TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG
Giới thiệu chung
Đôi nét về ngành công nghệ mía đường ở nước ta và vị trí của cô đặc trong công nghệ mía đường.
Ngành công nghiệp mía đường tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đặc biệt ở một số tỉnh thành Mía đường không chỉ cung cấp sản phẩm đường cho các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh, kẹo và sữa, mà còn tạo ra nguyên liệu phụ giá trị cho sản xuất rượu và gỗ ép Tiềm năng phát triển của ngành này trong tương lai là rất lớn, nếu được đầu tư hợp lý và nâng cao khả năng chế biến cũng như tiêu thụ sản phẩm.
Hiện nay, nhu cầu thị trường đường tại Việt Nam đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều nhà máy đường ở các địa phương như Bình Dương, Quảng Ngãi và Tây Ninh Tuy nhiên, các hoạt động sản xuất vẫn còn đơn lẻ và có năng suất thấp, dẫn đến khó khăn trong việc phát triển ngành công nghiệp đường mía Vấn đề cung cấp mía nguyên liệu, cạnh tranh giữa các nhà máy, cùng với công nghệ lạc hậu và thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sản xuất Hơn nữa, cây mía có đặc tính giảm độ đường nhanh chóng nếu không được thu hoạch và chế biến kịp thời.
Cải tiến sản xuất và đổi mới công nghệ là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả quá trình sản xuất Việc chuẩn bị cho những cải tiến này cần được thực hiện ngay lập tức Đặc biệt, cải tiến thiết bị cô đặc đóng vai trò quan trọng trong hệ thống sản xuất, không thể bị xem nhẹ.
Nguyên liệu và sản phẩm
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
Các chất hòa tan trong quá trình cô đặc chủ yếu bao gồm đường saccaroze và nhiều cấu tử khác với hàm lượng rất thấp, gần như không đáng kể Những cấu tử này được coi là không bay hơi trong quá trình xử lý.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng.
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
Các chất hoà tan: có nồng độ cao.
1.2.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng a)Biến đổi tính chất vật lý:
Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi b)Biến đổi tính chất hoá học:
Thay đổi pH môi trường thường dẫn đến sự giảm pH do các phản ứng phân hủy của amit như asparagin, tạo ra các acid Đồng thời, hiện tượng đóng cặn dơ xảy ra khi dung dịch chứa nồng độ cao các muối Ca2+ ít hòa tan, gây phân hủy muối hữu cơ và hình thành kết tủa.
Phân hủy chất cô đặc.
Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid
Phân hủy một số vitamin c)Biến đổi sinh học:
Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)
Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao
1.2.4 Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm
Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.
Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.
Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi
Cô đặc và quá trình cô đặc
Cô đặc là phương pháp nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch, thường áp dụng cho dung dịch lỏng – rắn hoặc lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi lớn Quá trình này diễn ra bằng cách tách một phần dung môi dễ bay hơi hơn, thông qua các phương pháp vật lý – hóa lý Tùy thuộc vào tính chất của cấu tử khó bay hơi, có thể sử dụng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc làm lạnh kết tinh để tách dung môi.
1.3.2 Bản chất của sự cô đặc Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành khi cung cấp nhiệt và chuyển động liên tục, cùng với sự chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử trên bề mặt và dưới đáy, tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi Để ngăn chặn hiện tượng tạo bọt khi cô đặc, việc tách không khí và lắng keo (protit) là rất quan trọng.
1.3.3 Ứng dụng của cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây
Trong ngành sản xuất hóa chất, việc cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ là rất quan trọng Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm đã áp dụng thiết bị cô đặc như một giải pháp hiệu quả để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn.
Mặc dù cô đặc là một hoạt động gián tiếp, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của nhà máy Để cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc, cần sử dụng công nghệ hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, kỹ sư cần có kiến thức vững chắc và đa dạng, đồng thời chủ động khám phá các nguyên lý mới trong lĩnh vực cô đặc.
1.3.4 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi nhiệt độ tăng, đồng thời áp suất riêng phần của dung môi đạt đến giá trị bằng với áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách một cấu tử ra dưới dạng tinh thể tinh khiết, thường là kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài, có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, thậm chí cần sử dụng máy lạnh trong một số trường hợp.
1.3.5 Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc:
Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn, điều này thể hiện tầm quan trọng của hoạt động này đối với sự tồn tại của nhà máy Sự phát triển của thiết bị cô đặc đòi hỏi các thiết bị hiện đại, an toàn và có hiệu suất cao, từ đó yêu cầu kỹ sư cần có kiến thức sâu rộng và chủ động tìm hiểu các nguyên lý mới liên quan đến thiết bị cô đặc.
Các thiết bị cô đặc
1.4.1 Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt)
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 trong hoặc 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 dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các 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 nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm: + Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.4.1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) là quá trình diễn ra ở nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được áp dụng trong việc cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp duy trì mức dung dịch ổn định, từ đó tối ưu hóa năng suất và rút ngắn thời gian cô đặc.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình sử dụng áp suất thấp để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giúp dung dịch tuần hoàn hiệu quả hơn Phương pháp này không chỉ hạn chế việc tạo cặn mà còn cho phép sự bay hơi của dung môi diễn ra liên tục.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá lớn để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng phương pháp cô đặc chân không, cô đặc áp lực, hoặc kết hợp cả hai Đặc biệt, việc sử dụng hơi thứ cho các mục đích khác sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình cô đặc.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả tốt hơn so với cô đặc gián đoạn và có thể được điều khiển tự động, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đủ độ tin cậy Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, và có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, chế độ cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
1.4.2 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm
Sơ đồ công nghhe65 hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm
4 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng
6 Thùng chứa hơi thứ ngưng
10 Thùng chứa nước ngưng tụ
Khi thiết bị hoạt động, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi, tạo ra hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm và được đẩy lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi sinh ra nhiều hơn Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi trong ống tuần hoàn cao hơn so với ống truyền nhiệt, khiến hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là hình thành dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, với dòng chảy từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần trên của thiết bị chứa buồng bốc, nơi diễn ra quá trình tách hỗn hợp lỏng và hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi sẽ di chuyển lên trên buồng bốc và đến bộ phận tách giọt, giúp loại bỏ các giọt lỏng khỏi dòng khí Các giọt lỏng sẽ chảy xuống dưới, trong khi hơi tiếp tục di chuyển lên trên Dung dịch còn lại sẽ được hoàn lưu để sử dụng tiếp.
Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng, trong khi dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng Tại đây, hơi thứ gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục được dẫn qua bộ phận tách giọt và được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ, thể tích giảm, làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm, giúp thiết bị duy trì chân không ổn định Thiết bị này cần được lắp đặt ở độ cao thích hợp để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài mà không cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
Bơm chân không có vai trò quan trọng trong việc hút không khí ra ngoài, ngăn chặn sự tích tụ khí không ngưng trong thiết bị ngưng tụ Điều này giúp duy trì áp suất ổn định và tránh tình trạng nước chảy ngược vào nồi cô đặc.
1.4.2.3 Nhận xét và đánh giá
Dựa trên tính chất của nguyên liệu và sản phẩm cùng với các điều kiện kỹ thuật, chúng ta quyết định sử dụng thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục, đi kèm với buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
Để bảo vệ chất lượng sản phẩm và các thành phần quý giá như tính chất tự nhiên, màu sắc, mùi vị và hàm lượng vitamin, việc duy trì nhiệt độ thấp và hạn chế tiếp xúc với oxy là rất quan trọng.
- Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị.
- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.
- Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.
- Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
1.4.3 Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:
+ Ống nhập liệu, ống tháo liệu.
+ Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
+ Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp.
+ Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.
+ Thiết bị ngưng tụ baromet.
+ Bơm nguyên liệu và bồn cao vị.
+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất
1.4.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.
HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC
Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet
Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
+ Dung môi dễ bay hơi
Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo ra chân không, và thiết bị ngưng tụ phải được kết hợp với bơm chân không nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống chân không.
Thiết bị ngưng tụ giúp loại bỏ hầu hết hơi nước, cung cấp một lượng lớn hơi nước cho bơm chân không, từ đó giảm thiểu tiêu hao năng lượng cơ học và ngăn ngừa hỏng hóc cho bơm, vì bơm chỉ hút khí không ngưng.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều và chân cao (baromet) để đảm bảo hiệu suất tối ưu Nước làm lạnh và nước ngưng tụ sẽ chảy xuống, trong khi khí không ngưng được sẽ được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phận tách lỏng.
Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
2.1.3 Hoạt động của hệ thống - các yếu tố ảnh hưởng
2.1.3.1 Hoạt đống của hệ thống a Nhập liệu:
Nguyên liệu đường được bơm vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300 độ C, sau đó được đun nóng đến gần mức sôi và chuyển vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu.
Khi bắt đầu, cần nhập đủ 2,5 m³ nguyên liệu để tiến hành quá trình cô đặc Trong suốt quá trình này, nguyên liệu sẽ tiếp tục được nhập vào để bù đắp lượng hơi bốc lên, cho đến khi đạt đủ thể tích nguyên liệu cần thiết cho một mẻ Sau khi đủ thể tích, việc nhập liệu sẽ được dừng lại.
Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình gia nhiệt cho 2,5 m 3 nguyên liệu của mẻ sau b Quá trình cô đặc:
Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m 3 , quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra.
Hơi được đốt qua ống dẫn vào buồng đốt với áp suất 3 at Hơi ngưng tụ sẽ chảy qua ống dẫn nước ngưng và được thu thập qua bẫy hơi, trong khi phần khí không ngưng sẽ được xả ra ngoài qua cửa xả khí không ngưng.
Hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nơi nó ngưng tụ thành lỏng và chảy ra ngoài bồn chứa Phần hơi không ngưng tụ sẽ được tách ra qua bộ phận tách giọt, chỉ còn lại khí được bơm ra ngoài bằng chân không.
Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra.
Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm
2.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng
Thao tác vận hành
Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu
Kiểm tra độ kín của hệ thống
Khởi động bơm chân không để hệ thống đạt điều kiện chân không lần đầu Nước trong ống Baromet sẽ dần dâng lên, và cần chờ cho đến khi quá trình này ổn định.
Khởi động bơm nhập liệu và mở van để cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc Khi dung dịch đạt khối lượng yêu cầu, điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp.
Mở từ từ van hơi đốt
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất là rất quan trọng Cần sẵn sàng ngưng hoạt động của hệ thống ngay lập tức nếu phát hiện có sự cố xảy ra.
Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt.
Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng van Chấm dứt một mẻ cô đặc
Ta bắt đầu các thao tác cho một mẻ mới.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Cân bằng vật chất và năng lượng
Nồng độ nhập liệu xđ = 20 % (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm xc = 38 % (khối lượng)
Năng suất nhập liệu Gc = 16 tấn/h = 16000 kg/h
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,76 at
Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,76 = 0,24 at.
Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 2,2 ati
Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,2 = 3,2 at.
Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30 o C
Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:
Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
- Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,24 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi ( 0 C)
Dựa vào phương pháp nội suy
Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 63,3 0 C.
- ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆ ’’’ = 1 0 C ( trang 290 [5]).
- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm( P0) – tc = ∆ '' '
Trong đó tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng).
Mà tsdm( P0) =∆ '' ' + tc = 1+tc (theo chứng minh trên)
Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:
Nhiệt độ ( 0 C) Áp suất (at)
Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 64.3 0 C
1.4 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng ( ∆ ’)
Theo công thức 5.3, trang 266, [5], ta có:
∆ ’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.
∆ 0 ’ : tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. f : hệ số hiệu chỉnh f = 16,14 T 2 r
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [ 0 K]. r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg].
Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có:
Tại P0 = 0,2477 at Ta nội suy được: r = 2347,506 (J/Kg)
Khi tính toán nồng độ cuối của dung dịch đạt 38%, ta có ∆ 0 ’=1,3 Điều này có nghĩa là trong quá trình cô đặc có tuần hoàn dung dịch, hiệu số nhiệt độ tổn thất (∆ ’) cần được tính dựa trên nồng độ cuối của dung dịch, theo thông tin từ đồ thị VI.2, trang 59, [2].
Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ ( ∆ ’ ) là 1,01686 0 C.
1.5 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
∆p=1 2 × ρ s × g ×Hop N/m 2 Trong đó: Áp suất(at) r
0,3 2336 ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m 3 ρs=0,5 ρdd ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m 3
Chọn tsdd (p0+∆p) = 68 o C, C% = xc = 38%, ta có ρ dd = 1168,33 kg/m 3 ( trang 60 [1])
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2]) ρ dm - khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 65 0 C
Tra bảng I.249 trang 311, [1], ρ dm = 980,5 kg/m 3
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:
Tại ptb=0,2702 Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) 66,018 0 C
Sai số chấp nhận Vậy tsdd(ppt) = 66 0 C
Sản phẩm lấy ra ở tại đáy tsdd(p0+2∆p) = 65,31686 + 2.1,01686 = 67,35058 0 C
Tổng tổn thất nhiệt độ: Áp suất (at) T sdm
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3,2at, tD = 134,9 0 C (bảng I.251, trang
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ)
Bảng 1 Tóm tắt cân bằng vật chất
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nồng độ đầu xđ %wt 20
Nồng độ cuối xc %wt 38
Năng suất nhập liệu Gđ kg/h 16000
Năng suất tháo liệu Gc kg/h 160000/19
Suất lượng W kg/h 144000/19 Áp suất Po at 0,2477
Nhiệt độ tsdm(po) oC 64,3 Ẩn nhiệt ngưng tụ rw kJ/kg 2347,506
HƠI ĐỐT Áp suất pD At 3,2
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd(po) o C 65,31686
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ o C 1,01686 Áp suất trung bình Ptb At 0,2702
Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb tsdm(ptb) oC 66,018
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh Δ’’ o C 1,718
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) oC 67,03486
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ o C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ o C 3,73486
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi oC 67,86514
Cân bằng năng lượng
Do dung dịch đầu Gđcđtđ
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt φDctD
Do sản phẩm mang ra Gccctc
Do hơi thứ mang ra W i W "
Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% trước và sau khi qua thiết bị gia nhiệt:
Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 66,98 0 C
Nhiệt độ của dung dịch đường mía 40% đi ra đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2 ∆ ’’ = 6698 + 2 1,029 = 69,038 0 C (công thức 2.15, trang 107, [3])
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức I.50 trang 153 [1]:
C = 4190 – (2514 – 7,542t)x, J/kg độ Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng
2.2 Phương trình cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q D
Theo công thức VI-3, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57, ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (1) Trong đó:
Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W.
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W.
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.
Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Q S )
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) (2) Trong đó:
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ.
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 20%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang 60 [2]
Mà ∆ ' =t sdd −t sdm (tại áp suất P0) t sdd =∆ ' +t sdm =0,158+65,95f,108 0 C
2 = 3581,02 J/kg độ Thay tất cả vào (2) ta được:
Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh )
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 4400 kg/h r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,266 at, J/kg
Tra bảng I.251, trang 314 [1] Áp suất (at) r 10 -3 (J/kg)
Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2234,46 10 -3 (J/kg).
Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q KN )
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4, trang 57:
Q ht đ : nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W
Q ht c : nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W.
Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua (5)
Nhiệt lượng tổn thất (Q tt )
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295:
Thay (3), (4), (5) và (6) vào (1), ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt
Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 3282500 J/s
Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc
Do không có quá lạnh sau khi ngưng tụ nên i D '' −cθ=r
Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 2,5 at, r = 2189,42.10 3 J/kg (tra bảng I.251, trang 315 [1]).
: độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn φ =0,005 theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295.
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 10 ví dụ và bài tập, trang 182 : d=D
Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,26 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ vào buồng bốc Tđ 0C 66,98
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Tc 0C 69,038
Nhiệt dung riêng dung dịch 18% Cđ J/(kg.K) 3778,207
Nhiệt dung riêng dung dịch 30% Cc J/(kg.K) 3392,67
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 3282500
Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 1,378
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng D kg/kg 1,29
Bảng 2 Tóm tắt cân bằng năng lượng
Thiết kế thiết bị chính
3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
3.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt là cần thiết để bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực vào hơi đốt, bằng cách chia thành nhiều miệng vào Việc lựa chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s) giúp nước duy trì trạng thái ngưng chảy màng, do chiều dài ống truyền nhiệt ngắn với h0 = 1,5 m, và ngưng hơi bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng.
Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 28: α 1 =2,04.A ( H ∆ t r 1 ) 0,25 , W/(m 2 K)
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng (α1) được tính bằng W/(m².K), trong khi ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at là r = 2189,42.10³ J/kg, theo bảng I.251 trong Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 315.
H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5m).
A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm t m =t D +t V 1
Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng
A: tra ở Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 29.
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 121 0 C t m 6,07+121
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1 = α1.Δt1 = 8956,50.5,07= 45409,47 W/m 2
3.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi
Dung dịch nhập liệu, sau khi được gia nhiệt qua thiết bị, đã đạt đến nhiệt độ sôi Tại điều kiện này, quá trình cô đặc diễn ra mạnh mẽ với sự tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, tạo ra các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.
Theo công thức VI.27, trang 71 [2] α 2 =α n ( ❑ ❑ dd n ) 0,565 [ ( P P dd n ) 2 ( C C dd n ) ( μ μ dd n ) ] 0,435 W/(m 2 K) (2)
Trong đó: α n : hệ số cấp nhiệt của nước
Theo công thức V.90, trang 26 [2] α n =0,145.∆ t 2,33 P 0,5 W/m 2 độ ()
+ P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m 2 )
+ ∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0 C.
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), J/(kg.K)
Nhiệt dung riêng của nước tại nhiệt độ xác định (tsdm) là Cdm, được đo bằng J/(kg.K) Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ xác định (tsdd) được ký hiệu là àdd, với đơn vị N.s/m², trong khi độ nhớt của nước tại nhiệt độ xác định là àdm, cũng được đo bằng N.s/m² Khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ xác định được ký hiệu là ρdd, tính bằng kg/m³, và khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ xác định là ρdm, cũng tính bằng kg/m³ Hệ số dẫn điện của dung dịch tại nhiệt độ xác định là λdd, với đơn vị W/(m.K), trong khi hệ số dẫn điện của nước tại nhiệt độ xác định là λdm, cũng được đo bằng W/(m.K).
Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314 [1]
Nồng độ ρ dm C dm à dm λ dm
Các thông số của dung dịch ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59,60 [1] àdd: tra bảng 9, trang 16, [8]
Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường
+ t: nhiệt độ của dung dịch, 0 C
+ x: nồng độ của dung dịch, %
( công thức I.50, Sổ tay tập 1, trang 153) [1])
λdd: Theo công thức I.32 Sổ tay tập 1, trang 123 [1] λ dd =A C dd ρ dd √ 3 M ρ dd dd W /m K
+ A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết,
+ M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp đường saccharose (C12H22O11) và H2O.
M = a.M(C12H22O11) + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol a – phần mol của đường saccharose (C12H22O11).
Xem nồng độ đường saccharose (C12H22O11) trong dung dịch là 40% (xc)
Nồng độ ρ dd C dd à dd λ dd
3.2 Nhiệt tải phía tường (qv)
Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104: q v =t v1 −t v2
+ r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn dày 0,5 mm, m 2 K/W.
+ δ: bề dày ống, δ =2 mm. λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)
+ ∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, 0 C.
Tra ở bảng 31, Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 419, ta có: r1 = 0,2329.10 -3 m 2 K/W r2 = 0,5736.10 -3 m 2 K/W
3.3 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì: q1 = q2 = qv (6)
So sánh sai số giữa q 1 và q 2
Nhiệt tải trung bình là: q tb =q 1 +q 2
Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
3.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Chọn F = 80 m 2 theo dãy chuẩn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1,trang 276 [5]
Tính kích thước của thiết bị cô đặc
4.1 Tính kích thước buồng đốt
Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III – 49), trang 134 [4] n= F π d l= 80 π.0,025 1,5g9,41ống
Với : d = 25 mm: đường kính ống truyền nhiệt ( vì α1> α2 nên lấy d = dt = 25 mm) l= Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt
F= 80 m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt.
Theo bảng V.11, trang 48 [2] bố trí theo hình lục giác đều.
4.1.2.Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth) Áp dụng công thức (III.26) trang 121, [7]:
Theo tiêu chuẩn trang 274, [5] chọn Dth = 400 mm
4.1.3.Đường kính buồng đốt (Dt) Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (III – 52) trang 135, [4]:
Chọn β = 1,4 theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 202
Dn = 0,029 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt Ѱ:Hệ số sử dụng vỉ ống thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9, chọn ѱ = 0,8
L = 1,5 m: chiều dài của ống truyền nhiệt
Dnth = 0,4 + 2.0,003 = 0,406: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60 o : góc ở đỉnh của tam giác đều
F = 80 m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt
Theo tiêu chuẩn trang 274 [5] chọn Dt = 1400 mm = 1,4 m
4.1.4.Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Theo công thức 3.86, trang 202, [5]
S: bước ống, m; s = β.dn= 1,4 29 = 40,6 mm d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt m: số ống trên đường chéo
Chọn m = 33 ống theo bảng V.11 trang 48 [2].
Tổng số ống trong thiết bị n=3
Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng, theo công thức trang 218, [5]
Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm Chọn m ’ = 11 theo trang
Tổng số ống lắp đầy toàn bộ vỏ thiết bị
n=∑ n−n ' 7 −91r6 ố ng : số ống truyền nhiệt còn lại
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
4.1.5.Tính kích thước đáy nón của buồng đốt
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 50 mm
Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có:
Số ống truyền nhiệt là 726 ống có kích thước d là 25/29 mm
Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth= 400 mm
Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 1400mm
Chiều cao buồng đốt Hd= 1,5m
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 80m 2
Chiều cao đáy nón Hnon = 1269 mm
Thể tích dung dịch ở đáy Vđ = 0,832 m3
4.2 Tính kích thước buồng bốc
4.2.1 Đường kính buồng bốc (Db)
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc
W: lượng hơi thứ bốc hơi (kg/h) ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,266at
Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1, trang 314:
Nội suy ta được ρh = 0,1649 kg/m 3
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc: ω h = V h i ơ π D b 2
Db là đường kính buồng bốc (m)
Trong đó: ρ’= 979,99 kg/ m 3 : khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m 3 (tra bảng I.249, trang
Nghiên cứu tại nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc là 65,95°C, với khối lượng riêng của hơi là ρ” = ρh = 0,1127 kg/m³ Đường kính giọt lỏng được chọn là d = 0,0003 m Gia tốc trọng trường là g = 9,81 m/s², và hệ số trở lực ξ được tính theo số Reynolds (Re).
Với μ là độ nhớt của hơi thứ ở áp suất 0,266 at, tra theo hình I.35, Sổ tay tập 1, trang 117
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 274:
=2,664.D b 1,2 ωhơi không quá 70-80% ωo, chọn: ωhơi < 80% ωo
Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 2,7 m.
Vậy đường kính buồng bốc D b = 2700 mm.
4.2.2 Chiều cao buồng bốc (Hb)
Theo công thức VI.34, Sổ tay tập 2, trang 72: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng bốc:
Db: đường kính buồng bốc, m
VKGH: thể tích không gian hơi, m 3
Công thức VI.32, sổ tay tập 2, trang 71:
W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,266 at, kg/m 3 ρh = 0,1649 kg/m 3
Utt là chỉ số đo lường cường độ bốc hơi thể tích, phản ánh lượng nước bay hơi trên một đơn vị thể tích không gian hơi trong một khoảng thời gian nhất định.
Với: f = 1,3: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, Sổ tay tập 2, trang 72).
Utt_(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P = 1at, m 3 /m 3 h.
Theo Sổ tay tập 2, trang 72, chọn Utt_(1 at) = 1600 m 3 /m 3 h.
Theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt, ta chọn:
Vậy chiều cao buồng bốc H b = 2,5 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 hgo = 50 mm
Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc: Dt = 2700 mm.
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có:
4.3 Tính kích thước các ống dẫn
Theo Sổ tay tập 2, trang 74, đường kính các ống được tính theo công thức sau d=√ π ω ρ 4 G ,m
G: lưu lượng lưu chất, kg/s ω: vận tốc lưu chất, m/s ρ: khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3 Ống nhập liệu
Gđ = 8000 kg/h = 2,222 kg/s ω = 2 m/s: chất lỏng ít nhớt (trang 74, [2]) ρđ = 1074,04 kg/m 3 (tra xđ = 18%, bảng I.86, trang 58, [1]). d nl =√ π 4.2,222 2 1074,04 =0,036 m
d nl = 40 mm Ống tháo liệu d tl =√ π ω ρ 4 G c c = √ π 1 1178,53.36004.4400 =0,0363m
Gc= 4400 kg/h ω = 1m/s: chất lỏng nhớt (trang 74, [2]) ρc = 1178,53 kg/m 3 (tra theo xc@% bảng I.86, Sổ tay tập 1, trang 59). Ống dẫn hơi đốt
D = 1,578 kg/s: lượng hơi đốt biểu kiến ω = 40 m/s (trang 74_hơi bão hòa, [2])
PD = 2,5at ρD = 1,338 kg/m 3 ( tra theo bảng I.251 sổ tay tập 1, trang 315). d D =√ π 4.1,578 40 1,338 =0,194 m
d D = 194 mm. Ống dẫn hơi thứ
W= 4400 kg/h = 1,222 kg/s ω = 20 m/s ( chọn theo hơi quá nhiệt, trang 74, [2])
P0 = 0,266 at ρhoi thu = 0,1670 kg/m 3 ( tra theo bảng I.250, trang 312, [1]). d hoi thu =√ π 20 0,1670 4.1,222 =0,683 m
d hoi thu = 683 mm Ống dẫn nước ngưng
Gn = 1 3 D =0,526 kg/s ω = 20 m/s t = 126,07 0 C ρ = 938,05 kg/m 3 (bảng I.249, trang 311, [1]). d nuoc ngung =√ π 20 938,054 0,526 =0,006m
d nuoc ngung = 60 mm. Ống xả khí không ngưng
Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng.
4.4 Tổng kết về đường kính
Căn cứ vào bảng XIII.26, trang 409, [2] ta có bảng sau:
Bảng 3 Tổng kết về đường kính các ống dẫn
Loại ống Đường kính tính toán (mm) Chọn đường kính trong (mm) Chọn đường kính ngoài (mm)
Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc
5.1.1 Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1400 mm, chiều cao Ht = 1500 mm.
Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng.
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
Hơi đốt là hơi nước bão hoà với áp suất 2,5 at, do đó áp suất trong buồng đốt được tính là pm = pD – pa = 2,5 – 1 = 1,5 at, tương đương với 0,1519875 N/mm² Áp suất tính toán Pt được xác định bằng công thức Pt = pm + ρgH, với ρ = 0,7852,81.10⁻⁶ và H = 1,5, cho kết quả là Pt = 0,152 N/mm².
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 126,07 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 126,07 + 20 = 146,07 0 C
Theo hình 1.2, trang 16, [6], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [6]). Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[σ] = η [σ]* = 0,95.119 = 113,05 N/mm 2 Tra bảng 2.12, trang 34, [6]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2,05.10 5 N/mm 2 Xét:
2.113,05.0,95 = 0,99mm Trong đó: φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [6], hàn 1 phía)
Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt
Pt = 0,152 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt
Dt = 1400mm ⇒ Smin = 4 mm > 0,99 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 4mm (theo bảng 5.1, trang 94, [6]).
Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1mm (thời gian làm việc 10 năm).
Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0.
Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,4 mm (theo bảng XIII.9, trang
Hệ số bổ sung bề dày là:
Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-10, trang 97, [6]:
D t = 1400 6−1 = 0,00357 < 1 (thỏa) Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
Vậy bề dày buồng đốt là 6mm
Đường kính ngoài của buồng đốt
Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [6]): dmax =3,7 √ 3 D t ( S−C a ) (1−k) ; mm
Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt
S = 6 mm – bề dày của buồng đốt k – hệ số bền của lỗ k = P t D t
So sánh: Ống dẫn hơi đốt dt = 200 mm < d max Ống xả nước ngưng dt = 70 mm ρ78,53 kg/m 3
Thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt:
Thể tích dung dịch trong thiết bị:
V dd =V c +V ố ng TN +V ố ng TH +V đ =4,96+0,905+0,832=6,697m 3
Db: đường kính trong buồng bốc (m)
Dđ: đường kính trong buồng đốt (m)
Hc: chiều cao hình nón cụt không tính gờ (m)
Hgc: chiều cao gờ hình nón cụt (m)
V ố ng TN : thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt (m 3 )
V ố ng TH : thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm (m 3 )
Vđ: thể tích dung dịch trong đáy (m 3 )
Khối lượng lớn nhất có thể: m ddmax =ρ Vdd78,53.6,697x92,62kg
Tổng trọng tải trong thiết bị:
Chọn tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3 Trọng lượng trên mỗi tai treo:
Các thông số tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438,[2]:
G: tải trọng cho phép trên một tai treo; N
F: bề mặt đỡ; m 2 q: tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ; N/m 2 mt: khối lượng một tai treo; kg
Tính toán thiết bị phụ
Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống.
Dòng nhập liệu (dòng lạnh): t’1= 30 o C t”2= 66,98 o C ´t=t 1 ' +t }} over {2} = {30+66,98} over {2} ,9 2 ¿ ¿ o C Dòng hơi đốt (dòng nóng): t’2= t”2 = 126,07 o C
6.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Để bảo vệ các ống truyền nhiệt trong khu vực hơi đốt, cần giảm tốc độ hơi đốt bằng cách chia thành nhiều miệng vào Tốc độ hơi đốt được chọn là nhỏ (ω = 10 m/s), giúp nước ngưng chảy màng do chiều dài ống truyền nhiệt ngắn (h0 = 1 m) và ngưng hơi bão hòa.
+α 1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m 2 K)
+ r – ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất hơi đốt 2,5 atm là
+ H – chiều cao ống truyền nhiệt (H = ho = 1 m).
+ A – hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm t m = t D +t v1
2 – Sau nhiều dần tính lặp lại, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 121,5 o C. t m 6,07+121,5
– Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q 1 = 10199,87.4,57 = 46613,4 W/m 2
6.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Chất lỏng sôi nhẹ và chuyển động cưỡng bức nên hệ số cấp nhiệt này được tính theo các công thức của đối lưu cưỡng bức.
Sau khi tính lặp, chọn tv2 = 80,19 0 C
Các thông số hóa lý của dung dịch mía đường ở 40 % ở tw và t
Thông số tw = 100,845 0 C t = 96,98 0 C λ; W/(m.K) 0,5064 0,5047 ρ; kg/m 3 ) 1179,4 1179,4 c; J/(kg.K) 3488.629 3476,97 μ; N.s/m 2 0,960.10 -3 1,0058.10 -3
+ μ – độ nhớt động lực học; Ns/m2
– Chọn tốc độ của dung dịch mía đường 40 % trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s Đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm.
⇒ Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống (Re > 10000):
Nu=0,021.ε.Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr w ) 0,25
6.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường
+ r1 = 0,2329.10 –3 m 2 K/W – nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng
+ r2 = 0,5736.10 –3 m 2 K/W – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm
+ δ =2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt.
+λ = 16,3 W/m.K – hệ số dẫn nhiệt của ống (bảng XII.7, trang 313, [2]) và ống làm bằng thép không gỉ OX18H10T.
+ ∆ tv = tv1 + tv2; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường.
Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 =q2. Δt v =q v ∑ r v F613,4.0,9293.10 –3 = 43,32 o C.
– Sai số tương đối của q2 so với q1: δ q δq= q 2 − q 1 q 1 = |45910 ,83−46613 , 4 |
46613 , 4 100 %=1,5 % δq ¿ 5% nên sai số được chấp nhận (các thông số đã chọn phù hợp)
– Nhiệt tải riêng trung bình: q tb =q 1 +q 2
6.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt
– Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt Dct D
– Do sản phẩm mang ra G c t c c 1 "
Nhiệt độ của dung dịch mía đường trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:
Có thể bỏ qua nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctD = 0
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là D.(1 − φ ).( i ’’ D − c); W
Nước ngưng tụ có nhiệt độ tương đương với nhiệt độ của hơi đốt vào, không bị lạnh quá sau khi ngưng, với giá trị i ’’ D −¿c là 2189,42 kJ/kg, tương ứng với ẩn nhiệt của hơi nước ngưng tụ từ hơi đốt.
Thay Qtt = ε QD = 0,04.QD = 0,04 3282500 = 131300 W và Gđ = Gc = G
Q D =D.(1−ε).(1−φ).(i D '' −c.θ)=G.(c c t 1 '' −c đ t 1 ' ) Lượng hơi đốt biểu kiến:
(1−0,05).2189,42.10 3 =1,578 (kg/s) – Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
= 3150873,141 W – Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
46262,115 h,109 m 2 Chọn F = 80 m 2 theo dãy chuẩn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 276 [5]
– Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III–49, trang 134, [4]: n= F π.d.l
+ F = 80 m 2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt
+ l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt
+ d – đường kính của ống truyền nhiệt
Vì α 1¿α 2 nên ta chọn d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt được xác định bằng công thức n π.0,025.119,108 Dựa theo bảng V.11, trang 48, tài liệu [2], số ống được chọn là n = 1027 và được bố trí theo hình lục giác đều Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức V.140, trang 49, tài liệu [2].
+ dn = dt + 2.S m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt.
+ t = β.dn = 1,4.0,029 = 0,0406 m – bước ống b = √ 4 3 9 n −1 )+1= √ 4 3 ( 1027−1 )+17 – số ống trên đường xuyên tâm của lục giác.
⇒ D = 0,0406.(37 – 1) + 4.0,029 = 1,5776 m – Thể tích bình gia nhiệt
6.2 Tính thiết bị ngưng tụ baromet
6.2.1 Chọn thiết bị ngưng tụ
- Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
+ Dung môi dễ bay hơi
Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo ra chân không, và để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất, thiết bị ngưng tụ phải được kết hợp với bơm chân không.
Thiết bị ngưng tụ giúp loại bỏ hầu hết hơi nước, giải phóng lượng lớn hơi nước cho bơm chân không, từ đó giảm thiểu tiêu hao năng lượng cơ học và ngăn ngừa hỏng hóc cho bơm, vì bơm chỉ hút khí không ngưng.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều và chân cao (baromet) để đảm bảo hiệu suất tối ưu Thiết bị này cho phép nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống, trong khi khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị thông qua bộ phận tách lỏng.
- Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
6.2.2 Tính thiết bị ngưng tụ
6.2.2.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ
Theo công thức VI.51 Sổ tay tập 2, trang 84:
Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s.
W: lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s.
Nhiệt dung riêng của hơi nước được xác định là 1,222 kg/s với giá trị I = 2621,4 KJ/kg (theo bảng I.251, trang 314, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1) Nhiệt độ đầu và cuối của nước làm nguội được ký hiệu là t2c và t2d, trong đó t2d được lấy bằng 30°C Công thức tính nhiệt độ đầu vào là t2c = tc − 10i,038 − 10Y,038°C Ngoài ra, nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ được ký hiệu là tng, tính bằng độ Celsius.
C n : nhiê ̣t dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiê ̣t đô ̣ trung bình, kJ/kg.k. (trang 311 [1]).
6.2.2.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị
Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet được tính theo công thức VI.47 Sổ tay tập 2, trang 84:
Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s.
Lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ được tính bằng kg/s Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí có thể được xác định theo công thức: tkk = t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) Cụ thể, với t2d = 30 và t2c = 59,038, ta có tkk = 36,9 °C.
Tra giản đồ không khí ẩm cho thấy áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ là png = 0,26 at = 2634450 N/m² Đồng thời, ph = 0,0702 at là áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp tại nhiệt độ tkk, thông tin này có thể được tham khảo trong Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, cụ thể là Bảng 56 trang 45.
Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị tính theo VI.49 Sổ tay tập 2,trang 84:
(0,26−0,0702).9,81.10 4 =0,0623m 3 /s 6.2.2.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ
Theo VI.52 Sổ tay tập 2, trang 84, ta có đường kính trong thiết bị ngưng tụ:
W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W = 1,222 kg/s.
h: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, chọn h = 40 m/s (trang 85, [2]).
h: khối lượng riêng của hơi, tra bảng I.251 trang 314 theo sổ tay tập 2 [2] và nội suy : ở 0,26 at được h = 0,1612 kg/m 3
Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là 800 mm.
Thường có dạng viên phân để đảm bảo làm việc tốt
Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53 trang 85 [2]. b = D tr
Có nhiều lỗ nhỏ được đúc trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ chọn là 2mm.
Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ:
- Theo Sổ tay tập 2, trang 85, bề dày tấm ngăn (): chọn = 4 mm.
- Theo Sổ tay tập 2, trang 85: chọn nước sông (ao, hồ) để ngưng tụ hơi thứ thì đường kính lổ d = 5 mm.
- Theo Sổ tay tập 2, trang 85, chọn chiều cao gờ tấm ngăn là: 40 mm Chọn tốc độ tia nước là 0,62 m/s.
Mức độ đun nước nóng:
Tra bảng VI.7 trang 86, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 với d=2mm và P=0,774, suy ra:
- Khoảng cách giữa các ngăn h= 400mm
- Thời gian rơi qua một bậc t= 0,41s
Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần.
Vậy khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50mm cho mỗi ngăn:
- Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400mm (có 8 ngăn)
- Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300mm
- Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đấy thiết bị là 1200mm
- Chiều cao phần gờ của nắp là 50mm
- Chiều cao phần nắp đấy nón là 175mm
- Chiều cao phần nắp ellipse là 125mm
Vậy chiều cao cao của thiết bị ngưng tụ là :
Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ
- Nhiệt độ trung bình t tb =t 2 đ +t 2 c
: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 44,519 0 C.
Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet.
Ký hiệu các kích thước Ký hiệu Kích thước Đường kính trong của thiết bị Dtr 800
Chiều dày của thành thiết bị S 5
Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị A 1300
Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến nắp thiết bị P 1200
Bề rộng của tấm ngăn B 500
Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi
Chiều cao của hệ thống thiết bị H 5080
Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 2350 Đường kính của thiết bị thu hồi D1 500
Chiều cao của thiết bị thu hồi h1 (h) 1700 Đường kính của thiết bị thu hồi D2 400
Chiều cao của thiết bị thu hồi h2 1350
Khoảng cách giữa các ngăn a1 200 a2 260 a3 320 a4 380 a5 440 Đường kính cửa ra và vào
Hổn hợp khí và hơi ra d3 125
Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 125
Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi d6 80
Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d7 70 Ống thông khí d8 25 Đường kính trong ống Baromet (d)
Chọn đường kính trong của ống baromet là d = 200 mm = 0,2m
Tốc độ của nước lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet thường lấy là ω =0,5:0,6 Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86: d=√ 0,04.(G π ω n +W )
W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W= 1,222 kg/s
Gn: lượng nước vào thiết bị ngưng tụ Gn = 23,84 kg/s ω:tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s, thường lấy ω=0,6m/s
Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86, ta có:
H công thức tính chiều cao cột nước trong ống baromet được xác định bằng h1 cộng với h2 cộng với 0,5 m Trong đó, h1 là chiều cao cột nước trong ống baromet, phản ánh sự cân bằng giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ H2 là chiều cao cột nước cần thiết để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống.
Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h 1 ,33 b
Trong đó: b: áp suất chân không trong thiết bị, mmHg (b=0,26at).
Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h 2 =ω 2
Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống ξ1=0,5 và khi ra khỏi ống ξ2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng: h 2 =ω 2
Trong đó: d br : đường kính ống baromet, d br 0mm
: hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, (W/m.độ)
H: chiều cao tổng cộng trong ống baromet, m g= 9,81 m/s 2 ω: tốc độ nước chảy trong ống
Theo CT II.58 Sổ tay tập 1, trang 377:
Dòng nước trong ống baromet ở chế độ chảy xoáy Trong đó:
: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,519 0 C.
n = 991,54 kg/m 3 à: độ nhớt động lực nước lấy ở nhiệt độ trung bỡnh 49,519 0 C
Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám = 0,2mm.
Regh được tính theo công thức II.60 trang 378, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1
Ren được tính theo công thức II.62 trang 379, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1
Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).
Hệ số ma sát λ theo công thức II.64 trang 380 [1] λ=0,1.¿
Mà ta có chiều cao ống baromet
Giải phương trình ta được : H = 3,24m
Chiều cao của thiết bị :
H thiết bị = H TB ngưng tụ + H ống baromet = 5,65 + 3,24 = 8,89m
Bơm
10 Thùng chứa nước ngưng tụ
Khi thiết bị hoạt động, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo ra hỗn hợp lỏng – hơi với khối lượng riêng giảm và di chuyển từ dưới lên trên Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên mỗi đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn, dẫn đến lượng hơi tạo ra nhiều hơn so với ống truyền nhiệt Do đó, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi trong ống tuần hoàn lớn hơn, khiến hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là hình thành dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, với dòng chảy từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần trên của thiết bị chứa buồng bốc, nơi tách hỗn hợp lỏng và hơi thành hai dòng riêng biệt Hơi sẽ đi lên qua buồng bốc và đến bộ phận tách giọt, nơi các giọt lỏng được loại bỏ khỏi dòng khí Các giọt lỏng sẽ chảy xuống phía dưới, trong khi hơi tiếp tục di chuyển lên trên Dung dịch còn lại sẽ được hoàn lưu để sử dụng tiếp.
Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài qua ống tháo sản phẩm vào bể chứa nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng được thoát ra từ trên buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet, nơi chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt, ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống bồn chứa qua ống baromet, trong khi khí không ngưng tiếp tục đi lên, được tách ra và hút ra ngoài bằng bơm chân không Khi hơi thứ ngưng tụ, thể tích giảm, làm giảm áp suất trong thiết bị ngưng tụ, giúp nó duy trì ổn định chân không Thiết bị này phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
Bơm chân không đóng vai trò quan trọng trong việc hút không khí không ngưng ra ngoài, ngăn chặn sự tích tụ khí không ngưng trong thiết bị ngưng tụ Việc này giúp kiểm soát áp suất trong thiết bị, tránh tình trạng nước chảy ngược vào nồi cô đặc.
1.4.2.3 Nhận xét và đánh giá
Dựa trên tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cùng với các điều kiện kỹ thuật, chúng ta quyết định sử dụng thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
Để bảo vệ chất lượng sản phẩm và các thành phần quý giá như tính chất tự nhiên, màu sắc, mùi vị và lượng vitamin, việc duy trì nhiệt độ thấp và hạn chế tiếp xúc với oxy là rất quan trọng.
- Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị.
- Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.
- Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.
- Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
1.4.3 Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:
+ Ống nhập liệu, ống tháo liệu.
+ Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
+ Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp.
+ Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.
+ Thiết bị ngưng tụ baromet.
+ Bơm nguyên liệu và bồn cao vị.
+ Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.
+ Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất
1.4.4 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC
2.1 Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet
Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm:
+ Dung môi dễ bay hơi
Để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả, khí bổ sung cần được giải phóng nhằm tạo chân không Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Thiết bị ngưng tụ có khả năng làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, từ đó giải phóng lượng hơi nước lớn cho bơm chân không Việc này không chỉ giúp giảm tiêu hao năng lượng cơ học mà còn ngăn ngừa hư hỏng cho bơm, vì bơm chỉ hút khí không ngưng.
Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều và chân cao (baromet) để đảm bảo hiệu suất tối ưu Trong thiết bị này, nước làm lạnh và nước ngưng tụ sẽ chảy xuống, trong khi khí không ngưng được sẽ được bơm chân không hút ra từ phần trên thông qua bộ phận tách lỏng.
Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển.
2.1.3 Hoạt động của hệ thống - các yếu tố ảnh hưởng
2.1.3.1 Hoạt đống của hệ thống a Nhập liệu:
Nguyên liệu đường được bơm vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300 độ C, sau đó được đun nóng đến gần mức sôi và chuyển vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu.
Khi bắt đầu, cần nhập đủ 2,5 m³ nguyên liệu, sau đó tiến hành cô đặc Trong quá trình này, nguyên liệu sẽ tiếp tục được nhập vào để bù đắp lượng hơi bốc lên cho đến khi đạt đủ thể tích nguyên liệu cho một mẻ, sau đó sẽ dừng việc nhập liệu.
Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình gia nhiệt cho 2,5 m 3 nguyên liệu của mẻ sau b Quá trình cô đặc:
Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m 3 , quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra.
Hơi được đốt trong buồng đốt với áp suất 3 at, sau đó hơi ngưng tụ sẽ được dẫn qua ống nước ngưng và chảy ra ngoài qua bẫy hơi Phần khí không ngưng tụ sẽ được xả ra ngoài qua cửa xả khí không ngưng.
Hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nơi nó ngưng tụ thành lỏng và chảy ra ngoài bồn chứa Phần không ngưng tụ sẽ được tách ra qua bộ phận tách giọt, chỉ để lại khí được bơm ra ngoài bằng chân không.
Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra.
Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm
2.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng
Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu
Kiểm tra độ kín của hệ thống
Khởi động bơm chân không để hệ thống đạt được điều kiện chân không lần đầu Nước trong ống Baromet sẽ dần dâng lên, và cần chờ đợi cho đến khi quá trình này ổn định.
Khởi động bơm nhập liệu và mở van để cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu, điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp.
Mở từ từ van hơi đốt
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ