TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM  Đồ án mơn học: Q trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm Đề tài: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐẶC ĐƯỜNG HAI NỒI, THIẾT BỊ CÔ ĐẶC BUỒNG ĐỐT TREO NĂNG SUẤT 7500Kg/h NGUYÊN LIỆU/MẺ Tp.HCM, tháng 12/2019 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ……………………………………………………………………………………1 1.1 Đặc điểm nguyên liệu 1.2 Các phương pháp chế biến 1.3 Các thiết bị chế biến CHƯƠNG 2: CHỌN VẼ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ……………… 2.1 Chọn thiết bị 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CƠ ĐẶC………4 3.1 Tính cân vật chất cho nồi cô đặc 3.1.1 Lượng nước bốc nồng độ dung dịch thay đổi từ xđ đến xc: 3.1.2 Nồng độ dung dịch khỏi nồi: 3.2 Cân nhiệt lượng 3.2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi: 3.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ 3.2.3 Tổn thất nhiệt độ hệ thống 3.2.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi hệ thống 3.2.5 Cân nhiệt lượng 3.3 Tính bề mặt truyền nhiệt buồng đốt 10 3.3.1 Tính nhiệt lượng hơt đốt cung cấp 11 3.3.2 Tính hệ số truyền nhiệt K nồi 11 3.3.3 Hệ số dẫn nhiệt dung dịch 13 3.3.4 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho nồi: 15 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH…………………………………17 4.1 Tính buồng đốt 17 4.1.1 Số ống truyền nhiệt 17 4.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt 17 4.2 Tính buồng bốc 18 4.2.1 Đường kính buồng bốc 18 4.2.2 Chiều cao buồng bốc 18 i 4.3 Đường kính ống dẫn 19 4.3.1 Đường kính ống dẫn đốt 20 4.3.2 Đường kính ống dẫn thứ 20 4.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch 20 4.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 21 CHƯƠNG 5: CHỌN VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THIẾT BỊ…………………………………23 5.1 Chiều dày vĩ ống 23 5.2 Chiều dày lớp cách nhiệt 23 5.2.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn 23 5.2.2 Bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị 25 5.3 Chọn mặt bích 25 5.3.1 Buồng đốt 26 5.3.2 Buồng bốc 26 5.4 Chọn tai treo 27 5.4.1 Chiều dày buồng đốt 28 5.4.2 Chiều dày đáy buồng đốt 29 5.4.3 Chiều dày buồng bốc 31 5.4.5 Khối lượng thân thiết bị 34 5.4.6 Khối lượng ống truyền nhiệt 35 5.4.7 Khối lượng đáy nắp thiết bị 35 5.4.8 Khối lượng lớp cách nhiệt 35 5.4.9 Khối lượng cột chất lỏng 35 5.4.10 Khối lượng cột 36 5.4.11 Khối lượng vỉ ống 36 5.4.12 Khối lượng bích 36 5.5 Kính quan sát: 37 CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ………………………………………………………… 38 6.1 Cân vật liệu 38 6.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 38 6.1.2 Thể tích khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi thiết bị 38 6.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ 39 ii 6.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 39 6.2.2 Kích thước ngăn 40 6.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 41 6.2.4 Kích thước ống Baromet 41 6.3 Chọn bơm 44 6.3.1 Bơm chân không 44 6.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 45 6.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị 47 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN………………………………………………………………………49 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………………49 iii DANH MỤC HÌNH Hình Bích liền thép để nối thiết bị 26 Hình Bích nối ống dẫn thiết bị 27 iv DANH MỤC BẢNG Bảng Tóm tắt thơng số đốt thứ Bảng Tổn thất nhiệt độ nồng độ Bảng Khối lượng riêng dung dịch dung môi theo nồng độ (Tra Bảng I.5/11-12 Bảng I.87/59 – 61, STQTTB tập 1) Bảng Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch Bảng Các thông số (tra Bảng I.249/310 Bảng I.250/312 (STQTTB tập 1)) 10 Bảng Nhiệt lượng đốt cung cấp 11 Bảng Giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng (STQTTB tập 2/29) 12 Bảng Nhiệt tải riêng đốt cấp cho thành thiết bị 12 Bảng Hệ số dẫn nhiệt dung dịch 13 Bảng 10 Các thông số dung dịch: 14 Bảng 11 Các thông số tra cứu nước theo nhiệt độ sôi dung dịch: 14 Bảng 12 Nhiệt tải riêng q2 14 Bảng 13 Nhiệt độ hữu ích nồi là: 15 Bảng 14 Chiều cao buồng bốc 19 Bảng 15 Đường kính ống dẫn đốt 20 Bảng 16 Tóm tắt đường kính ống dẫn 22 Bảng 17 Mặt bích nối thiết bị : 26 Bảng 18 Mặt bích nối ống dẫn với thiết bị (tra Bảng XIII.26/409, STQTTB tập 2) 27 Bảng 19 Bảng tổng hợp chi tiết bích 36 Bảng 20 Tai treo thiết bị thẳng đứng 36 v CHƯƠNG I: TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1 Đặc điểm nguyên liệu Mía tên gọi chung số lồi chi Mía (Saccharum), bên cạnh lồi lau, lách Cây mía thuộc họ hồ thảo, giống sacarum Mía nguyện liệu chế biến đường, q trình gia cơng điều kiện kỹ thuật chế biến đường vào mía, đặc biệt tính chất thành phần nước mía Thành phần hóa học mía phụ thuộc vào giống mía, đất đai, khí hậu, mức độ chín, sâu bệnh Tính chất hóa học saccharose tương đối ổn định, tác dụng acid, kiềm nhiệt độ cao phát sinh phản ứng hóa học:  Tác dụng nhiệt độ cao: saccharose bị nước tạo thành caramel - sản phẩm có màu caramenlan, caramenlen, caramenlin  Dưới tác dụng acid: saccharose bị thủy phân thành glucose fructose  Dưới tác dụng kiềm: Saccharose môi trường kiềm tương đối ổn định  Vai trị ảnh hưởng mía công nghệ sản xuất đường Nhiệm vụ sản xuất đường lấy nhiều đường mía Để làm tốt việc chế biến đường, cần cung cấp đầy đủ nguyên liệu mía chất lượng tốt để làm giảm thấp giá thành, tiêu hao ít, thu hồi cao, có nhiều đường đạt chất lượng tốt có hiệu kinh tế cao Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc nước mía làm sạch, loại bỏ tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi Sau công đoạn làm sạch, nước mía có pH khoảng 6,5 ÷ 6,8 [2] 1.2 Các phương pháp chế biến Trong công nghiệp, để sản xuất đường phương pháp cô đặc gồm có hai phương pháp sử dụng:  Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng  Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến máy lạnh Đối với đề tài này, tính tốn thiết kế hệ thống cho phương pháp nhiệt đun nóng 1.3 Các thiết bị chế biến Cấu tạo thiết bị cô đặc phải thỏa mãn yêu cầu chung mặt công nghệ mặt kết cấu phải đạt tiêu kinh tế - kỹ thuật tối ưu Các thiết bị cô đặc phải đảm bảo lượng sản phẩm bị tổn thất Yêu cầu mặt kết cấu thiết bị bao gồm: suất cao, cường độ truyền nhiệt lớn với thể tích bị nhỏ tốn kim loại chế tạo, cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ làm việc ổn định đáng tin cậy, dễ làm bề mặt truyền nhiệt, thuận tiện quan sát, lắp ráp, thay sửa chữa Ngồi thiết bị đặc phải thỏa mãn yêu cầu thiết bị trao đổi nhiệt, cụ thể có hệ số truyền nhiệt lớn, tách khí khơng khỏi đốt bọt khỏi thứ tốt, tháo nước ngưng liên tục triệt để, bố trí bề mặt truyền nhiệt đảm bảo phân bố đốt ống tốt Tại nhà máy có nhiều loại thiết bị đặc sử dụng, tùy theo suất, chi phí, đặc điểm nguyên liệu, yêu cầu công nghệ,… mà nhà máy lắp đặt loại thiết bị cô đặc phù hợp Phân loại thiết bị cô đặc loại thiết bị đốt nóng nước:  Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng đặc dung dịch lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt:  Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), có ống tuần hồn ngồi  Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc)  Dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s 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 bề mặt truyền nhiệt:  Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi  Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn  Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm dung dịch nước trái cây, hoa ép…:  Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ  Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ CHƯƠNG 2: CHỌN VẼ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Chọn thiết bị Thiết bị sử dụng để cô đặc đường với suất 7500 kg/h theo nguyên liệu, nồng độ đường ban đầu sau cô đặc 10% 62% thiết bị cô đặc nồi xuôi chiều buồng đốt treo - Cơ đặc nhiều nồi có ưu điểm sử dụng thứ nồi trước thay đốt cho nồi sau nên có ý nghĩa mặt sử dụng nhiệt, hệ thống gồm nồi phù hợp với công suất cô đặc 7500 kg/h theo nguyên liệu - Hệ thống có buồng đốt treo nằm bên nồi đặc nên giảm diện tích lắp đặt thiết bị giảm cồng kềnh thiết bị - Hệ thống đặc xi chiều có ưu điểm dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất nồi, không cần sử dụng bơm chân không để bơm dung dịch từ nồi đầu sang nồi sau, giúp tiết kiệm chi phí lắp đặt thiết bị - Nhiệt nồi trước lơn nồi sau, dung dịch vào nồi sau có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, kết dung dịch làm lạnh lượng nhiệt làm bốc thêm lượng nước gọi trình tự bốc 2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ Ngun tắc hoạt động Thiết bị cô đặc nồi xuôi chiều buồng đốt treo mô tả sau: - Hơi đốt: nồi thứ dung dịch đun đốt; thứ nồi đốt đun nóng nồi thứ hai Hơi thứ nồi thứ hai đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet, có gắn thêm thiết bị tách bọt thu hồi lại ống Baromet Hơi ngưng tụ chảy xuống bể chứa, sau bơm ngược lên lại thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ thứ tiếp theo, tạo thành hệ thống ngưng tụ thứ tuần hoàn - Dung dịch: dung dịch đường ban đầu chứa thùng nguyên liệu (1), bơm ly tâm (3) bơm lên thùng cao vị (9) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế (5) sau đưa vào thiết bị gia nhiệt (4) đun nóng thiết bị đun nóng sơ Sau đó, dung dịch vào nồi thứ tiếp tục đun nóng để làm dung mơi bay phần Dung dịch từ nồi tiếp tục đưa sang nồi thứ hai Tại dung môi tiếp tục làm bay tăng nồng độ dung dịch lên Ở đầu dung dịch nồi hai có gắn bơm chân khơng (17) để bơm dung dịch cô đặc khỏi thiết bị đưa vào thùng chứa sản phẩm (18) CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CƠ ĐẶC 3.1 Tính cân vật chất cho nồi đặc Các số liệu ban đầu: - Năng suất cô đặc: 7500 kg/h theo nguyên liệu - Nồng độ đường ban đầu: 10% - Nồng độ đường sản phẩm: 62% Theo định luật bảo toàn khối lượng suốt trình đặc ta có: nồng độ chất tan khơng thay đổi, khối lượng dung dịch đầu khối lượng dung dịch cuối khối lượng nước bốc q trình đặc Ngun lý áp dụng cho hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt treo 3.1.1 Lượng nước bốc nồng độ dung dịch thay đổi từ xđ đến xc: Gđ = G c + W  Lượng thứ hệ thống: W = 7500(1 − 10 62 W = Gđ (1 − 𝑥đ 𝑥𝑐 ) ) = 6290.32 kg/h Trong đó: Gđ, Gc – lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h xđ, xc – nồng độ đầu cuối dung dịch, % khối lượng Để đảm bảo việc dùng toàn thứ nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất lưu lượng thứ nồi thích hợp  Giả thuyết phân bố thứ nồi Chọn tỷ số thứ bốc lên từ nồi nồi là: m= 𝑊1 𝑊2 = 1.2  Lượng thứ nồi: W = W1 + W2 = 6290.32 kg/h Do đó: W1 = 3431.08 kg/h W2 = 2859.24 kg/h 3.1.2 Nồng độ dung dịch khỏi nồi:  Nồi thứ nhất: x1 = 𝐺đ 𝑥đ = 7500× 𝐺đ −𝑊1 x2 = 𝐺đ = 62 7500−3431.08 % khối lượng = 18.43  Nồi thứ hai: 10 𝑥đ 𝐺đ −(𝑊1 +𝑊2 ) = 7500 10 7500−6290.32 % khối lượng 5.4.10 Khối lượng cột 𝑀𝑐ộ𝑡 ℎơ𝑖 = 𝜌𝑚𝑎𝑥 ℎ𝜋 𝐷𝑡2 = 2,614.3𝜋 22 = 24,62 (kg) 5.4.11 Khối lượng vỉ ống 𝑀ℎơ𝑖 = 2𝜋 𝐷𝑡2 −𝑛.𝑑𝑛 𝜌𝑆 = 2𝜋 22 −367.0,0442 7850.0,01 = 405,41 (kg) 5.4.12 Khối lượng bích  2 M bich  D  Dn  h. Khối lượng riêng vật liệu làm bích CT3: ρ = 7850 (kg/m3) Bảng 19 Bảng tổng hợp chi tiết bích Số lượng cặp 2 1 Bích Dn D h Khối lượng M Buồng đốt 1,61 1,74 0,028 150,285 Buồng bốc 2,012 2,141 0,032 211,286 Hơi đốt 0,325 0,435 0,022 22,667 Hơi thứ 0,6 0,775 0,03 88.97 Dẫn dung dịch 0,076 0,16 0,014 3,42 Tháo nước ngưng 0,076 0,16 0,014 3,42 Tổng khối lượng 480,05 bích Vậy tổng khối lượng tác động lên tai treo là: G = Gđáy+ Gnắp + Gbuồng đốt + Gbuồng bốc + Gcách nhiệt +Glỏng +Ghơi + Gbích + Gống + Gvỉ =(157+283+593,42+283,45+15,12+22,68+1624,68+24,62+480,05+1112,68+ 405,41).9,81 = 49070,7 (N) Vậy tải trọng tai treo: 𝐺 49070,7 𝐺̅ = = = 12267,68 = 1,23.10-4(N) 4 Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, chọn theo bảng XIII.36, STQTTBT2 trang 438 Bảng 20 Tai treo thiết bị thẳng đứng Tải Bề Tải trọng L B B1 H S l a d Khối trọng mặt cho phép lượng cho đỡ F lên bề phép mặt đỡ Q tai 36 tai treo 2,5 x104 N 173 x106N/m2 1,45 treo, kg Mm 150 120 130 215 60 20 30 3,48 5.5 Kính quan sát: Ta dùng cửa quan sát để kiểm tra chất lỏng bên Cửa quan sát hình trịn, có đường kính 100 mm lắp vào thân buồng bốc 37 CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ Chọn thiết bị ngưng tụ loại khô, chân cao, xuôi chiều Hơi thứ sau khỏi nồi cô đặc cuối dẫn vào thiết bị Baromet để thu hồi lượng nước hơi, đồng thời tách khí khơng ngưng từ lên, nước làm lạnh từ xuống để làm lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống Baromet 6.1 Cân vật liệu 6.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ Dựa vào phương trình cân nhiệt lượng (cơng thức VI.51 (STQTTB T2, trang 84)) Gn  W  i  Cn t2 c  Cn  t2 c  t2 d  Trong đó: Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị (kg/s) W2: lượng nước ngưng tụ vào thiết bị (kg/s), W2 = 2869,135kg/h = 0,797 kg/s i: nhiệt lượng riêng ngưng tụ (J/kg) i = 2613,5 (Kj/kg) t2đ, t2c: nhiệt độ đầu cuối nước làm nguội(oC) Cn: nhiệt dung riêng trung bình nước(J/kg.độ) Chọn t2d = 260C; t2c = 500C Nhiệt độ trung bình nước: 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡2𝑑 +𝑡𝑐 = 26+50 = 40,5oC Cn: nhiệt dung riêng trung bình nước, tra theo nhiệt độ trung bình Cn = 4178 (J/(kg.K))  𝐺𝑛 = 0,797.(2613,5.103 −4178.50) 4178.(50−26) = 19,113 (kg/s) 6.1.2 Thể tích khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi thiết bị Lượng khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi thiết bị có sẵn thứ, chui qua lỗ hở thiết bị bốc từ nước làm lạnh Chính lượng khí khơng ngưng khơng khí vào thiết bị ngưng tụ làm giảm độ chân không, áp suất riêng phần hàm lượng tương đối hỗn hợp giảm; đồng thời làm giảm hệ số truyền nhiệt thiết bị Vì vậy, cần phải liên tục hút khí khơng ngưng khơng khí khỏi thiết bị Lượng khí cần rút khỏi thiết bị tính cơng thức VI.47 (STQTTB tập 2, trang 84) Gkk = 0,25.10-4 W2 + 0,25.10-4.Gn+0,01.W2 Với : 38 Gkk lượng khí khơng ngưng, khơng khí hút khỏi thiết bị (kg/s) W lượng vào thiết bị ngưng tụ (kg/s)  Gkk= 0,25.10-4.0,797+ 0,25.10-4.19,113+0,01.0,797 = 0,00847 (kg/s) Thể tích khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi thiết bị ngưng tụ theo công thức VI.49 (STQTTB tập 2, trang 84) Vkk  288.Gkk (273  tkk ) (m / s) P  Ph Trong đó: Vkk: thể tích khí khơng ngưng, khơng khí hút khỏi thiết bị (m3/s) P: áp suất chung hỗn hợp khí thiết bị ngưng tụ (N/m2) Ph: áp suất riêng phần nước hỗn hợp (N/m2) (lấy áp suất bão hịa nhiệt độ khơng khí tkk) Nhiệt độ khơng khí xác định theo cơng thức VI.50 (STQTTB tập 2, trang 84) sau: tkk = t2d + + 0,1(t2c- t2d) = 26 + + 0,1.(50-26) = 32,40C  Ph = 0,0495 (at) (tra bảng I.250 STQTTB tập 1, trang 312) Vậy 𝑉𝑘𝑘 = 288.0,00847.(273+32,4) (0,25−0,0495).9,81.104 = 0,038 (m3/s) = 136,35 m3/h 6.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ 6.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ Đường kính thiết bị tính theo công thức VI.52 STQTTB T2, trang 84: 𝑊2 𝐷𝑡𝑟 = 1,383√ 𝜌ℎ 𝜔ℎ (m) Trong đó: Dtr: đường kính thiết bị ngưng tụ (m) W2: lượng ngưng tụ (kg/s) ρh: khối lượng riêng (kg/m3) Pnt = 0,25 (at)  ρh = 0,1551 (kg/m3) ωh : tốc độ thiết bị ngưng tụ (m/s); chọn ωh= 30 (m/s)  𝐷𝑡𝑟 = 1,383√ 0,797 0,1551.30 = 0,414 (m) Theo bảng VI.8 STQTTB T2, trang 88 chọn đường kính thiết bị ngưng tụ Dtr = 500 (mm) 39 6.2.2 Kích thước ngăn Để đảm bảo làm việc tốt, ngăn phải có dạng hình viền phân Do đó, chiều rộng ngăn xác định theo công thức sau: D b  tr  50 (mm) (công thức VI.53 STQTTB T2, trang 85) Với: Dtr đường kính thiết bị ngưng tụ (mm) Vì ngăn có nhiều lỗ nhỏ  Chọn đường kính lỗ d = (mm) Chọn nước làm nguội nước Ta có: 𝑏 = 500 + 50 = 300 (mm) Chiều cao gờ cạnh ngăn 40 mm Chọn chiều dày ngăn mm Tổng diện tích bề mặt lỗ tồn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ nghĩa cặp ngăn: 𝑓= 𝐺𝑛 𝜔𝑐 = 𝑊 𝜔𝑐 𝜌𝑛 (m2) Với: Gn: lưu lượng nước m3/s;  c : tốc độ tia nước (m/s); chọn  c = 0,62 (m/s) rn: khối lượng riêng nước kg/m3 Theo bảng I.5 (STQTTB T1, trang 11) chọn 𝜌𝑛 = 991,15 (kg/m3) 𝑓= 19,113 0,62.991,15 = 0,031 (m2) Các lỗ ngăn xếp theo hình lục giác nên ta xác định bước lỗ công thức: t  0,866.d fc (công thức VI.55 STQTTB T2, trang 85) f tb Với: d: đường kính lỗ mm fc : tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị f tb ngưng tụ, thường lấy 0,025 – 0,1 Vậy chọn fc = 0,1 f tb  t  0,866.2 0,1 =0,548(mm) 40 6.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ Để chọn khoảng cách trung bình ngăn tổng chiều cao hữu ích thiết bị ngưng tụ, ta dựa vào mức độ đun nóng nước thời gian lưu nước thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng nước xác định công thức: 𝑃= 𝑡2𝑐 −𝑡2𝑑 𝑡𝑛𝑔 −𝑡2𝑑 (Công thức VI.56 STQTTB T2, trang 85) Với t2c, t2d nhiệt độ cuối, đầu nước tưới vào thiết bị (oC) Tng nhiệt độ nước bão hoà ngưng tụ (oC)  P= 50−26 64,04−26 = 0,631 Tra bảng VI.7 (STQTTB T2, trang 86) ta có: Số ngăn n = 6; số bậc = 3; khoảng cách trung bình ngăn htb = 400 mm, thời gian rơi bậc 0,41 s Tra bảng VI.8 (STQTTB T2, trang 88), ta có: + Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a = 1300 mm + Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị b = 1200 mm Thực tế thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần, khoảng cách hợp lý ngăn giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn Vậy khoảng cách cho ngăn từ lên sau: 300mm, 250mm, 200mm, 150mm, 100mm + Chiều cao tổng thiết bị ngưng tụ tính theo cơng thức: H = H’+ a + b = 300 + 250 + 200 + 150 + 100 + 1300 + 1200 = 3500 (mm) + Khoảng cách tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi: K1 = 675 mm; + Chiều cao hệ thống thiết bị: H = 4300 mm + Chiều rộng hệ thống thiết bị: T = 1300 mm + Đường kính thiết bị thu hồi: D1 = 400 mm; + Chiều cao thiết bị thu hồi: h1 = 1440 mm 6.2.4 Kích thước ống Baromet Áp suất thiết bị ngưng tụ 0,3 at; để tháo nước ngưng ngưng tụ cách tự nhiên thiết bị phải có ống Baromet Đường kính ống Baromet xác định theo cơng thức: dB  0,004.(Gn  W2 ) m (công thức VI.57 STQTTB T2, trang 86)   41 Với: Gn : lượng nước lạnh tưới vào tháp (kg/s) W2: lượng ngưng tụ vào thiết bị (kg/s) ω: tốc độ hỗn hợp nước lạnh nước ngưng chảy ống baromet, thường lấy (0,5- 0,6) m/s; chọn ω= 0,5 m/s 0,004.(19,113+0,797)  𝑑𝐵 = √ 𝜋.0,5 = 0,225 (m) Chọn dB = 300 mm Chiều cao ống Baromet xác định theo công thức H = h1 + h2 + 0,5 (m) (công thức VI.58 STQTTB T2, trang 86) Với: h1 chiều cao cột nước ống cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ (m) h2 chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống (m) 0,5 m: chiều cao dự trữ để ngăn ngừa nước dâng lên ống chảy tràn vào đường ống dẫn áp suất khí tăng Ta có: b (m) (cơng thức VI.59 STQTTB T2, trang 86) h1= 10,33 760 Ở b độ chân không thiết bị ngưng tụ (mmHg) b = (1-0,25).760 = 570 (mmHg)  h1 = 10,33 Và h2  570 760 = 7,75 (m) 2  H  1      (m) (công thức VI.60 STQTTB T2, trang 87) 2g  d  Hệ số trở lực vào đường ống lấy  = 0,5; khỏi ống lấy  = cơng thức có dạng sau: h2  2  H  2,5   (m) 2g  d Với: H: toàn chiều cao ống Baromet (m) d: đường kính ống Baromet (m)  : hệ số ma sát nước chảy ống Để tính  ta tính hệ số chuẩn Re chất lỏng chảy ống Baromet: 42 Re  d B  n   ( công thức II.4 STQTTB T1, trang 359) Với: dB đường kính ống dẫn  n khối lượng riêng nước tra 50 oC,  n = 988,07 kg/m3 (Bảng I.5/11 STQTTB T1)  độ nhớt nước tra 50 oC;  =0,5494.10-3 N.s/m2 (Bảng I.102/94, STQTTB tập 1) 𝑅𝑒 = 0,3.988,07.0,5 0,5494.10−3 = 2,6977.105>104 Vậy ống baromet có chế độ chảy xốy, chế độ chảy xốy ta xác định hệ số ma sát theo công thức sau:  6,81  0,9    2 lg     (Công thức II.65,STQTTB,T1, trang 380) 3,7    Re  Với:  : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau:   d td (Công thức II.65 STQTTB T1, trang 380) Trong đó:  độ nhám tuyệt đối Tra bảng II.15 STQTTB T1, trang 381; chọn  = 0,1 mm dtd: đường kính tương đối ống (m), dtd =  Δ= 0,1.10−3 0,3 𝜋.𝑑2 𝐵 𝜋.𝑑𝐵 = dB = 0,3 (m) = 0,33 10−3  𝜆=( Nên: ℎ2 = −2𝑙𝑔[( 0,52 2.9,81 6,81 0,9 0,33.10−3 ) ]+ (26977 3,7 (2,5 + 0,024 𝐻 ) = 0,024 )= 0,032 + 1,02.10-3.H 0,3 Và H = h1+ h2+ 0,5 = 7,75+ 0,032 + 1,02.10-3.H + 0,5 Giải hệ phương trình ta được: H = 8,79 (m) h2 = 0,04 (m) Ngồi cịn lấy thêm chiều cao dự trữ để tránh tượng nước dâng lên ngập thiết bị 0,5 (m) Suy chiều cao Baromet là: H = 8,269 (m) Tuy nhiên, thực tế để thiết bị ngưng tụ làm việc ổn định tránh tượng nước trào ngồi ta phải chọn chiều cao từ 12 m 43 6.3 Chọn bơm 6.3.1 Bơm chân khơng Ngồi tác dụng hút khí khơng ngưng khơng khí, bơm chân khơng cịn có tác dụng tạo độ chân khơng cho thiết bị ngưng tụ thiết bị cô đặc Trong thực tế q trình hút khí q trình đa biến nên: Công bơm chân không (công thức II.43a, STQTTBT1, trang 465) Với P1: áp suất khí lúc hút (N/m2) P2: áp suất khí lúc đẩy (N/m2) L: cơng bơm chân không N: công suất tiêu hao (W) m: số đa biến khơng khí; thường m = 1,2 ÷ 1,62, lấy m = 1,5 V1: thể tích riêng khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi hệ thống (m3/s) P1 = Pck - Ph = (0,25- 0,0495 ).98100 = 19669,05 (N/m2) Ph: áp suất riêng phần nước hỗn hợp Chọn P2 = 1,1 (at) = 107910 (N/m2) Công suất lý thuyết bơm chân không 𝑁𝑙𝑡 = 𝐺𝐿 1000 (𝑘𝑊 )(công thức II.426 STQTTBT1, trang 466) Trong đó: G: suất bơm chân không (kg/s) Công suất thực tế bơm chân khơng: 𝑁𝑙𝑡 𝜂 Trong đó: 𝜂: Hiệu suất đa biến, chọn 𝜂 = 0,8 Vậy công suất thực tế bơm chân không: 𝑁𝑡𝑡 = 𝐿𝐺 𝑚 𝑃2 𝑁𝑡𝑡 = = 𝑃1 𝑉1 [( ) 3 𝜂 10 𝜂 (𝑚 − 1) 10 𝑃1 𝑚−1 𝑚 − 1] V1: thể tích riêng khí khơng ngưng khơng khí hút khỏi hệ thống (m3/s) => 𝑁𝑡𝑡 = 1,5 0,8(1,5−1).103 19669,05.0,053 [( 107910 19669,05 ) 1,5−1 1,5 Công suất động điện: 𝑁đ𝑐 = 𝛽 𝑁ℎđ 𝑁𝑡𝑡 = 𝛽 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 𝜂𝑐𝑘 44 − 1] = 2,99 (kW) Với: 𝛽: hệ số dự trữ công suất, thường lấy 𝛽 = 1,1 ÷ 1,5, chọn 𝛽=1,12 𝜂𝑡𝑟 : hiệu suất truyền động, chọn 𝜂𝑡𝑟 = 0,98 𝜂đ𝑐 : hiệu suất động cơ, chọn 𝜂đ𝑐 =0,95 𝜂𝑐𝑘 : hiệu suất khí máy nén, chọn 𝜂𝑐𝑘 =0,9  𝑁đ𝑐 = 1,12 2,99 0,98.0,95.0,9 = 3,997 (kW) Vậy công suất động bơm chân không 3,997 kW 6.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ Chọn bơm ly tâm guồng để bơm nước lạnh lên thiết bị ngưng tụ, ta chọn chiều cao ống hút ống đẩy bơm là: Ho= 15 m Chiều dài toàn đường ống là: 20 m Chọn đường kính ống hút đường kính ống đẩy: d=√ 𝐺𝑛 0,785.𝜔.𝜌𝑑𝑑 19,113 =√ 0,785.2.988,07 (chọn  = m/s) = 0,111 m  chọn d = 0,12 m Công suất hiệu dụng bơm tính theo cơng thức sau: 𝑁= 𝑄𝐻𝜌𝑔 1000𝜂 = 𝐺𝑛 𝐻𝑔 1000𝜂 (kW) (công thức II.189, STQTTBT1, 439) Với: 𝜌: khối lượng riêng nước 25oC = 996,9 Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất toàn phần (áp suất cần thiết để chất lỏng chảy ống) 𝜂: hiệu suất bơm, chọn 𝜂=0,78 H = Hm + Ho + Hc (m) Hm: trở lực thủy lực mạng ống Hc: chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút Ho: tổng chiều dài hình học mà chất lỏng đưa lên (gồm chiều cao hút chiều cao đẩy) Tính Hm: Hm = H1 + Hcb (m) 𝐻1 = 𝜆 𝑙𝜔2 2𝑑𝑔 𝐻2 = ∑𝜉 Khi đó: : trở lực ma sát 𝜔2 2𝑔 : trở lực cục 𝜔2 𝑑 2𝑔 𝐻𝑚 = (𝜆 + ∑𝜉) (m) Với: l: chiều dài toàn ống, l = 20 m d: đường kính ống, d = 0,12 m 45 𝜆: hệ số ma sát ∑𝜉: hệ số trở lực chung 𝜔: tốc độ nước ống, 𝜔= (m/s) 𝜔𝑑𝜌𝑛 Hệ số ma sát xác định qua chế độ chảy Re: 𝑅𝑒 = 𝜇 𝜇: độ nhớt nước 25 C, 𝜇 = 0,8937.10 (N.s)/m (bảng I.102/94, STQTTB tập 1) o  𝑅𝑒 = -3 2.0,12.996,9 0,8937.10−3 = 2,677.105>104 Nên ống có chế độ chảy xoáy Hệ số ma sát xác định: √𝜆 = −2𝑙ℎ [( 61,8 0,9 𝑅𝑒 ) + Δ 3,7 ] (công thức II.65, STQTTB T2, trang 380) Với: Δ độ nhám tương đối xác định theo cơng thức sau: 𝜀 Δ= 𝑑𝑡𝑑 Trong đó: 𝑑𝑡𝑑 : đường kính tương đương ống (m) 𝜀: độ nhám tuyệt đối, 𝜀 = 0,1 (mm)  Δ= 0,1.10−3 0,12 = 0,833.10-3  𝜆=( −2𝑙𝑔[( 0,9 0,833.10−3 6,81 ) ]+ 3,7 2,677.105 ) = 0,015 Tổng trở lực xác định theo bảng II.16 (STQTTB T1, trang 382): 𝜉𝑐ử𝑎 𝑣à𝑜 = 0,5 (bảng No10) 𝜉𝑐ử𝑎 𝑟𝑎 = (bảng No10) 𝜉𝐶𝑜 90𝑜 = 0,3 (3 cái) (bảng No30) 𝜉𝑣𝑎𝑛 𝑡𝑖ê𝑢 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 = 4,4 (bảng No37) 𝜉𝑣𝑎𝑛 𝑚ộ𝑡 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 = 6,84 (bảng No47)  ∑𝜉 = 0,5 + + 3.0,3 + 4,4 + 6,84 = 13,64 Vậy: 𝐻𝑚 = (0,015 20 0,12 + 13,64) 22 2.9,81 = 3,291 (m) Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: 𝐻𝑐 = 𝑃2 −𝑃1 𝜌𝑔 Với 𝑃1 , 𝑃2 : áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy 𝐻𝑐 = (0,26−1).9,81.104 996,9.9,8 = -7,431 (m) Áp suất toàn phần bơm là: Hc =3,291 + 15 + (-7,431) = 10,86 (m) Công suất bơm: 46 (m) N= 19,113.9,81.10,86 103 0,78 = 2,611 Công suất động điện: 𝑁đ𝑐 = 𝑁 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 2,611 = 0,98.0,95 = 2,805 (kW) Người ta thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng tải Vì Ndc nằm khoảng 1-5 kW nên tra bảng II.33, (STQTTBT1, trang 440), chọn hệ số dự trữ β = 1,5 ′ Nên: 𝑁𝑑𝑐 = 𝛽 𝑁𝑑𝑐 = 1,5.2,805 = 4,21 (kW) 6.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút chiều cao đẩy 10 m Cơng suất bơm tính theo cơng thức: 𝐻𝐺𝑔 H Q. g = (CT II.189 STQTTB T1, trang 439) N 1000𝜂 1000. Với:  : hiệu suất bơm, chọn  = 0,78 ρ: khối lượng riêng dung dịch có Cd = 10 % ; t = 26oC ρ = 1039,98 (kg/m2) (tra bảng I.86 STQTTB tập 1, trang 58) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động ống H = H m + Hc + Ho Với: Hm: trở lực mạng ống Hc : chênh lệch áp suất cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút đẩy, chọn: Ho = 10 (m)  Tính Hm:   H m       (m)  d  2.g Chọn đường kính ống hút ống đẩy dung dịch lên thùng cao vị, chọn 𝜔= (m/s) d=√ 𝐺đ 0,785.𝜔.𝜌𝑑𝑑 1,7473 =√ 0,785.2.1039,98 = 0,327 m  chọn d = 0,35 m µdd = 1,704.10-3 (N.s/m2) (tra bảng I.112 STQTTB tập 1, trang 114) Hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re : 𝑅𝑒 = 𝜔𝑑𝜌𝑑𝑑 𝜇𝑑𝑑 = 1.12.0,035.1039,98 1,704.10−3 = 2,3925.104 > 104 47 Chế độ chảy xoáy, suy : 𝜆=( −2𝑙𝑔[( Với :   0,9 2,857.10−3 6,81 ) ]+ 3,7 2,3925.104  d td = 0,1.10−3 0,035 ) = 0,0245 (W/(m.K)) = 2,857.10-3 Tổng trở lực: (theo bảng II.16 STQTTB T1, trang 382)   cửa vào = 0,5 (Bảng No10)   cửa = (Bảng No10)  khuỷu ống = 0,6 (3 khuỷu) (Bảng No34)  van tiêu chuẩn = 4,9 (Bảng No37)  van chắn = 6,84 (Bảng No47)  ∑𝜉 = 0,5 + + 3.0,6 + 4,9 + 6,84 = 15,04 Vậy: 𝐻𝑚 = (0,0245 20 0,035 + 15,04) 22 2.9,81 = 5,92 (m) Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: 𝐻𝑐 = = (1−0,3).9,81.104 1039,98.9,8 𝑃2 −𝑃1 𝜌𝑔 (m) = 6,74 (m) Áp suất toàn phần bơm là: H = 5,92 + 10 + 6,74 = 22,66 (m) Công suất bơm: N= 22,66.1,7473.9,81 103 0,85 = 0,457 Công suất động điện: 𝑁đ𝑐 = 𝑁 𝜂𝑡𝑟 𝜂đ𝑐 = 0,457 0,98.0,95 =0,491 (kW) Người ta thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng q tải Vì Ndc nằm khoảng < kW nên tra bảng II.33, (STQTTBT1, trang 440), chọn hệ số dự trữ β = ′ Nên: 𝑁𝑑𝑐 = 𝛽 𝑁𝑑𝑐 = 2.0,491 = 0,982 (kW) 48 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN Trong thời gian giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học, thực nghiêm túc cố gắng hết khả thân Đến tơi hồn thành nhiệm vụ đồ án Trong bao gồm việc tìm tiểu, tính tốn, xác định thơng số cơng nghệ, yếu tố ảnh hưởng trục tiếp đến q trình đặc, tính tốn lượng lựa chọn thiết bị, thiết kế thiết bị Qua đồ án tiếp thu nhiều kiến thức nắm vững phần lý thuyết học, hiểu biết thêm q trình đặc q trình truyền nhiệt, học, phương pháp thiết lập, đọc hiểu vẽ thiết bị Ngồi cịn giúp tơi hiểu cách tính tốn phân tích lựa chọn thiết bị, vật liệu làm thiết bị để phù hợp với yêu cầu thực tế Tuy nhiên trình làm đồ án cịn số khó khăn tài liệu tham khảo hạn chế, chưa trực tiếp quan sát hệ thống làm việc nên số sai sót tính tốn lập luận Nhưng qua tơi nhận thấy thân cịn phải học hỏi nhiều để thiết kế vào thực tế Tuy tơi cố gắng kiến thức thân hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Mong thời gian đến tơi hồn thiện kiến thức để làm tốt thiết kế sau Tôi xin cảm ơn thầy cô khoa Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm giúp đỡ tơi hồn thành đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồng Kim Anh, 2007 Hóa học thực phẩm Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 382 trang [2] Nguyễn Ngộ, 1984 Kỹ thuật sản xuất đường mía Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 49 [3] Nguyễn Tấn Dũng (2013) Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, tập 1, Các trình thiết bị học, thuỷ lực khí nén Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Tấn Dũng, 2015 Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, tập 2, Các trình thiết bị truyền nhiệt, phần 1, sở lý thuyết truyền nhiệt Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Tấn Dũng, 2015 Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, tập 2: Các trình thiết bị truyền nhiệt, Phần 2: Các trình thiết bị truyền nhiệt thực phẩm Nhà xuất ĐH quốc gia TP Hồ Chí Minh 474 trang [6] Nhiều tác giả (2005) Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, Cơ sở lý thuyết, phương pháp tính tốn, tra cứu số liệu thiết bị Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [7] Nhiều tác giả (2005) Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, Cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, tra cứu số liệu thiết bị Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [8] Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ (2010) Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học & thực phẩm tập 5, trình thiết bị truyền nhiệt, 1: truyền nhiệt ổn định Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh 50 ... vịng ngồi cùng: 60 ống 4.1.2 Đường kính thiết bị buồng đốt Đối với thiết bị đặc buồng đốt treo bố trí ống đốt theo hình lục giác đường kính buồng đốt tính sau: Dt = t(b – 1) + 4dn (m) (CT V.141/49,... thiết bị  Mặt bích nối thiết bị 25 Hình Bích liền thép để nối thiết bị Ta chọn kiểu bích để nối thân buồng đốt với thân buồng bốc, thân buồng bốc với nắp thân buồng đốt với đáy 5.3.1 Buồng đốt. .. tắc hoạt động Thiết bị cô đặc nồi xuôi chiều buồng đốt treo mô tả sau: - Hơi đốt: nồi thứ dung dịch đun đốt; thứ nồi đốt đun nóng nồi thứ hai Hơi thứ nồi thứ hai đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet,