TỔNG QUAN
Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường
Ngành công nghiệp mía đường tại Việt Nam có bề dày lịch sử, nhưng hiện nay đang đối mặt với thách thức trong việc phát triển Nhu cầu thị trường gia tăng đã dẫn đến việc hình thành nhiều lò đường quy mô nhỏ ở các địa phương, tuy nhiên, hoạt động sản xuất vẫn mang tính đơn lẻ và năng suất thấp Sự thiếu liên kết giữa các ngành công nghiệp liên quan đã cản trở sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ngành công nghiệp mía đường ở Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ với diện tích trồng mía tăng nhanh chóng Hiện nay, mía đường không chỉ là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên kết chặt chẽ với nhiều ngành khác Ngành này không chỉ sản xuất đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa mà còn tạo ra phế liệu giá rẻ, phục vụ cho sản xuất rượu và các ngành khác.
Trong tương lai, việc đầu tư đúng mức vào cây mía cùng với việc cải thiện khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm sẽ giúp nâng cao tiềm năng phát triển Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nếu thu hoạch cây mía muộn và không chế biến kịp thời, độ đường trong mía sẽ giảm nhanh chóng.
Việc chế biến mía đường đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất, đòi hỏi hiệu quả cao để thu hồi đường tối ưu Hiện tại, nhiều nhà máy đường tại Việt Nam như Bình Dương, Quảng Ngãi, Biên Hòa, và Tây Ninh đang hoạt động, nhưng sự phát triển nhanh chóng của diện tích trồng mía khiến khả năng cung ứng gặp khó khăn Thêm vào đó, việc cung cấp mía không ổn định, sự cạnh tranh giữa các nhà máy, cùng với công nghệ lạc hậu và thiết bị cũ đã tác động tiêu cực đến quá trình sản xuất đường.
Cải tiến sản xuất và nâng cao hiệu quả nhà máy là điều cần thiết và cấp bách, đòi hỏi sự chuẩn bị ngay từ bây giờ Việc đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ và mở rộng quy mô sản xuất sẽ giúp tăng cường hiệu suất Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc đóng vai trò quan trọng và không thể xem nhẹ trong hệ thống sản xuất.
Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc dung dịch mía đường
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
Các chất hòa tan trong quá trình cô đặc bao gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp, trong đó chủ yếu là đường saccaroze Những cấu tử này được xem như không bay hơi.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít Nồng độ đường trước khi cô đặc khoảng từ 15-20% khối lượng
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
- Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu.
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng.
Biến đổi tính chất vật lý
Thời gian cô đặc tang làm cho nồng độ dung dịch tang dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi:
- Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiêt, hệ số truyền nhiệt.
- Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi.
Biến đổi tính chất hóa học
- Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid.
- Đóng cặn bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa.
- Phân hủy chất cô đặc.
- Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao).
- Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao.
1.2.3 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.
- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu
- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
Cô đặc và quá trình cô đặc
Cô đặc là quá trình tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch có hai hay nhiều cấu tử, thông qua việc tách một phần dung môi bằng cách đun nóng đến nhiệt độ sôi Khi dung môi bay hơi ra khỏi dung dịch, nó được gọi là hơi thứ.
1.3.2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng) là quá trình mà dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi nhờ vào tác động của nhiệt Hiện tượng này xảy ra khi áp suất riêng phần của dung môi đạt bằng áp suất tác động lên bề mặt chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình tách một cấu tử ra dưới dạng tinh thể tinh khiết bằng cách hạ thấp nhiệt độ đến mức nhất định, thường áp dụng để kết tinh dung môi nhằm tăng nồng độ chất tan Nhiệt độ kết tinh có thể thay đổi tùy thuộc vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác động lên bề mặt, và đôi khi cần sử dụng máy lạnh để thực hiện quá trình này.
1.3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Theo thuyết động học phân tử, để các phân tử chất lỏng chuyển thành hơi, tốc độ chuyển động nhiệt của chúng phải lớn hơn một ngưỡng nhất định Khi bay hơi, các phân tử hấp thụ nhiệt để vượt qua lực liên kết trong trạng thái lỏng và các trở lực bên ngoài Do đó, việc cung cấp nhiệt là cần thiết để đảm bảo các phân tử có đủ năng lượng thực hiện quá trình bay hơi.
Sự bay hơi trong quá trình cô đặc chủ yếu xảy ra do bọt khí hình thành từ việc cấp nhiệt và chuyển động liên tục, tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên nhờ chênh lệch khối lượng riêng giữa các phần tử ở bề mặt và đáy Để ngăn ngừa sự tạo bọt khi cô đặc, việc tách không khí và lắng keo trong giai đoạn đun sơ bộ là rất quan trọng.
1.3.4 Ứng dụng của sự cô đặc
Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây…
Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…
Các thiết bị cô đặc nhiệt
1.4.1 Phân loại và ứng dụng
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5
Với vận tốc 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt, hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Nó không chỉ tăng cường hệ số truyền nhiệt mà còn phù hợp cho các dung dịch đặc sệt và có độ nhớt cao Bên cạnh đó, thiết bị giúp giảm hiện tượng bám cặn và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài
- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí 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 pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường là thiết bị hở với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được sử dụng để cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp duy trì mức dung dịch ổn định, tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu thời gian cô đặc Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được không cao.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 0 C Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác.
Cô đặc gián đoạn là quá trình đưa dung dịch vào thiết bị một lần và cô đặc đến nồng độ mong muốn Trong quá trình bốc hơi, dung dịch có thể được thêm liên tục để duy trì mức ổn định cho đến khi đạt được nồng độ yêu cầu Sau đó, dung dịch sẽ được lấy ra một lần, và dung dịch mới sẽ được cho vào để tiếp tục quá trình cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá nhiều để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng các 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 cũng giúp nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy
1.4.2 Hệ thống cô đặc chân không liên tục
Để duy trì chất lượng sản phẩm và bảo vệ các thành phần quý giá như tính chất tự nhiên, màu sắc, mùi vị và lượng vitamin, việc sử dụng nhiệt độ thấp và hạn chế tiếp xúc với oxy là rất quan trọng Những ưu điểm này giúp sản phẩm giữ được độ tươi ngon và giá trị dinh dưỡng cao.
- 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 trong cô đặc
- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet Các loại van.
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
Các loại thiết bị truyền nhiệt
1.5.1 Định nghĩ và phân loại các loại thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa các chất mang nhiệt
Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn
- Trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt
- Trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp
Trong kỹ thuật cũng như trong sản xuất đời sống thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua vách ngăn là loại được sử dụng phổ biến nhất.
Các loại thiết bị thường gặp:
Hệ thống này được cấu tạo từ nhiều đoạn nối tiếp, mỗi đoạn bao gồm hai ống lồng vào nhau Chất tải nhiệt I di chuyển từ dưới lên trong ống bên trong, trong khi chất tải nhiệt II chảy từ trên xuống trong ống bên ngoài Để đạt hiệu suất cao, có thể lắp đặt nhiều dãy làm việc song song Hệ thống này được sử dụng cho cả mục đích đun nóng và làm lạnh, với ưu điểm nổi bật là có hệ số truyền nhiệt lớn nhờ khả năng tạo ra tốc độ cao cho cả hai chất tải nhiệt.
Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó làm sạch khoảng trống giữa 2 ống.
Dùng để làm nguội và ngưng tụ, chất lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh.
Nước tưới chảy từ trên xuống dưới vào máng chứa CTN nóng trong ống, trong quá trình trao đổi nhiệt, một phần nước sẽ bay hơi và lấy đi nhiệt từ CTN, do đó lượng nước làm mát sử dụng ít hơn so với các thiết bị làm mát khác Thiết bị cần được đặt ở nơi thoáng gió và ngoài trời Ưu điểm của thiết bị này là có hệ số truyền nhiệt lớn nhờ tạo ra vận tốc cao ở cả hai phía, mang lại năng suất cao Tuy nhiên, nhược điểm là thiết bị cồng kềnh, giá thành cao và khó làm sạch khoảng cách giữa hai ống.
Cấu tạo: Gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc, hoặc
Hình 1 - 1 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống
Thiết bị trao đổi nhiệt loại giàn tưới với ống xoắn ruột gà có thiết kế đơn giản và sử dụng vật liệu chống ăn mòn, giúp dễ dàng kiểm tra và sửa chữa Trong quá trình hoạt động, một chất tải nhiệt lưu thông bên trong ống trong khi chất tải nhiệt khác di chuyển bên ngoài ống, tạo ra hiệu suất truyền nhiệt cao Hệ số cấp nhiệt trong ống xoắn thường cao hơn một chút, đồng thời thiết bị này cũng vận hành êm ái.
Nhược điểm của thiết bị này bao gồm kích thước cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt thấp do khả năng cấp nhiệt bên ngoài hạn chế, khó khăn trong việc làm sạch bên trong ống, và trở lực thủy lực lớn hơn so với ống thẳng.
Chất lỏng cho vào từ dưới lên để ống xoắn luôn chứa đầy còn hơi thì cho từ trên xuống để tránh va đập thủy lực
Thiết bị ống chùm là một trong những thiết bị phổ biến nhất trong ngành công nghiệp hóa chất nhờ vào kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn và bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng mang lại hiệu suất cao trong quá trình trao đổi nhiệt.
Hình 1 - 4 Thiết bị gia nhiệt ống chùm
Trên thiết bị, vỏ, nắp và đáy có các cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt được hỗ trợ bởi chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ Chất tải nhiệt I, dung dịch NaCl, đi vào từ đáy qua các ống lên trên và thoát ra ngoài, trong khi chất tải nhiệt II, hơi nước bão hòa, vào từ cửa trên và di chuyển vào khoảng trống giữa các ống và vỏ trước khi thoát ra phía dưới Quá trình truyền nhiệt diễn ra giữa hơi bão hòa và hỗn hợp trong thiết bị.
Cấu tạo của thiết bị bao gồm một vỏ hình trụ với hai đầu hàn chắc chắn, cùng với hai lưới ống và các ống truyền nhiệt được lắp kín vào lưới ống Trên vỏ, nắp và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải.
4- Mặt bích có bu lông ghép. nhiệt thiết bị được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để lắp kín. Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn.
Nhược điểm: Khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao.
1.5.2 Sơ lược về quá trình đun nóng Đun nóng là việc sử dụng chất tải nhiệt để có nhiệt độ cao để làm tăng nhiệt độ của một chất tải nhiệt khác. Đây là một quá trình phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng vận tốc của một số quá trình phản ứng hóa học, ngoài ra nó còn là một phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như cô đặc, chưng cất, sấy khô.
Nhiệt năng lượng dùng cho quá trình đun nóng có thể được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm khói lò, khí thải và chất lỏng thải có nhiệt độ cao Các chất tải nhiệt trung gian như hơi nước, hơi nước quá nhiệt và chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiệt năng này.
Khi lựa chọn nguồn nhiệt ta cần quan tâm đến các yếu tố quan trọng sau:
- Nhiệt đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ.
- Áp suất hơi bão hòa và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ.
- Độ độc và tính hoạt động hóa học.
- Độ an toàn khi đun nóng (không gây cháy nổ).
Tùy thuộc vào nguồn nhiệt sử mà ta có các phương pháp đun nóng khác nhau:
- Đun nóng bằng hơi nước bão hòa.
- Đun nóng bằng khói lò.
- Đun nóng bằng dòng điện.
- Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt (hơi nước quá nhiệt, chất tải nhiệt hữu cơ, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao…)
- Đun nóng bằng chất lỏng thải, khói thải.
Các thiết bị sử dụng trong quá trình đun nóng rất đa dạng, tùy thuộc vào phương pháp trao đổi nhiệt (TĐN) gián tiếp hay trực tiếp Mỗi phương pháp sẽ yêu cầu các loại thiết bị đun nóng khác nhau để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình trao đổi nhiệt.
- Thiết bị TĐN loại xoắn ốc
- Thiết bị TĐN loại tấm
- Thiết bị TĐN loại ống chùm
- Thiết bị TĐN loại ống lồng ống
- Thiết bị đun nóng loại sục
- Thiết bị đun nóng loại sủi bọt…
Mỗi chất tải nhiệt có những ưu nhược điểm riêng khi sử dụng trong thiết bị truyền nhiệt và phương pháp đun nóng, do đó cần lựa chọn chất phù hợp cho từng trường hợp cụ thể nhằm đạt hiệu quả tối ưu.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét quá trình gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa thông qua việc sử dụng thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa sẽ được phân tích chi tiết.
Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học với nhiều ưu điểm như:
Hệ số cấp nhiệt cao từ 10.000 đến 15.000 W/m².độ cho phép bề mặt truyền nhiệt nhỏ, giúp thiết bị trở nên gọn nhẹ hơn so với các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác, trong khi vẫn duy trì năng suất tải nhiệt tương đương.
- Lượng nhiệt cung cấp lớn vì đó là lượng nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi.
- Đun nóng đồng đều do hơi ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt TĐN.
- Nhiệt độ của hơi nước bão hòa không thay đổi trong suốt quá trình TĐN.
- Dễ điều chỉnh nhiệt độ hơi nước đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi.
- Vận chuyển hơi đi xa dễ dàng bằng đường ống.
Không thể sử dụng hơi nước bão hòa để đun nóng ở nhiệt độ quá cao, vì khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bão hòa cũng tăng theo và ẩn nhiệt hóa hơi giảm Điều này dẫn đến việc thiết bị trở nên phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng nhiệt giảm.
Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bảo hòa chỉ sử dụng trong trường hợp đun nóng với nhiệt độ t < 180 0 C
THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ quy trình công nghệ
TRU?NG Ð?I H?C CÔNG NGHI?P THÀNH PH? H? CHÍ MINH KHOA CÔNG NGH? HÓA H?C B? MÔN MÁY VÀ THI?T B? HÓA H?C
Thi?t k? thi?t b? n?i cô d?c mía du?ng m?t n?i T? l?:
Kh?i lu?ng Nguy?n T Thanh Vu Th.S Võ Thanh Hu?ng Th.s Tr?n Hoài Ð?c
FT FC TT TC LT PT PC M
Nh?n tín hi?u luu lu?ng
Hoi nu?c bão hòa Hoi nu?c bão hòa
S? dòng Su?t lu?ng ( kg/h) Nhi?t d? ( 0 C) Áp su?t (at) 1 2 3 4 5 6 7
0.2 Ði?u khi?n luu lu?ng Nh?n tín hi?u nhi?t d? Ði?u khi?n nhi?t d?
Nh?n tín hi?u m?c ch?t l?ng Ði?u khi?n m?c ch?t l?ng
Nh?n tín hi?u áp su?t Ði?u khi?n áp su?t Áp su?t (at) Nhi?t d? ( 0 C) Van di?u khi?n Dòng
T101 B?n ch?a nguyên li?u P101 Bom ch?a nh?p li?u E101 Thi?t b? gia nhiêt
T-102 B?n ch?a nu?c ngung P102 Bom tháo s?n ph?m E102 Thi?t b? cô d?c
T-103 B?n ch?a s?n ph?m P103 Bom chân không E-103 Thi?t b? ngung t? baromet
T-104 B?n ch?a nu?c ngung T-105 B?n ch?a nu?c ngung
Hình 2 - 5 Sơ đồ quy trình cô đặc
2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn định áp suất Từ bồn cao vị, dung dịch được định lượng bằng lưu lượng kế trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ, nơi nó được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là một loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, với thân hình trụ và được đặt thẳng đứng Bên trong thiết bị có nhiều ống nhỏ, các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Dung dịch di chuyển từ dưới lên bên trong ống, trong khi hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống, cung cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của nó lên mức sôi.
Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ được chuyển vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi và bốc hơi trong môi trường chân không Hơi nước sau đó được dẫn qua ống vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nơi chúng ngưng tụ thành dạng lỏng và chảy ra ngoài bồn chứa Phần hơi không ngưng tụ sẽ được tách ra qua bộ phận tách giọt và được bơm chân không ra ngoài Cuối cùng, sản phẩm đặc sẽ được bơm chuyển đến bồn chứa sản phẩm.
2.4 Nguyên lý hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm
Phần dưới của thiết bị chứa buồng đốt, bao gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Trong buồng đốt, dung dịch lưu thông qua ống, trong khi hơi nước bão hòa di chuyển xung quanh không gian bên ngoài ống.
Phía trên buồng đốt, buồng bốc đóng vai trò quan trọng trong việc tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi-lỏng Trong buồng bốc, có bộ phận chuyên tách các giọt lỏng mà hơi thứ mang theo, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc và chảy vào các ống truyền nhiệt cùng ống tuần hoàn trung tâm, trong khi hơi đốt được đưa vào buồng đốt Khi dung dịch được đun sôi, nó tạo ra hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, dẫn đến việc khối lượng riêng của dung dịch giảm và di chuyển từ dưới lên trên miệng ống.
Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch trên mỗi đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn ống truyền nhiệt, dẫn đến lượng hơi tạo ra ít hơn Kết quả là khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng trong ống tuần hoàn cao hơn Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới, vào ống truyền nhiệt và sau đó quay trở lại ống tuần hoàn, tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên.
Tại buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch và bay lên qua bộ phận tách giọt, nơi giữ lại những giọt chất lỏng để chúng chảy trở lại đáy buồng Dung dịch tại đây dần tăng nồng độ đến mức yêu cầu và được lấy một phần ở đáy thiết bị để làm sản phẩm, đồng thời bổ sung liên tục dung dịch mới vào thiết bị.
2.5 Nguyên lý hoạt động của thiết bị gia nhiệt ống chùm
Dung dịch ban đầu có nhiệt độ 20 được bơm bơm từ thùng chứa nguyên liệu đi vào thiết bị gia nhiệt
Hơi đốt (hơi nước bão hòa ở 3 at) được sử dụng để gia nhiệt dung dịch mía đường trong buồng đốt, nơi có nhiều ống truyền nhiệt Dung dịch chảy bên ngoài các ống, trong khi hơi đốt đi qua bên trong để làm nóng Sau khi được đun nóng, dung dịch sẽ được chuyển đến thiết bị cô đặc để tiến hành quá trình cô đặc đường Hơi nước ngưng tụ thành nước ngưng sẽ được xả ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng và bẫy hơi, sau đó được chứa trong thùng chứa nước ngưng.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị gia nhiệt ống chùm
Nồng độ nhập liệu xđ = 6%
Nồng độ sản phẩm xc = 15%
Chọn áp suất hơi đốt: P= 3at Áp suất tại thiết bị ngưng tụ : P= 0.2at
Lượng chất vào+ Lượng phản ứng= Lượng chất ra+ Tích tụ Đối với quá trình cô đặc:
Lượng chất vào = Lượng chất ra
15 ¿720 kg/h Lượng hơi thứ bốc ra:
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Dữ liệu ban đầu
Nồng độ nhập liệu xđ = 6%
Nồng độ sản phẩm xc = 15%
Chọn áp suất hơi đốt: P= 3at Áp suất tại thiết bị ngưng tụ : P= 0.2at
Cân bằng vật chất
Lượng chất vào+ Lượng phản ứng= Lượng chất ra+ Tích tụ Đối với quá trình cô đặc:
Lượng chất vào = Lượng chất ra
15 ¿720 kg/h Lượng hơi thứ bốc ra:
Cân bằng năng lượng
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm (P0) tsdm(P0) – tc = ∆ '' ' tsdm(P0) = ∆ '' ' + tc
(tc : nhiệt độ hơi thứ trong TBNT)
Tra bảng I.151, trang 314,[1], ta có:
P = 0.2at ¿>¿ tc = 59,7 o C tsdm(P0) = 1+ 59,7 = 60,7 o C Áp suất hơi thứ tại buồng đốt:
Tra bảng I.250, trang 312, [1] ta có : t( o C) P(at)
Dùng phương pháp nội suy:
3.3.1.2 Tổn thất do nồng độ
(∆ ' : tổn thất nhiệt độ tại P cô đặc, ∆ 0 '
: tổn thất nhiệt độ ở Pkq, f là hệ số hiệu chỉnh) Tìm hệ số hiệu chỉnh:
Tra bảng VI.1 trang 59 ,[2] ta có t( o C) f
Từ nồng độ 15% tra đồ thị VI.2 ,trang 60,[2] ⇒∆ ' = 0,333
Tổn thất do nồng độ :
3.3.1.3 Tổn thất do áp suất thủy tĩnh
Tra bảng I.86 ,trang 59, [1] : x c %=¿ρ dd 61,04kg/m 3
Khối lượng riêng của dung môi
Chọn t sdm e 0 C ¿>ρ dm 0,5kg/m 3 ¿>H op =¿
Tìm nhiệt độ sôi trung bình:
Mà ∆ ' =t sdd ( P 0)−t sdm (P 0 ) ¿>t sdd ( P 0)= t sdm ( P 0)+∆ ' ¿ ¿60,7+0,2555`,9555℃C
3.3.1.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi vào TBNT.
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
3.3.1.5 Nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi t c =t sdm +∆ ' +2.∆ ' ' +∆ ' '' ¿60,9555+0,2555+2.1,4571+1e,1252
Nhiệt độ dung dịch mía đường 6% trước và sau khi vào thiết bị gia nhiệt t vào 0 0 C t ra `,9555 0 C
Nhiệt đọ của dung dịch đường vào thiết bị cô đặc t đ `,9555 0 C
Nhiệt độ dung dịch mía đường 16% ra khỏi thiết bị cô đặc t c e,1252 0 C
3.3.2.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt
Dung dịch mía đường trước gia nhiệt
Dung dịch mía đường sau gia nhiệt G đ C đ t r
Khi có độ ẩm φ =5 % , Q m =5 %Q cc
Nhiệt dung riêng của đường (Trang 153, [1])
CA90-92514-7,542.t).x ( mol Độ J ) Ở nhiệt độ 30 0 C ,x=6%
Tra bảng I.251, trang 316, [1] ⟹ r D =i−C n t ra !71.10 3 ( mol Độ J )
Lượng hơi nước tiêu tốn trong thiết bị gia nhiệt
3.3.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị cô đặc
Dung dịch mía đường trước cô đặc Q G đ
Dung dịch mía đường sau cô đặc Q G c
Năng lượng vào = Năng lượng ra
Quá trình hoạt động ổn định nên D ¿ = D out =D và thay G c =G đ −W
Khi có độ ẩm φ=5 % , Q m =5 %Q cc
Nhiệt dung riêng của đường (trang 153, [1])
Sử dụng phương pháp nội suy
Lượng hơi đốt cần dùng
3.3.2.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ
Hơi ngưng tụ W H w , out =W C t r Nước làm nguội G C t r
Năng lượng vào = Năng lượng ra
Kg độ ( Tra bảng I.249, trang 310, [1])
Lượng nước cần làm nguội cho thiết bị ngưng tụ
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT
Nhiệt tải phía hơi ngưng (q1)
Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: α 1 =2.04× A ׿ (W/m 2 Độ)
- r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi nước bão hòa, J/kg (r = 2171 kJ/kg).
- A : hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng.
- ∆ t 1:chênh lệch nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, ℃C
Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi nước bão hòa là 0.8 ℃C
Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
Nhiệt tải phía hơi ngưng: q 1 =α 1 ∆ t 1 380.83×0.8704.67W m 2
Nhiệt tải phía dung dịch
- Pr t : chuẩn số Prandl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông số khác theo nhiệt độ trung bình của dòng
- ε : hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống (chọn ε = 1)
Tính chuẩn số Pr theo công thức:
- Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t 1tb
- μ : độ nhớt dung dịch ở t 1tb
- λ : hệ số dẫn nhiệt t 1tb λ=ε Cp ρ √ 3 M ρ
- ρ : KLR của hỗn hợp, kg/m 3
- M: KLPT của hỗn hợp, kg/kmol Đối với chất lỏng liên kết chọn ε=3.58.10 −8 ρđường = 1021 kg/m 3 (Trang 57, [1])
Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống: Δt 1 =t t1 −t t 2 =q t × ∑ r t
Tt2 : nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp.
∑ r t : nhiệt trở 2 bên ống truyền nhiệt (m 2 độ/W)
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
n= F π d H= 5.82059 π ×0.032×2)(ống) Tra bảng trang 49 [2]:=> n = 37 ống Đường kính trong thiết bị:
Thể tích bình gia nhiệt:
Xác định vận tốc
Xác định vận tốc thực ω t = 4G π × d 2 × n= 4×1800
TÍNH CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT
Tính bề dày thân
Chịu áp suất trong: 3at ⇒Nhiệt độ hơi đốt: T2,9 o C
Hơi đốt p:t, chịu áp suất trong
(Theo hình 1.2 trang 16, [3] ứng suất ở nhiệt độ tính toán σ ¿ *0 N/nm 2
Có lớp cách nhiệt: Hệ số hiệu chỉnh η=1 σ= σ * η 0.10 N/mm 2 φ=0.95 → bảng 1.7/24/Hồ lê Viên σ φ
⇒ Khi đó công thức 5.3, trang 96, [3])
Bề đáy tối thiểu của thân trụ
Bề dày trụ quá nhỏ Tra bảng 5.1, trang 94, [3]
Hệ số bổ sung bề dày:
Chọn hệ số ăn mòn hóa học Ca=1mm/10 năm
Vật liệu được xem là bền cơ học: Cb=Cc=0
{ C b : Hệ số bổ sung do bào mòn cơh cọ
C c :Hệsốbổdo sail chệ khi chết oạ
Chọn hệ số bổ sung dung sai của chiều dày Co=0,22 (Theo bảng XIII.9, trang 364 STT2 )
C=Ca+Cb+Cc+Co= 1+0+0+0,22=1.22mm
Kiểm tra chiều dày (Công thức 5.10, trang 97, [3] )
550=7.27x10 −3 [σ] = 85.013
Hệ số giảm ứng suất: db = 16 => ko = 0.6 Ứng suất cho phép của vật liệu làm bulong:
Cánh tay đòn của momen gây uốn bích: l=d b −d t
Thông số bích được chọn phù hợp.
Thể tích các chi tiết
5.5.1 Thể tích thép làm ống
( d n , d t l nầ l tượ làđ ngườ kínhngoài và đ ngườ kínhtrong c aủ ốngtruy nề nhi tệ ¿
5.5.2 Thể tích thép làm vỉ ống
Di nệ tích vỉống: (Với D = 680mm là đường kính ngoài của bích)
⟹Di nệ tích cònl iạ :F còn l i ạ =F vỉ −∑ F lỗ =0,363 −0,0376 =0,3254 ( m 2 )
Khối lượng các thiết bị
5.6.1 K hối lượng thân thiết bị m=π
5.6.2 Khối lượng của đáy ( nắp)
Dựa vào bảng XIII.11, trang 384, [2]
Với D t U0mm , S=5mm⇒m đáy ,9kg
5.6.3 Khối lượng bích ghép thân
5.6.4 Khối lượng vỉ ống m vỉ =V vỉ × ρ=0.013016×78502,1756Kg
5.6.5 Khối lượng chất lỏng m ch t ấ l ng ỏ =V bình × ρ dd =0.475×1021H4,975kg
5.6.6 Khối lượng ống truyền nhiệt m ố ng =V ố ng × ρ=0.015×78507.75 Kg
Tính chân đỡ và tai treo
Tải trọng tác dụng lên chân đỡ
Tải trọng của 1 chân đỡ
Tra bảng XIII.35, trang 437, [2] ta có
Bảng 5 - 3 Số liệu của chân đỡ
Tải trọng cho phép lên chân đỡ
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ
Tra bảng XIII.36, trang 438, [2] ta có
Bảng 5 - 4 Số liệu của tai treo
Tải trọng cho phép lên chân đỡ
Bề mặt đỡ Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ
