong đó:

A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, A = 3,58.10-8

M: Khối lượng mol của dung dịch, M = 342 (g/mol)

Cp = Ctb =Cđ +Cc

2 = 3892,594+3325,463

2 = 3586, 151 (J/kg.độ)

ρ = ρtb = 1128,98 (kg/m3)

 𝜆tb= 3,58 10−8 3586, 151.1128,98 √1128,98

342

3

= 0,216 (W/m.độ) Tính tương tự ta được: 𝜆đ = 0,213 (W/m.độ)

𝜆c = 0,218 (W/m.độ) Thế vào công thức (3.2) ta có:

α2 = αn (0,2155

0,645 )

0.565 [(1132,86984,2 )

2 (3586, 1514185,94 ) (

0,581 10−31,781 10−3)]

3.4 Tính tải nhiệt riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

Tiếp theo 𝛼1 = 2,04 𝐴 √ 𝑟

∆𝑡.ℎ

4 (W/m.độ)

3.5 Hệ số truyền nhiệt K

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt

K = 1 1𝛼1+∑ 𝑟𝑣+

1 𝛼2 (W/m2.độ) Trong đó:

3.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt F

Ta có: Q = 813763 W

∆thi = 49,89 C Theo công thức V.22b, tập 5, quyển 1, trang 279, [3], ta có:

K F ∆thi = (1 − 𝜀) 𝑄 𝜀: tỷ lệ tổn thất nhiệt, chọn 𝜀 = 5%

𝐹 =(1−𝜀).𝑄𝐾.∆thi =(1−0,05).813763

772,582 49,89 = 20 m2Tra theo dãy chuẩn chọn F = 25 m2, trang 276, [3]

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

Gđ: khối lượng dung dịch nhập liệu (kg/h), Gđ = 1500 kg/h

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

Xđ = 15%  ρđ = 1061,04 kg/m3 (tra bảng I.86, trang 58, [1])

4.1.2 Thể tích dung dịch cuối (V c )

Gc = Vc.ρc (kg/h)

 Vc =Gc

ρc = 5001204,67= 0,415 m3Trong đó:

Gc: khối lượng dung dịch cuối, (kg/h), Gc = 500 kg/h

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

Xc = 45%  ρc = 1204,67 kg/ m3 (tra bảng I.86, trang 60, [1])

4.1.3 Tính chọn đường kính buồng đốt

* Số ống truyền nhiệt

Chọn ống có kích thước d = 25/31 mm (tra bảng VI.6, trang 80, [2])

Theo công thức III.49 trang 134 tập [4]:

n = Fπ.d.l(ống) Với :

d: đường kính ống truyền nhiệt (m); vì α1 > α2 lấy dn = 25 mm = 0,025 m l: chiều dài ống truyền nhiệt (m); l = 1 m ; Hđ = 1 m

F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m); F = 25 m2

Số ống truyền nhiệt là n = 25

π.0,025.1 = 318,31 ≈ 318 (ống) Theo quy chuẩn bảng V.11 trang 48 [2]

- Chọn tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân n = 331 ống, bố trí theo hình lục giác đều có ống tuần hoàn trung tâm

- Tổng số ống của thiết bị là 367

- Số lục giác đều là 10

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác đều là 21

- Số ống trên 1 cạnh của hình lục giác lớn nhất là 11

* Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Áp dụng công thức III.26, trang 121, [9]:

dth = √4 Fth

π (m)

Tỷ lệ 𝐹𝑡ℎ

𝐹 𝑛 = 0,25 − 0,35, chọn 0,3 ta được Fth = 0,3.FnVới Fn = π Dn

2 n 4Trong đó:

Fth: diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn (m2)

Fn: diện tích tiết diện ngang của tất cả các ống truyền nhiệt (m2)

Dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt (m); Dn = 31 mm = 0,031 m

dn : đường kính trong ống truyền nhiệt (m); dn = 25 mm = 0,025 m

D: đường kính vỏ thiết bị

m: số ống trên đường chéo m = 21 ống

Do: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, Do= 31 mm

Chọn β = 1,4

Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt:

F = π l ( n.dn + dth) = π.1.(306.0,025 + 0,325) = 25,05 m2

F > Ftính toán (Ftính toán = 20 m2; thỏa mãn điều kiện)

4.1.4 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

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

Đường kính trong đáy nón chính là đường kính trong buồng đốt dbđ = 1000

4.1.5 Tổng kết

Sau khi tính toán ta có số liệu như sau:

- Số ống truyền nhiệt là 306 ống

- Ống truyền nhiệt có đường kính là d = 25/31 mm

- Một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính trong dth = 325 mm; đường kính ngoài Dth = 332 mm

- Đường kính trong buồng đốt dbđ = 1000 mm

- Chiều cao buồng đốt Hđ = 1 m

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 25 m2

- Chiều cao đáy nón Hnón = 906 mm

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất Po = 0,3636 at, (kg/m3)

Tra bảng I.251, trang 314, [1]  ρh= 0,2245 kg/m3

W: lưu lượng hơi thứ (kg/h); W = 1000 kg/h

- Vận tốc hơi:

ωhơi = Vhơi

π.dbb

24

= 1,24

π.dbb

24

ρ’: khối lượng riêng của giọt lỏng, (kg/m3)

ρ’= 975,334 kg/m3, (tra bảng I.249, trang 311, [1] tra ở nhiệt độ sôi của dung dịch trong buồng bốc tsdd = 74,11 oC

ρ”: khối lượng riêng của hơi (kg/m3), ρ” = ρh = 0,2245 kg/m3

dbb2Theo trang 276, [3]:

0,2 < Re < 500 thì 𝛿 = 18,5

𝑅𝑒 0,6

𝛿 = 𝑑𝑏𝑏1,2 18,5

(8,94𝑑𝑏𝑏2)0,6 = 4,97.dbb1,2

𝑑𝑏𝑏1,4≥ 0,91

 𝑑𝑏𝑏 ≥ 0,94 𝑚

 Chọn đường kính trong buồng bốc : dbb = 1,4 m = 1400 mm

4.2.2 Tính chiều cao buồng bốc H b

Theo công thức VI.34, trang 72, [2]:

Chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:

𝐻𝑘𝑔ℎ =4 𝑉𝑘𝑔ℎ

𝜋 𝑑𝑏𝑏2 (𝑚)

Trong đó:

𝐻𝑘𝑔ℎ: chiều cao của không gian hơi (m)

dbb: đường kính trong buồng bốc (m)

Vkgh: thể tích không gian hơi (m3)

Theo công thức VI.32, trang 71, [2], ta có:

VKGH = 𝑊

𝜌ℎ.𝑈𝑡𝑡 (m3) Trong đó:

W: lượng hơi thứ, (kg/h), W = 1000 kg/h

𝜌ℎ: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất Po = 0,3636 at, (kg/h)

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có 𝜌ℎ = 0,2245 kg/m3

Utt : cường độ bốc hơi cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích nước bay hơi trên 1 đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian)

Utt = f Utt(1at) (m3/m3.h) Tra hình VI.3 trang 72, [2], ta được f = 1,2

Hkgh = 1,6 m = HbVậy chiều cao buồng bốc Hb = 1,6 m

4.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgờ = 40 mm

Đường kính trong nắp elip chính là đường kính trong buồng bốc dbb = 1400

mm

Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10, trang 394, [2], ta có:

- Helip = 350 mm

- Ft: bề mặt trong (m2); Ft = 2,31 m2

4.3 TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU, THÁO LIỆU

Theo cô n g t hức V I- 41, trang 74, [2], ta có:

Vs = 𝜋.𝑑

2

4 𝜔 (m3/s)

Trong đó:

Vs = 𝐺

𝜌 : lưu lượng khí hoặc dung dịch trong ống (m3/s)

G: lưu lượng lưu chất (kg/s)

𝜌: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3) tra bảng I.86, trang 58 [1] 𝜔: tốc độ thích hợp của khí hoặc dung dịch đi trong ống (m/s)

d: đường kính của ống (m)

Từ công thức trên ta suy ra được đường kính của các ống được tính theo công thức:

d = √4𝑉𝑠 𝜋.𝜔 =√ 4.𝐺

- Chọn 𝜔 = 30 m/s (hơi bão hòa)

- PD = 2,5 at  𝜌𝐷 = 1,3625kg/m3 (tra bảng I.251 trang 314 [1])