Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc nước xoài

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. trong thực tế người ta thườngxử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.Đồ án này đề cập tới các kiến thức cơ bản về các quá trình cô đặc, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc cũng như tính toán chi tiết cho thiết bị chính và thiết bị phụ theo yêu cầu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO MÔN HỌC:

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC XOÀI

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

1.1.1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

LÃ THỊ THU HÀ – 18139041 NGUYỄN MINH LUÂN – 18139089 NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NIÊN KHÓA: 2018 – 2022

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC XOÀI

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS NGUYỄN HỒNG NGUYÊN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TP HCM, ngày tháng năm 2021

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Hồng Nguyên đã tận tình hướng dẫnnhóm thực hiện báo cáo môn học để chúng em có thể hoàn thành báo cáo đúng hạn vàchính xác nhất

Trong quá trình thực hiện bài báo cáo, do hiểu biết kiến thức còn có hạn cũngnhư kinh nghiệm thực hiện đề tài còn hạn chế, không thể tránh khỏi nhiều sai xót Rấtmong nhận được sự đóng góp và góp ý của các thầy cô để chúng em rút kinh nghiệmcho những đề tài lớn hơn sau này

TP Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2021

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 2

1.1 Đặc điểm chung về cây xoài 2

1.1.1 Nguồn gốc 2

1.1.2 Đặc điểm sinh vật học của cây xoài 2

1.1.3 Phân loại 3

1.2 Thành phần hóa học trong quả xoài 4

1.3 Giá trị sử dụng của xoài trong cuộc sống 5

1.3.1 Tác dụng của xoài chín 5

1.3.2 Tác dụng của xoài xanh 6

1.3.3 Tác dụng của lá xoài 6

1.3.4 Tác dụng của vỏ thân cây xoài 6

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 7

2.1 Khái quát về cô đặc 7

2.1.1 Định nghĩa 7

2.1.2 Các phương pháp cô đặc 8

2.2 Thiết bị cô đặc 8

2.2.1 Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều 9

2.2.1.1 Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều 9

2.2.1.2 Cấu trúc của thiết bị 9

2.2.1.3 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng 9

Chương 3 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

3.1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc 11

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 13

4.1 Tính buồng đốt 13

4.1.1 Xác định số ống truyền nhiệt 13

4.1.2 Đường kính buồng đốt 13

4.1.3 Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt 14

4.1.4 Kích thước các ống dẫn 14

4.1.4.1 Ống nhập liệu nồi I 14

4.1.4.2 Ống tháo liệu nồi I (Ống nhập liệu nồi II) 15

4.1.4.3 Ống tháo liệu nồi II: 15

4.1.4.4 Ống dẫn hơi nước ở nồi I 15

4.1.4.5 Ống dẫn hơi thứ ở nồi I 16

4.1.4.6 Ống dẫn hơi thứ ở nồi II 16

4.1.4.7 Ống dẫn hơi nước ngưng ở nồi I 16

4.1.4.8 Ống dẫn nước ngưng nồi II 16

4.2 Tính buồng bốc 18

Chương 5 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNG 20

5.1 Dữ kiện ban đầu 20

5.2 Cân bằng vật chất 20

5.2.1 Áp dụng phương trình cân bằng vật chất 20

5.2.2 Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống 20

5.2.3 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi 21

5.3 Cân bằng năng lượng 21

5.3.1 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ 22

5.3.2 Xác định nhiệt độ tổn thất 22

5.3.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ ' 23

5.3.2.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆ ' ') 24

5.3.2.3 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống 25

5.3.2.4 Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc 26

5.3.3 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở các nồi 26

5.3.4 Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi 26

5.3.5 Tính các hệ số truyền nhiệt của các nồi 26

5.3.6 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi 26

Chương 6 TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ 30

6.1 Tính toán cho buồng đốt 30

6.1.1 Tính cho bề dày thân 30

6.1.2 Kiểm tra bề dày buồng đốt 31

6.2 Tính cho buồng bốc 32

6.2.1 Tính bề dày thân 32

6.2.2 Kiểm tra bề dày 32

6.2.3 Kiểm tra áp suất ngoài cho phép 33

6.3 Tính nắp 34

6.4 Tính đáy 36

6.5 Tính bích 38

6.5.1 Bích nồi nắp với buồng đốt 38

6.5.2 Bích buồng đốt và buồng bốc 38

6.6 Tính vỉ ống 38

6.7 Tính tai treo 39

6.7.1 Tính MTB 40

6.7.1.1 Khối lượng buồng đốt 40

6.7.1.2 Khối lượng buồng bốc 40

6.7.1.3 Khối lượng nắp 40

6.7.1.4 Khối lượng đáy 40

6.7.1.5 Khối lượng nón cụt 40

6.7.1.6 Khối lượng ống truyền nhiệt 40

6.7.1.7 Khối lượng vỉ ống 40

6.7.1.8 Tổng khối lượng chi tiết phụ: 40

Chương 7 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 41

7.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet: 41

7.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ: 41

7.1.3 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet: 43

7.1.3.1 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ baromet 43

7.1.3.2 Kính thước tấm ngăn: 43

7.1.3.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 44

7.1.3.4 Kích thước ống Baromet 44

Đường kính trong của ống Baromet 44

7.2 Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu 47

7.3 Tính bơm 51

7.3.1 Bơm chân không 51

7.4 Tính bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 52

7.5 Tính bơm nhập liệu 54

7.6 Tính bơm tháo liệu ở nồi II 56

7.7 Bề dày lớp cách nhiệt 58

7.7.1 Bể dày lớp cách nhiệt buồng đốt nồi I 58

7.7.2 Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi nước nồi II 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Một số giống xoài phổ biến 4

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới vànước nhà, các ngành công nghiệp ngày càng đề cao sự tinh khiết của sản phẩm cũngnhư nguồn nguyên liệu Các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiếtcũng như giảm khối lượng sản phẩm, đáp ứng tốt nhu cầu vận chuyển đi xa của sảnphẩm rất đa dạng: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu

mà ta có phương pháp thích hợp

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp thực phẩm, thường phải làmviệc với các

hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng Để nâng caonồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biệnpháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt đểlàm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàncưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâmđược dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễ vậnhành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2

nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu trong thực tế người ta thường

xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Đồ án này đề cập tới các kiến thức cơ bản về các quá trình cô đặc, quy trìnhcông nghệ, tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị côđặc cũng như tính toán chi tiết cho thiết bị chính và thiết bị phụ theo yêu cầu

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

2.1 Đặc điểm chung về cây xoài

2.1.1 Nguồn gốc

- Tên khoa học: Mangifera indica L

- Thuộc họ Đào lộn hột - Anacardiaceae

- Xoài là cây ăn quả nhiệt đới , nguồn gốc cây xoài ở miền Đông Ấn Độ vàcác vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia

2.1.2 Đặc điểm sinh vật học của cây xoài

Cây gỗ lớn, cao 10-20m, có tán rậm Lá đơn, nguyên, mọc so le, phiến láhình thuôn mũi mác, nhẵn, thơm Hoa học thành chùm kép ở ngọn cành Hoa nhỏ,màu vàng, có 5 lá đài nhỏ, có lông ở mặt ngoài, 5 cánh hoa có tuyến mật, 5 nhịnhưng chỉ có 1-2 nhị sinh sản Bầu trên, thường chỉ có một lá noãn chứa 1 noãn

Quả hạch chín màu vàng, thịt vàng, ngọt, có mùi thơm, nhân có xơ, hạt rất to

Rễ: Phần lớn rễ phân bố ở tầng đất 0 - 50 cm ở những vùng có mực nước

ngầm thấp hay đất cát rễ có thể ăn rất sâu 6 - 8m Tuy nhiên, phần lớn rễ tập trungtrong phạm vi cách gốc khoảng 2m

Thân, tán cây: Xoài là loại cây ăn quả thân gỗ mọc rất khỏe Ở những nơi

trảng, chiều cao cây và tán cây có đường kính tương đương Tán cây lớn hoặc nhỏtùy theo giống

Lá và cành: Một năm xoài có thể ra 3 - 4 đợt chồi tùy theo giống, tùy vào

tuổi cây, thời tiết khí hậu và tình hình dinh dưỡng Cây con ra nhiều đợt chồi hơn sovới cây đang cho quả Cây già rất khó ra chồi Lá non sau 35 ngày mới chuyển xanhhoàn toàn, mỗi lần ra lá, cành xoài dài thêm 20 - 30 cm

Hoa: Hoa ra từng chùm ở ngọn cành, chùm hoa dài khoảng 30 cm, có 200

-400 hoa Mỗi chùm thường có 2 loại hoa: hoa lưỡng tính và hoa đực Tỉ lệ hoa đực

và hoa lưỡng tính trên cây phụ thuộc vào giống và điều kiện khí hậu ở địa điểmtrồng Thường thì hoa lưỡng tính chiếm từ 1 - 36% Xoài là cây thụ phấn chéo, thụphấn nhờ côn trùng là chủ yếu Thời gian tiếp nhận hạt phấn của nhụy rất ngắn, chỉsau vài giờ Ở xoài nhụy thường chín trước, thời gian tốt nhất để nhụy tiếp nhận hạtphấn là lúc mặt trời mọc, trong khi đó nhụy đực tung phấn chỉ vào khoảng 8 - 10giờ sáng Sự không trùng hợp này là nguyên nhân cản trở sự thụ phấn và thụ tinhcủa xoài

Quả: quả xoài chín có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon.

Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, kem, sấy khô để tiêuthụ nội địa hay xuất khẩu

2.1.3 Phân loại

 Xoài Cát:

Cát Chu: Phẩm chất trái ngon, thịt thơm ngọt có vị hơi chua, dạng trái hơi

tròn, trọng lượng trái trung bình 250 - 350 gam, vỏ trái mỏng Đây là giống xoài rahoa rất tập trung và dễ đậu trái, năng suất rất cao

Cát Hòa Lộc: Xuất phát từ Cái Bè - Tiền Giang, xoài có trái to, trọng lượng

trái 400 - 600 gam, thịt trái vàng, dẽ, thơm, ngọt, hạt dẹp, được coi là giống xoài cóphẩm chất ngon Thời gian từ trổ bông đến chín trung bình 3.5 - 4 tháng

 Xoài Tứ Quý: Tán thưa, lá to bản, mép gợn sóng Trái nặng trung bình

320 gam, hình bầu dục, đầu trái nhọn, vỏ mỏng láng, màu vàng đẹp, ngọt,thơm, hạt nhỏ Từ khi nở hoa đến thu hoạch 115 ngày

 Xoài Xiêm: Phẩm chất tương đối ngon, cơm vàng, thịt dẻo, mịn, hạt nhỏ,

vỏ trái dày Đây là giống dễ đậu trái, năng suất cao

 Xoài Tượng: Là giống xoài ăn còn xanh chấm mắm đường rất được ưa

chuộng, vỏ màu xanh nhạt, cơm xoài giòn, mùi thơm và vị chua thoang thoảng Loại này trông rất nhiều ở các vùng miền trung

 Xoài Thanh Ca: Là giống xoài ăn xanh, cây phát triển mạnh, lá thon dài,

đầu hơi nhọn, trái dài hơi cong, nặng trung bình 300 gam

 Xoài Voi: Quả to, vị ngọt vừa, ít chua là phẩm chất của giống xoài này.

 Xoài Hồng: Quả to màu hồng, dài, sử dụng cả lúc sống và chín đều thích

hợp, tán thưa, lá to bản, mép gợn sóng Trái nặng trung bình 320 gam, hình bầu dục, đầu trái nhọn, vỏ mỏng láng, màu vàng đẹp, ngọt, thơm, hạtnhỏ Từ khi nở hoa đến thu hoạch 115 ngày

Hình 1 Một số giống xoài phổ biến

2.2 Thành phần hóa học trong quả xoài.

Quả xoài có giá trị dinh dưỡng rất cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B vàvitamin C chiếm từ 2 - 3% , đường chiếm 20% ( là loại đường đơn được hấp thuhoàn toàn), Acid citric, Carotene (tiền sinh tố A) 15%

Quả chứa nhiều carotene và vitamin B1, B2 và C Hạch quả chứa nhiều tinhbột, dầu và tanin Lá chứa tanin và một số hợp chất flavonoid là mangiferin Vỏthân chứa 3% tanin và mangiferin

Bảng 1.1 Bảng thành phần hóa học có trong quả xoài

2.3 Giá trị sử dụng của xoài trong cuộc sống

Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng(FAO,1976): nước 86.5g; glucid 15.9g; protein 0.6g; lipid 0.3g; tro 0.6g; các chấtkhoáng: Ca 10mg, P 15mg, Fe 0.3mg; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0.06mg,

C 36mg; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự pháttriển của trẻ em, làn da và thị lực; 46% nhu cầu vitamin C Quả xoài xanh tháimỏng, phơi khô hoặc sấy khô là nguồn vitamin C thiên nhiên dồi dào

2.3.1 Tác dụng của xoài chín

Xoài chín có tác dụng bổ não, có lợi cho người làm việc trí óc, suy nhượcthần kinh Ăn ít xoài chín thì nhuận trường, ăn nhiều sè bị tiêu chảy, người nóng bứtrứt, rôm sảy, mụn nhọt Mỗi ngày không nên ăn nhiều hơn 2 quả xoài Không ăn lúcđói hoặc sau ăn no Người đang bị sốt, có vết thương mưng mủ, nội tạng lở loét,phong thấp, dị ứng mẫn ngứa, dạ dày thiêu toan (ít dịch vị), không nên ăn xoài chín.Người bị đái tháo đường cũng vậy

Xoài chín giúp tăng cường sức đề kháng, chống viêm, phòng ngừa ung thư,giảm béo, cải thiện hệ tiêu hóa, giúp hạ cholesterol máu, hạ huyết áp, phòng bệnhmạch vành, ngừa ung thư ruột kết (do làm tăng nhu động ruột, chống táo bón) Theođông y, quả xoài chín có vị ngọt, chua, tính mát, tác dụng ích dạ dày, tiêu tích trệ,làm hết nôn mửa, thanh nhiệt, giải khát, lợi tiểu, nhuận phế, tiêu đàm Thường dùngtrong các trường hợp ho do nhiệt, đàm vàng đặc, tiêu hóa kém, bệnh hoạt huyết, suynhược thần kinh, cao huyết áp, mỡ trong máu cao, táo bón, dễ bị chuột rút Thịt

sự tấn công của ánh nắng, vỏ quả xoài chín có tác dụng chữa ho ra máu, cầm máu ở

tử cung, chảy máu ruột Thường dùng dưới dạng cao lỏng Cho 10g cao lỏng vỏ quảxoài vào 120ml nước rồi uống, cách 1-2 giờ một muỗng cà phê Vỏ xoài còn dùnglàm giấm ăn

2.3.2 Tác dụng của xoài xanh

Xoài xanh có nhiều vitamin C, có nhiều chất chát, có thể gây táo bón, khôngnên ăn vào lúc đói bụng

Hạch của quả xoài (nhân xoài) chứa nhiều tinh bột, dầu, tanin, acid galic tự

do, có vị đắng chát Tác dụng làm hết ho, mạnh dạ dày, trợ tiêu hóa Dùng chữa ho,kiết lỵ, tiêu chảy, trừ giun sán Hạt xoài phơi khô, bỏ nhân, đem sao so, tán bột mịn.Ngày uống 2 lần, mỗi lần uống 1-5g với nước sôi để nguội

2.3.3 Tác dụng của lá xoài

Lá xoài chứa chất tanin và một hợp chất flavonoid là mangiferin.Tác dụnghành khí, lợi tiểu, tiêu độc tiêu tích trệ Dùng chữa bệnh đường hô hấp trên: ho,viêm phế quản cấp và mãn tính; chừa thủy thũng Dùng ngoài chữa viêm da ngứa

da Có thể lấy lá nấu nước để rửa hoặc xông

Lưu ý: lá xoài có độc, thận trọng khi dùng Không dùng cho trẻ em và phụ nữ

có thai

2.3.4 Tác dụng của vỏ thân cây xoài

Vỏ thân cây xoài chứa tanin và mangiferin 3% Tác dụng làm se niêm mạc,thu liềm, sát trùng Dùng chữa ho, đau sưng cổ họng, đau răng Vỏ tươi 50-60g (khô20- 30g) rửa sạch, sắc đặc, hòa với ít rượu hoặc muối Ngày ngậm 4-5 lần, ngậmkhoảng 10 phút, súc miệng rồi nhổ bỏ Ngậm sau bữa ăn và trước khi ngủ

3.1 Khái quát về cô đặc

3.1.1 Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chấttan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi và áp suất tương ứng Trong công nghệ hóa học vàcông nghệ thực phẩm, cô đặc thường được sử 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 chấtĐặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ởdạng hơi còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi Do đó nồng độ củadung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp nàycùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ Hơi của dung môi tách ratrong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng mộtthiết bị khác Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất như: áp suất chânkhông, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư) Trong hệ thống thiết bị côđặc một nồi hay nhiều nồi, quá trình cô đặc có thể diễn ra gián đoạn hoặc liên tục

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

độ yêu cầu, hoặc cho nguyên liệu liên tục vào quá trình bốc hơi để giữ mức dungdịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra mộtlần, sau đó lại cho dung dịch mới để cô đặc

Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi, dung dịch và hơinước cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục Quá trình cô đặc có thểthực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật Khi làm việc ở áp suấtthường thì có thể dùng thiết bị hở Khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịchcũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước và dung dịch tăng, nghĩa là có thểgiảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi Với cô đặc một nồi,thường được ứng dụng khi năng suất yêu cầu nhỏ và nhiệt năng không có giá trịkinh tế Còn cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi nước, do đó côđặc nhiều nồi có giá trị kinh tế cao về sử dụng nhiệt một cách tiết kiệm (Theo

Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

3.1.2 Các phương pháp cô đặc

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sangtrạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần bằng áp suấttác 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 dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinhdung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất của 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, đôi khi phải sử dụng đến thiết bị làm lạnh

3.2 Thiết bị cô đặc

Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng Tuy nhiên ta có thể phân loạitheo những đặc điểm sau:

- Theo nguyên lý làm việc: có 2 loại là thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ

và thiết bị cô đặc làm việc liên tục

- Theo áp suất làm việc bên trong liên tục: có 3 loại là thiết bị làm việc ở

Pdư, Pck,

- Theo nguồn cấp nhiệt:

+ Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu+ Nguồn điện

+ Nguồn hơi nước: đây là nguồn nhiên liệu thường gặp nhất+ Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp diphenyl cho thiết bị chu kỳ

có công suất nhỏ

- Theo phương pháp thực hiện quá trình:

+ Cô đặc áp suất thường: có nhiệt độ sôi và áp suất không đổi Thườngdùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định nhằm đạtnăng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dungdịch thu được là không cao

dụng áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, bay hơinước liên tục

+ Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi Có thể cô đặc chânkhông, cô đặc áp lực hoặc kết hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sửdụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả về kinh tế

3.2.1 Thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều

3.2.1.1 Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều

Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi nước Hơi thứ của nồi này đi vàonồi thứ hai Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đivào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi thì dung môi được bốc hơi mộtphần, nồng độ của dung dịch được tăng dần lên

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt

độ giữa hơi nước và dung dịch sôi, hay nói cách khác là phải có chênh lệch áp suất

giữa hơi nước và hơi thứ trong các nồi Nghĩa là, áp suất làm việc trong các nồi phảigiảm dần vì hơi thứ của nồi trước sẽ là hơi nước của nồi sau.

3.2.1.2 Cấu trúc của thiết bị

a Thiết bị chính:

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…

- Ống : hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…

b 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…

3.2.1.3 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời 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 sữa 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( do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất)

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

Chương 4 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4.1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc

Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông quacác ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồngbốc Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuầnhoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên Quá trìnhtrao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt

Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độdung dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng Do đó, tốc độ chuyển động dung dịchcàng chậm lại về sau Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theoyêu cầu

Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dungdịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càngnhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy

4.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều

Hệ cô đặc nhiều nồi xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung mà chất tan dễbiến tính vì nhiệt độ cao Vì trong hệ nồi xuôi chiều, các nồi đầu có áp suất và nhiệt

độ cao hơn các nồi sau nên sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vịdung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đếnnhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô đặc thứ I để thực hiện quá trình bốc hơi Dung dịch saukhi cô đặc ở nồi I được dẫn ra ở phía dưới để đi vào nồi cô đặc thứ II Hơi thứ vàkhí không ngưng đi ra phía trên của nồi I được dẫn vào buồng đốt của nồi thứ II.Quá trình cô đặc lại tiếp tục được diễn ra lần thứ hai

Dung dịch sau khi được cô đặc trong nồi thứ hai đã đạt được nồng độ theoyêu cầu được bơm tháo liệu bơm ra ngoài và dẫn vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ vàkhí không ngưng sinh ra trong nồi hai này sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụbaromet, một phần ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưngqua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí được bơm chân không hút ra ngoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm

có nhiều ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống,hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động của

ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều sovới các ống truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thểtích dung dịch trong đó sẽ nhỏ hơn so với dung dịch trong các ống truyền nhiệt Vìvậy dung dịch trong đó sôi ít hơn(có nhiệt độ thấp hơn) so với dung dịch trong ốngtruyền nhiệt Khi đó dung dịch sẽ khối lượng riêng lớn hơn và sẽ tạo áp lực đẩydung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòngchuyển động tuần hoàn của dung dịch trong thiết bị Để ống tuần hoàn trung tâmhoạt động có hiệu quả dung dịch chỉ nên cho dung dịch vào khoảng 0,4 – 0,7 chiềucao ống truyền nhiệt.

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trongbuồng bốc còn có bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ Hơi đốttheo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3.5 at Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫnnước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoàitheo cửa xả khí không ngưng

Chương 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

o l=H=1.5 m là chiều dài ống truyền nhiệt

o d là đường kính ống truyền nhiệt

Dựa theo bảng V 11.2/48b, sắp xếp ống theo hình 6 cạnh kiểu bàn cờ, ta chọn

o F: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Thay vào công thức, ta có:

5.1.3 Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt

Kiểm tra đường kính ống tuần hoàn:

G= 1500 kg/h= 0.417 (kg/s)

5.1.4.2 Ống tháo liệu nồi I (Ống nhập liệu nồi II)

Xc= 12.05%, ta có: Gc× Xc=Gđ× Xđ=  Gc= (G đ X × X đ)

c

= 7 ×150012.05 = 871.37(kg/h)

5.1.4.4 Ống dẫn hơi nước ở nồi I

Gọi D là lượng hơi nước cần cô đặc (tính ở chương III)D= 665.65 (kg/h)= 0.185 (kg/s)

D= √3.14 × 25 ×1.618 4 ×0.185 =¿ 0.076(m)

5.1.4.7 Ống dẫn hơi nước ngưng ở nồi I

Lượng hơi nước ngưng ở nồi I cũng chính là lượng hơi nước ở nồi IG=D=665.65 (kg/h)= 0.185 (kg/s)

Chọn W= 1 m/s

D= √3.14 × 1× 932.65 4 ×0.185 = 0.016 (m)

5.1.4.8 Ống dẫn nước ngưng nồi II

Lượng nước ngưng ở nồi I cũng chính là lượng hơi thứ ở nồi II

Chọn W= 0.5 (m/s)

Loại ống dẫn G (kg/s) ρ (kg/m 3 ) Chọn W

(m)Ống nhập

5.2 Tính buồng bốc

Do lượng hơi thứ bốc lên ở hai nồi là xấp xỉ bằng nhau, nhiệt độ nồi II nhỏhơn nên khối lượng riêng của hơi nồi II sẽ nhỏ hơn nồi I  thể tích hơi thoát ra ởnồi II sẽ lớn hơn nồi I, nên ta chỉ tính nồi II, từ đó cũng chính là kích thước của nồiI

tốc lắng

W 0 = √4 × g (ρ l−ρ h)× d

3 × ξ × ρ h (m/s) (công thức trong [5]/276)Trong đó:

W0= √4 × g (ρ l−ρ h)× d

3 × ξ × ρ h = √4 × 9.81(974.56−0.2457)× 0.0003 3 × 9.91× 0.2457 = 1.25 (m/s)

tích

U t = f×U t (0.4 at)Dựa vào đồ thị VI.3 [2]/72 ở p= 0.4 at  f= 0.85

Chương 6 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNG

6.1 Dữ kiện ban đầu

6.2.2 Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống

6.2.3 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi

Nồng độ cuối dung dịch ra khỏi nồi 1:

x1c= G G đ x đ

đ−W1 = 1000−409,091000.15 = 25,38 (%)Nồng độ cuối dung dịch ra khỏi nồi 2:

x2c= G G đ x đ

đ−W1−W2 = 1000−409,09−340,901000.15 = 59,99≈ 60 (%)

6.3 Cân bằng năng lượng

Xác định áp xuất và nhiệt độ mỗi nồiHiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặcChọn áp suất trong thiết bị ngưng tụ Baromet: 0,2 at

Chọn áp suất hơi nước cho nồi 1 là: 4 atTổng chênh lệch áp suất giữa hơi nước nồi 1 và áp suất trong thiết bị ngưng

Theo bảng hơi nước ta xác định nhiệt độ hơi thứ bão hòa và ẩn nhiệt tạothành hơi thứ của từng nồi:

Bảng 5.1 Nhiệt độ hơi thứ bão hòa và ẩn nhiệt tạo thành hơi thứ của từng

nồi

6.3.1 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Bảng 5.2 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ

Áp suất(at)

- ∆0': tổn thất nhiệt độ do tsdd>tsdm ở áp suất thường

- f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với ápsuất thường

i, J/kg

Từ hình VI.2/60 Sách sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2

Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì

2

2357 103 = 1,978 oCTổng 2 nồi: ∑∆ '= ∆1'+∆2' = 1,001+1,978 = 2,98 oC

6.3.2.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆ '')

Theo bảng I.86 Sách sổ tay tập 1/trang 59 xác định khối lượng riêng của dung

o H op= [0,26+0,0014.(ρ dd-ρ dm)].H tt

Tính toán

H op = [0,26 + 0,0014 (1107,15-998)] 1,8 = 0,743 (m)

P tb = P1' + 0,5 ρ dd.g H op = 2,062 + 0,5 1107,15 9,81 0,73

2 9,81 104 =2,083 (at)

Ở P1' = 2,062 at, ts = 120,84oCThì P tb = 2,083 at; ts = 120,84oC; ∆1''= 120,84 – 120,54 = 0,3oC

∑∆ ' '=0,3+3,8=4,1oC

6.3.2.3 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống

Chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi

Ta có: ∆1'' '= 1oC

∆2'' '= 1oC

 ∑∆ ' ''=∆1'' '+∆2' ' '=2oC

6.3.2.4 Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc

∑∆ i=∆ '+∆ ' '+∆ ' ' '=2,98+4,1+2=9,08oC

6.3.3 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở các nồi

Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống là:

∑∆ t = tD – tc = 142,9 – 59,7 = 83,2oCTổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích của hệ thống là:

6.3.4 Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi

6.3.5 Tính các hệ số truyền nhiệt của các nồi

Theo nhiệt độ sôi và theo nồng độ trong các nồi đã tính được, ta xác định cácthông số vật lý của dung dịch ( khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệtdung riêng)

Chọn đường kính ống và chiều dài

Tính hệ số truyền nhiệt của các buồng đốt (một bên hơi nước ngưng tụ, mộtbên dung dịch sôi) có chú ý lớp cặn bám ở ống chừng 0,5 mm

6.3.6 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

C = 4190 – (2541 – 7,542t).x (J/kg.độ)Trong đó: