Nhiệm vụ đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nồi gián đoạn để đặc dung dịch nước mía Năng suất nhập liệu 1000kg/h Nồng độ đầu: 20% khối lượng Nồng độ cuối: 60% khối lượng Áp suất chân không thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75 at Áp suất bão hòa P = 2,1 at Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm (chọn) Nhiệt độ đầu nguyên liệu: 25oC (chọn) 1.2 Giới thiệu chung Ngành công nghiệp mía đường ngành cơng nghiệp lâu đời nước ta Do nhu cầu thị trường nước ta mà lị đường với quy mơ nhỏ nhiều địa phương thiết lập nhằm đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, hoạt động sản xuất cách đơn lẻ, suất thấp, ngành cơng nghiệp có liên quan khơng gắn kết với gây khó khăn cho việc phát triển cơng nghiệp đường mía Trong năm qua, ơt số tỉnh thành nước ta, ngành cơng nghiệp mía đường có bước nhảy vọt lớn Diện tích mía tăng lên cách nhanh chóng, mía đường ngành đơn lẻ mà trở thành hệ thống liên hiệp với ngành có quan hệ chặt chẽ Mía đường vừa tạo sản phẩm đường làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp bánh, kẹo, sữa, … đồng thời tạo phế liệu nguyên liệu quý với giá rẻ cho ngành công nghiệp khác sản xuất rượu, … Vì tính quan trọng việc chế biến, vấn đề quan trọng đặt hiệu sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi hiệu suất cao Hiện nay, nước ta có nhiều nhà máy đường Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh
TỔNG QUAN
Nhiệm vụ đồ án
Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi gián đoạn để cô đặc dung dịch nước mía
Năng suất nhập liệu 1000kg/h
Nồng độ đầu: 20% khối lượng
Nồng độ cuối: 60% khối lượng Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75 at Áp suất hơi bão hòa P = 2,1 at
Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm (chọn)
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 25 o C (chọn)
Giới thiệu chung
Ngành công nghiệp mía đường tại Việt Nam có bề dày lịch sử, nhưng hiện nay đang đối mặt với thách thức do nhu cầu thị trường gia tăng Nhiều lò đường quy mô nhỏ đã được thành lập ở các địa phương để đáp ứng nhu cầu này Tuy nhiên, hoạt động sản xuất vẫn diễn ra đơn lẻ, năng suất thấp và thiếu sự liên kết giữa các ngành công nghiệp liên quan, gây cản trở cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ngành công nghiệp mía đường ở một số tỉnh thành Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, với diện tích trồng mía tăng nhanh chóng Ngành mía đường không còn đơn lẻ mà đã hình thành một hệ thống liên kết chặt chẽ với các ngành khác Mía đường không chỉ cung cấp sản phẩm đường cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, và sữa, mà còn tạo ra phế liệu giá rẻ, trở thành nguyên liệu quý cho các ngành sản xuất khác như rượu.
Việc chế biến mía đường đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất, tuy nhiên hiệu quả sản xuất vẫn là vấn đề cần được chú trọng để đảm bảo thu hồi hiệu suất cao Hiện nay, mặc dù nước ta có nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quảng Ngãi, Tây Ninh, nhưng sự phát triển ồ ạt của diện tích mía đã khiến khả năng đáp ứng trở nên khó khăn Thêm vào đó, việc cung cấp mía gặp nhiều khó khăn, sự cạnh tranh giữa các nhà máy đường cùng với công nghệ lạc hậu và thiết bị cũ đã tác động tiêu cực đến quá trình sản xuất.
Việc cải tiến sản xuất và nâng cao hiệu quả các quá trình là cần thiết và cấp bách, đòi hỏi sự chuẩn bị ngay từ bây giờ Đặc biệt, cải tiến thiết bị cô đặc đóng vai trò quan trọng trong hệ thống sản xuất, không thể xem nhẹ.
Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:
Các chất hòa tan bao gồm nhiều thành phần với hàm lượng rất thấp, chủ yếu là đường saccharose Những thành phần này được coi là không bay hơi trong quá trình cô đặc.
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 hòa tan có nồng độ cao
1.3.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Trong quá trình cô đặc tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đồi 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 hóa học
Thay đổi pH môi trường thường xảy ra do sự phân hủy amit, dẫn đến giảm pH do hình thành các axit Ngoài ra, sự đóng cặn bẩn cũng xảy ra khi dung dịch chứa các muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng độ cao, gây ra sự phân hủy muối hữu cơ và tạo ra kết tủa.
Phân hủy chất cô đặc
Tăng màu do caramel hóa 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
1.3.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm
Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để: Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu
Thành phần hóa 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, có thể áp dụng cho dung dịch lỏng – rắn hoặc lỏng – lỏng Quá trình này thường diễn ra khi có chênh lệch nhiệt độ sôi lớn, nhằm tách một phần dung môi dễ bay hơi hơn Đây là các quá trình vật lý – hóa lý quan trọng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu.
1.4.2 Mục đích của quá trình cô đặc
Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch
Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)
Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước)
Quá trình cô đặc là một phương pháp quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Ví dụ, cô đặc đường diễn ra tại các nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút được thực hiện trong quá trình sản xuất phèn nhôm, và cô đặc các dịch trích ly từ nguyên liệu tự nhiên như cà phê và hồi.
Quá trình cô đặc diễn ra ở nhiệt độ sôi, phù hợp với các mức áp suất khác nhau, bao gồm áp suất chân không, áp suất thường và áp suất dư trong hệ thống thiết bị mở hoặc kín.
Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt sôi dung dich giảm do đó chi phí hơi đốt giảm
Cô đặc chân không là phương pháp hiệu quả để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường, đồng thời bảo vệ các dung dịch dễ bị phân hủy do nhiệt hoặc có nguy cơ gây ra các phản ứng phụ không mong muốn như oxy hóa, đường hóa và nhựa hóa.
Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển là phương pháp hiệu quả cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao, như dung dịch muối vô cơ Phương pháp này được áp dụng để sử dụng hơi thứ trong quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí
Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, nồi đầu tiên hoạt động ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, trong khi các nồi tiếp theo hoạt động ở áp suất chân không.
1.4.3 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 nhiệt độ, khi áp suất riêng phần của nó đạt bằng áp suất tác động lên bề mặt của chất lỏng.
Phương pháp lạnh là quá trình hạ thấp nhiệt độ để tách một cấu tử ra dưới dạng tinh thể đơn chất 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 tác động lên bề mặt, có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc thấp, đôi khi cần sử dụng máy lạnh để thực hiện.
1.4.4 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:
Theo thuyết động học phân tử, để chất lỏng chuyển thành hơi, tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử gần bề mặt phải vượt quá tốc độ giới hạn 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 Vì vậy, cần cung cấp nhiệt để 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 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 tuần hoàn tự nhiên trong nồi Để ngăn chặn hiện tượng tạo bọt khi cô đặc, việc tách không khí và lắng keo trong giai đoạn đun sơ bộ là rất quan trọng.
1.4.5 Các thiết bị cô đặc nhiệt a) 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 đốt), có thể có ống tuần hoàn trong mặt 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 –
3,5 m/s tại 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 trên bề mặt truyền nhiệt
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 Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép, …
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
Theo phương pháp thực hiện quá trình:
Cô đặc áp suất thường là một phương pháp sử dụng thiết bị hở, với nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, nhằm cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp duy trì mức dung dịch ổn định, tối ưu hóa năng suất và giảm thời gian cô đặc Tuy nhiên, nồng độ dung dịch cuối cùng đạt được thường không cao.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình xử lý dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, diễn ra dưới áp suất chân không Quá trình này giúp dung dịch tuần hoàn hiệu quả, giảm thiểu sự hình thành cặn và duy trì sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc nhiều nồi nhằm mục đích tiết kiệm hơi đốt, nhưng số lượng nồi không nên quá lớn để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng các phương pháp cô chân không, cô 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
Hệ thống cô đặc gián đoạn
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet
Nguyên liệu được đưa vào nồi cô đặc sẽ thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với hơi nước qua buồng bốc Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, trong khi dung dịch sẽ di chuyển theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và sau đó theo ống nhiệt quay trở lên Quá trình trao đổi nhiệt chủ yếu diễn ra trong ống truyền nhiệt.
Sau nhiều lần bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên và độ nhớt cũng gia tăng, dẫn đến việc tốc độ chuyển động của dung dịch chậm lại Quá trình này sẽ kết thúc khi dung dịch đạt được nồng độ mong muốn.
Khi tốc độ chuyển động tuần hoàn tăng, hệ số cấp nhiệt cho dung dịch cũng gia tăng, dẫn đến quá trình bốc hơi diễn ra mạnh mẽ và nồng độ chất tan đạt yêu cầu nhanh chóng Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc tiêu tốn năng lượng cho việc khuấy Do đó, một biện pháp hiệu quả là tăng đường kính ống truyền nhiệt.
2.3 Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet
Hơi nước từ thiết bị cô đặc được dẫn vào thiết bị truyền nhiệt để làm nóng nguyên liệu đến nhiệt độ sôi Sau đó, hơi nước sẽ được chuyển vào ống Baromet ở phía dưới thiết bị ngưng tụ, nơi nước chảy từ trên xuống dưới qua các ngăn và phun thành tia Quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi và nước khiến hơi nước ngưng tụ lại, sau đó chảy ra ngoài qua ống Baromet.
2.4 Hoạt động của hệ thống
Nguyên liệu đường được đưa vào thiết bị truyền nhiệt qua bơm nhập liệu ở nhiệt độ khoảng 25 độ C, sau đó được đun nóng đến gần điểm sôi và chuyển vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu.
Khi bắt đầu nhập đủ 1m³ nguyên liệu, tiến trình cô đặc sẽ được thực hiện Trong quá trình này, nguyên liệu tiếp tục được nhập vào để bù đắp lượng hơi bay 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 nguyên liệu của mẻ sau
Quá trình cô đặc gián đoạn
Sau khi đã nhập liệu đủ 1m 3 , quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra
Hơi đốt được dẫn vào buồng đốt với áp suất 2,1 at để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt bao gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm lớn hơn, giúp dung dịch trong ống tuần hoàn sôi ít hơn Điều này tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt Dung môi nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ, sau đó qua thiết bị tách giọt Hơi sau khi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet sẽ được ngưng tụ bằng nước lạnh và chảy ra ngoài bồn chứa Phần không ngưng sẽ được tách ra và bơm chân không hút ra ngoài, trong khi hơi đốt ngưng tụ chảy ra qua cửa tháo nước ngưng và bẫy hơi trước khi được xả ra ngoài.
Quá trình sẽ tiếp tục cho đến khi đạt nồng độ 60%, sau đó ngừng cấp hơi Tiếp theo, mở van thông áp và tháo sản phẩm bằng cách mở van tháo liệu.
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 Đóng các van
Kiểm tra điều kiện hoạt động của thiết bị cung cấp hơi đốt và bơm chân không khi lần đầu khởi động Quan sát nước trong ống Baromet dâng lên từ từ và chờ đợi cho đến khi quá trình đạt trạng thái ổn định.
Hoạt động của hệ thống
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 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 thao tác cho một mẻ mới.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Dữ liệu ban đầu
Nồng độ ban đầu xđ = 20%, nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu là tđ = 25oC
Năng suất nhập liệu Gđ = 1000 kg/h
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa áp suất 2,1 at Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,75 at
Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Trong quá trình xử lý, các thông số quan trọng bao gồm Gđ và Gc, đại diện cho lượng dung dịch đầu và cuối ở mỗi giai đoạn tính bằng kg W là lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, cũng được đo bằng kg Cuối cùng, xđ và xc thể hiện nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình.
Lượng sản phẩm (dung dịch đường 35%)
Lượng sản phẩm (dung dịch đường 45%)
Lượng sản phẩm (dung dịch đường 60%)
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi: Wt = 428,57 + 126,98 + 111,11 = 666,66 kg
Bảng 1 Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Khối lượng dung dịch, kg
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg
Cân bằng năng lượng
Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 1 – 0,75 = 0,25
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ tw = 64,20 o C (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] và nội suy)
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc
Tổn thất nhiệt độ của hơi trong đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ được ký hiệu là ∆ ’’’ và được xác định là 1 o C từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ.
Nhiệt độ sôi của dung môi trên mặt thoáng dung dịch được tính toán là tsdm (Po) = ∆ ’’’ + tw = 1 + 64,20 = 65,20 o C Điều này cho thấy rằng áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc ở nhiệt độ 65,20 o C.
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ( ∆ ’ )
Theo công thức 5.3, tài liệu (quá trình và tbnt t5, trang 184)
+ ∆ ’ : độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc, o C Tra đồ thị
+ f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính: f = 16,14 × 𝑇 2
+ T – nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất [ o K] bằng nhiệt độ hơi thứ
+ r – ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi [J/kg]
Nhiệt độ sôi của dung dịch: tsdd = tsdm + ∆ ’
Tra bảng I.251 trang 314, [1] và nội suy ta được r = 2345,24.10 3 J/kg
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆ ’’)
∆ ’’ = tsdd (Po + ∆𝑝) – tsdd (Po) = tsdm(Po + ∆𝑝) – tsdm(Po) Trong đó:
+ tsdd (Po): nhiệt độ sôi dung dịch ở mặt thoáng
Nhiệt độ sôi của chất lỏng tại độ sâu trung bình được xác định bởi công thức tsdd (Po + ∆𝑝), trong đó ∆𝑃 (N/m²) là chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống.
+ Hop : chiều cao chất lỏng theo ống báo mức, [m] Với:
+ Ho : chiều cao ống truyền nhiệt, [m]
+ 𝜌 𝑑𝑑 : khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, [kg/m 3 ]
+ 𝜌 𝑑𝑚 : khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 65,20 o C
+ 𝜌 𝑡𝑏 : khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi khi sôi,
2𝜌 𝑑𝑑 (𝜌 𝑑𝑑 − khối lượng riêng thực của dung dịch cô đặc đường không có bọt, kg/m 3 ), [kg/m 3 ]
Tổn thất nhiệt độ trong cô đặc
+ ∆ ’ : tổn thất nhiệt độ do nồng độ, [ o C]
+ ∆ ’’ : tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh, [ o C]
+ ∆ ’’’ : tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ, [ o C]
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 1,5m
Tra bảng I.249, trang 311, sổ tay 1 𝜌 𝑑𝑚 = 980,39 kg/m 3
Bảng 2 Tóm tắt kết quả cân bằng năng lượng
Nhiệt độ sô dung dịch ở đáy sản phẩm (ở 20%):
Nhiệt độ sô dung dịch ở đáy sản phẩm (ở 35%):
Nhiệt độ sô dung dịch ở đáy sản phẩm (ở 45%):
Nhiệt độ sô dung dịch ở đáy sản phẩm (ở 60%):
Cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn
Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch
Phương trình cân bằng nhiệt:
Gđ.cđ.tđ + D.(1 – 𝜑) 𝑖 𝐷 ′′ + 𝜑.c.D.𝜃 = W 𝑖 𝑊 ′′ + D.c.𝜃 + Gc.cc.tc ± Qcđ + Qtt
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D.(1 – 𝜑).( 𝑖 𝐷 ′′ – c.𝜃) = D.(1 – 𝜑) R = Gc.cc.tc – Gđ.cđ.tđ + W 𝑖 𝑊 ′′
Nhiệt dung riêng của dung dịch:
Theo sổ tay tập 1, trang 153: c = 4190 – (2514 – 7,542.t).x
Nhiệt dung riêng của dung dịch theo nồng độ:
Chọn áp suất hơi đốt là 3,1 at r = 2168.10 3 J/kg
Nhiệt độ hơi thứ 65,2 o C i ’’ = 2613,75.10 3 J/kg
Xem nhiệt độ cô đặc là không đáng kể
Giai đoạn đưa dung dịch 20% từ 25 o C đến 66,75 o C
Gđ = Gc = 1000 kg ; cđ = cc = 3787,89 J/kg.độ ; tđ = 25 o C ; tc = 66,75 o C ; W = 0
Nhiệt lượng dùng để đun nóng tới nhiệt độ sôi:
Q1 = Gđ.ctb.(tsdd(Po) – tđ) Với: Gđ = 1000 kg ctb – nhiệt dung riêng của dung dịch
Nhiệt dung riêng dung dịch 20% từ 25 o C đến 66,63 o C c = 4190 – (2514 – 7,542.t).x Ở t = 25 o C, x = 20% thì: c1 = 4190 – (2514 – 7,542 25) 0,2 = 3724,91 J/kg độ Ở t = 66,75 o C,x = 20% thì: c2 = 4190 – (2514 – 7,542 66,75) 0,2 = 3787,9 J/kg độ
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Lượng hơi đốt sử dụng:
Gđ = 1000 kg ; cđ = 3787,9 J/kg.độ; tđ = 66,75 o C
Gc = 571,43 kg; cc 489,8 J/kg.độ; tc = 68,08; W = 428,57kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Nhiệt lượng cần cung cấp
Lượng hơi đốt sử dụng
Gđ = 571,43 kg ; cđ 489,J/kg.độ ; tđ = 68,08 o C
Gc = 444,45 kg ; cc = 3292,3J/kg.độ ; tc = 68,83 o C ; W = 126,98kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Nhiệt lượng hơi đốt sử dụng
Gđ = 444,45 kg/h ; cđ = 3292,3 J/kg.độ ; tđ = 68,83 o C
Gc 33,34 kg/h ; cc = 3003,89 J/kg.độ ; tđ = 71,13 o C ; W = 111,11kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Nhiệt lượng cần cung cấp
9 0,96 = 0,272.10 9 J/h Nhiệt lượng hơi đốt sử dụng
Nhiệt lượng hàm bốc hơi (Qbh):
QD = Qđ + Qbh +4%Qđ= 0,156.10 9 +1,445.10 9 + 4%QD
𝑊 =1,2 kg hơi đốt/kg hơi thứ
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC
Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 )
Theo công thức VI 27, sổ tay tập 2, trang 71:
+ 𝛼 𝑛 : hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch αn= 0,145.P 0,5 (t) 2,33
+ Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ Cn: nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝜇 𝑛 : độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝜇 𝑑𝑑 : độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝜌 𝑑𝑑 : khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝜌 𝑛 : khối lượng riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝑑𝑑 : độ dẫn điện dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
+ 𝑛 : độ dẫn điện nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch
Bảng 3 Các thông số của dung dịch ở các nồng độ
Các thông số của dung dịch:
dd: tra bảng phụ lục
𝜌 𝑛 : tra bảng I.87 sổ tay tập 1 trang 64
𝑑𝑑 : theo công thức (I.32) sổ tay tập 1 trang 123:
Nhiệt tải riêng phía tường (q v )
Theo BT và VD tập 10: qv=
∑ 𝑟 𝑣 tv=tv1-tv2= ∑ 𝑟 𝑣 qv (3) Trong đó:
Với r1: nhiệt trở màng nước, r1 =0,464.10 -3 m 2 0 K/W r2: nhiệt trở lớp cặn, r2= 0,387.10 -3 m 2 0 K/W
: bề dày ống, = (d0-dt)/2 =(38-34)/2= 2mm
: hệ số dẫn nhiệt của ống, = 17,5 m 2 0 K/W (với ống là thép không gỉ)
tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, t= tv1-tv2, 0 K
Tiến trình tính các nhiệt tải riêng
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định: q1=q2= qv (5)
Dùng phương pháp số ta lần lượt tính theo các bước sau:
Bước 1: chọn nồng độ dung dịch, từ đó tra được các thông số bảng 2
Bước 2: chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được t1 theo (5) với tD4 0 C
Bước 4: tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm α2 theo (2)
Bước 5: tính tv theo (3) Tính được tv2 =tv +tv1
Bước 6: tính t2 theo (7) với tsoitb tra ở bảng 2 theo nồng dộ
Bước 7: tính được q2 theo công thức: q2= α2.t2
Bước 8: so sánh sai số giữa q1 và q2, ss= |𝑞 1 −𝑞 2 |
𝑞 1 Đặt giá trị đó là ss:
Nếu ss > 5% thì quay về bước 2 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ t1:
Phép lặp sẽ hội tụ về 0, vì vậy khi số lần lặp tăng lên, các kết quả q1, q2 và qv sẽ đồng thời tiến gần đến một hằng số, đó chính là giá trị cần tìm.
Ở nồng độ 20% Áp suất vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu là 3,1 at, tD = 134 0 C, rD= 2168.10 3 J/kg Chọn tv1 = 128 0 C, có tD = 134 0 C
Tính lặp tương tự với các nồng độ khác, ta được bảng sau:
Bảng 4 Kết quả tính toán truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
∑ 𝑟 𝑣 = 9,65.10 -4 W/m 2 K Tính cho các nồng độ ta được bảng sau:
Bảng 5 Kết quả hệ số truyền nhiệt K
Nồng độ, % Hệ số truyền nhiệt K
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Ta có đồ thị tích phân:
Giải đồ thị tích phân ta được:
Chọn thời gian cô đặc dung dịch từ 20% lên 60% là 60 phút:
3600 ,95 m 2 Tra bảng tiêu chuẩn về bề mặt truyền nhiệt, chọn F m 2
Thời gian của các giai đoạn:
16 = 615 s Thời gian gia nhiệt ban đầu cho dung dịch từ 25 0 C lên nhiệt độ sôi (66,63 0 C):
66,63−25= 294 s Chọn thời gian nhập liệu: 8 phút
Thời gian tháo liệu: 8 phút
Tổng thời gian cho quá trình cô đặc: = 8+8+60+4,9 phút =1,34 giờ
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
Tính toán kích thước buồng đốt
Bố trí ống theo dạng ống chùm lục giác đều có ống tuần hoàn trung tâm, tra bảng V.11 trang 48 [2], chọn n7 ống
Chọn ống tuần hoàn, chọn: Đường kính trong dtr(th) = 273 mm Đường kính ngoài dng(th) = 277 mm
Kiểm tra điều kiện: tiết diện ống tuần hoàn bằng 0,25 – 0,35 tiết diện ngang tất cả ống truyền nhiệt:
5.1.2 Đường kính buồng đốt: 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])
+ dn=0,038 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
+ :Hệ số sử dụng vĩ ống thường có giá trị từ 0,7-0,9, chọn =0,75
+ l=1,5m: chiều dài ống truyền nhiệt
+ Dnth=0,273+2.0,002=0,277m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm
+ α` 0 : góc ở đỉnh của tam giác đều
+ F= 16m 2 : diện tích bề mặt truyền nhiệt
0,75.1,5 + (0,277 + 2.1,4.0,038) 2 =0,717 mq7 mm Theo tiêu chuẩn trang 193 [5], chọn Dđ0mm
Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Ta cần thay thế các ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm theo công thức (III.86 tr202 tài liệu [5])
+ d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
+ m: là số ống trên đường chéo
Tổng số ống trong thiết bị:
Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng theo công thức tr218 [5]
Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:
Số ống truyền nhiệt còn lại:
Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
5.1.3 Tính kích thước đáy của buồng đốt:
Chọn đáy nón tiêu chuẩn có gờ, góc đáy 60 0
Tra bảng XIII.21 tr394 tài liệu [2]: chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón
Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt: Dt 800mm
Với 2 thông số trên ta bảng XIII.21 sổ tay tập 2 tr394, ta có:
Số ống truyền nhiệt là 162 ống có kích thước d là 34/38 mm
Một ống tuần hoàn giữa có đường kính Dth '3 mm Đường kính vỏ buồng đốt Dđ= 800mm
Chiều cao buồng đốt Hđ= 1,5m
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F= 16m 2
Chiều cao đáy nón Hnón= 725mm
Thể tích dung dịch ở đáy Vđ= 0,161m 3
Kích thước buồng bốc
Ta thấy lưu lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu là lớn nhất nên lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc được tính:
+ W: lưu lượng hơi thứ bốc hơi
+ 𝜌 ℎ : khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc ở áp suất P0= 0,258 at𝜌 ℎ =0,1599 kg/m 3 (tra bảng I.251 sổ tay tập 1 tr314 và nội suy)
+ 𝜏 𝑖 : là thời gian gia nhiệt gia đoạn lưu lượng hơi thứ là lớn nhất (giai đoạn 20% - 35%)
Vận tốc hơi trong buồng bốc:
𝐷 𝑏 2 m/s Trong đó: Db: là đường kính buồng bốc, m
Theo công thức 5.14 tr194 tài liệu [5]
+ 𝜌′ 0,39 kg/m 3 : khối lượng riêng của giọt lỏng (tra bảng I.249, tr311 sổ tay 1, tra ở nhiệt độ tsdm trong buồng bốc tsdm= 65,2 0 C
+ 𝜌′′ = 𝜌 ℎ =0,1599 kg/m 3 : khối lượng riêng của hơi
+ d: đường kính nhỏ giọt lỏng, chọn d= 0,0003 m tra bảng tr195 tài liệu [2]
+ : hệ số trở lực, tính theo Re
Với : là độ nhớt của hơi thứ ở áp suất 0,258at, tra theo hình I.35, sổ tay 1 tr117
=0,0125.10 -3 Ns/m 2 theo qt và tbtn tập 5, tr1
𝐷 𝑏 2 < 0,8 √0,4797.4,8.𝐷 11,54 𝑏 1,2 giải bất phương trình ta được:
D b > 1,26 m, theo dãy chuẩn tr194 qt và tbtn tập 5, chọn Db=1,4m
Vậy đường kính buồng bốc D b = 1,4m
Theo công thức VI.34, sổ tay tập 2 tr72, 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 tr71:
+ W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi thiết bị, kg/h
+ h: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất 0,258 at=0,1599 kg/m 3
Cường độ bốc hơi thể tích (Utt) là chỉ số đo lường lượng nước bay hơi trên một đơn vị thể tích không gian trong một khoảng thời gian nhất định.
+ f=1,3: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị VI.3, sổ tay tập 2 tr72)
+ Utt(1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P=1 at, m 3 /m 3 h
Theo sổ tay tập 2 tr72 chọn Utt(1at)00 m 3 /m 3 h
Theo quá trình sôi sủi bọt ta chọn H bb = H kgh = 2,5m
5.2.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc
Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip Hgờ= 40mm
Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc
Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.10 tr382 sổ tay tập 2
Tính kích thước các ống dẫn
+ 𝑉 𝑛𝑙 : lưu lượng nhập liệu dung dịch trong ống
Gđ= 1000 kg/h: khối lượng dung dịch nhập liệu
nl= 8 phút= 480 giây: thời gian nhập liệu ban đầu
đ= 1082,87 kg/m 3 (tra xđ= 20%, bảng I.86 tr58 sổ tay tập 1)
+ = 2m/s: chất lỏng ít nhớt (tr74 sổ tay 2)
+ 𝑉 𝑡𝑙 : lưu lượng tháo liệu dung dịch trong ống
Gc= 333,34 kg/h: khối lượng dung dịch tháo liệu
tl= 8 phút= 480 giây: thời gian tháo liệu ban đầu
c= 1288,73 kg/m 3 (tra xđ= 60%, bảng I.86 tr58 sổ tay tập 1)
+ = 1m/s: chất lỏng nhớt (tr74 sổ tay 2)
5.3.3 Ống dẫn hơi đốt: dđ=√ 4.𝑉 ℎơ𝑖 đố𝑡
𝐷 : lưu lượng hơi đốt cung cấp cho quá trình cô đặc, D= 801,29 kg/h
hơi đốt= 3600+ 294894 giây: thời gian của quá trình cô đặc và gia nhiệt ban đầu
Pđ= 3,1 atD= 1,668kg/m 3 (tra theo bảng I.250 tr312 sổ tay tập 1)
+ = 30m/s (tra sổ tay tập 2 tr74, hơi bão hòa)
5.3.4 Ống dẫn hơi thứ: dhơi thứ=√ 4.𝑉 ℎơ𝑖 𝑡ℎứ
𝜋.20 = 0,3486 m dhơi thứ= 349 mm Trong đó
W : lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu, W= 428,57 kg
1= 1378 giây: thời gian của quá trình cô đặc ở giai đoạn đầu
+ = 20m/s (sổ tay tập 2 tr74, hơi hóa nhiệt)
5.3.5 Ống dẫn nước ngưng: dnước ngưng=√ 4.𝑉 𝑛ướ𝑐 𝑛𝑔ư𝑛𝑔
𝜋.2 = 0,012 m dnước ngưng= 12 mm Trong đó:
Dngưng= D= 801,29 kg/h: lượng nước ngưng
ngưng= 3894 giây: thời gian ngưng
Khối lượng riêng của nước ngưng ở 134 0 C: ngưng= 931,31 kg/m 3
Chọn đường kính ống xả khí không ngưng bằng đường kính ống dẫn nước ngưng
5.3.7 Tổng kết về đường kính các ống dẫn:
Căn cứ theo bảng XIII.26 tr409 sổ tay tập 2, ta có bảng sau:
Bảng 6 Tổng kết các đường kính 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
Tính cho buồng đốt trong
6.1.1 Sơ lược về cấu tạo:
Buồng đốt có đường kính trong Dđốt tr = 800 mm, chiều cao Hđ = 1500 mm
Thân có ba lỗ ứng với ba ống: ống dẫn hơi đốt, ống xả nước ngưng, ống xả khí không ngưng
Vật liệu chế tạo là thép không gỉ mã hiệu X18H10T
Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất 3,1 at, do đó áp suất trong buồng đốt được tính bằng công thức pm = pD - pkq = 3,1 - 1 = 2,1 at, tương đương 0,20601 N/mm² hay 206010 N/m² Áp suất tính toán Pđ được xác định bằng pm cộng với trọng lực, cụ thể là Pđ = pm + ρ.g.h = 206010 + 1082,87 × 9,81 × 1,5 = 221944,43 N/m², hay 0,2219 N/mm².
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 134 0 C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt là: ttt = tD + 20 = 134 + 20 = 154 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:
Tra bảng 2.12, trang 34, [6]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 1,917.10 5 N/mm 2 Xét:
+ φ = 0,95 – hệ số bền mối hàn (bảng 1-8, trang 19, [6], hàn 1 phía)
+ Dđốt tr = 800 mm – đường kính trong của buồng đốt
+ Pđ= 0,2219 N/mm 2 – áp suất tính toán của buồng đốt
Dđốt tr = 800mm ⇒ Smin = 3 mm > 0,713 mm ⇒ chọn S’ = Smin = 3mm (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 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, trang
Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,2mm
Bề dày thực là: S = S’ + C = 3 + 1,22 = 4,22 mm
Kiểm tra bề dày buồng đốt: Áp dụng công thức 5-9, trang 96, [6]:
800 = 0,005< 0,1 (thỏa) Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
Vậy bề dày buồng đốt là 5mm
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 √𝐷 3 𝑡 (𝑆 − 𝐶 𝑎 ) (1 − 𝑘) ; mm
+ Dđốt tr = 800 mm – đường kính trong của buồng đốt
+ S = 5 mm – bề dày của buồng đốt
+ k – hệ số bền của lỗ k = 𝑃 𝑡 𝐷 𝑡
So sánh: Ống dẫn hơi đốt dt = 80 mm > d max
Vậy cần tăng cứng cho lỗ của ống dẫn hơi đốt Ống xả nước ngưng dt = 15 mm 10 4 Ống thép chọn độ nhám là = 0,2 mm
Vậy Re> Ren nên theo [2]: = 0,11.( 𝜀
+ Chọn ống có các kích thước đặc trưng giống ống hút thì d= 0,04m, = 0,2mm + L2: chiều dài ống đẩy, l2= 5m
+ ∑ : tổng hệ số trở lực đầu đẩy, chọn đầu đẩy có 1 khuỷu 90 0 thì ∑= 0,9
+ 2: vận tốc nước trong ống đẩy, 2=1= 1,59 m/s
+ : hệ số ma sát trên đường ống do các yếu không đổi nên = 0,029
Chọn bơm theo bảng 1.7 tr35 tài liệu [4], ta có:
Số vòng: 48,3 Động cơ điện: loại A02-31-2
7.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ:
Theo phương trình Bernoulli công thức 1.1 vd và bt tập 10
+ Ho: chiều cao hình học để hút dịch ra
+ p1, p2: áp suất ở đầu hút và đầu đẩy, p1= 1at, p2=pc= 0,25 at
+ H: cột áp khắc phục trở lực trên đường ống hút và đẩy
Trong đó: hhút, hđẩy: trở lực trên đường ống hút và đẩy
+ d: đường kính ống hút, chọn d= 0,1 m
+ 1: vận tốc nước trong ống hút; 1= 4.𝑄
+ l1: chiều dài của ống hút, chọn l1= 2m
+ ∑ : tổng hệ số trở lực đầu hút, chọn đầu nút có van và lưới lọc thì ∑= 7 + : khối lượng riêng của nước, = 997 kg/m 3
+ : độ nhớt của nước ở nhiệt độ vào 25 0 C, = 0,8937.10 -3 Ns/m 2
+ : hệ số trở lực do ma sát khi chảy trong ống, = f(Re)
𝜇 = 997.0,39.0,10,8937.10 −3 = 43507,9 >10 4 Ống thép chọn độ nhám là = 0,2 mm
0,2) 9/8 = 239201,5 Vậy Regh
