Tailieuxanh Do An Thiet Ke He Thong Co Dac Duong 5122 [PDF]

Zitiervorschau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 8000Kg/h GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN SVTH: NGUYỄN THỊ NHƯ NGỌC MSSV: 2005140345 MAI THANH PHÚC MSSV: 2005140414 LỚP:

05DHTP1

TP.HCM, tháng 12 năm 2017

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

2

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... 6 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................................7 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.......................................................................8 LỜI MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG.................................................10 1.

Giới thiệu chung...................................................................................................10

2.

Nguyên liệu và sản phẩm......................................................................................10

3.

4.

2.1.

Đặc điểm nguyên liệu...................................................................................10

2.2.

Đặc điểm sản phẩm......................................................................................11

2.3.

Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm..........................................................11

2.4.

Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm.................................................................12

Cô đặc và quá trình cô đặc...................................................................................12 3.1.

Định nghĩa cô đặc.........................................................................................12

3.2.

Bản chất của sự cô đặc.................................................................................12

3.3.

Ứng dụng của cô đặc....................................................................................12

3.4.

Các phương pháp cô đặc..............................................................................13

3.5.

Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc:...............................................13

Các thiết bị cô đặc................................................................................................13 4.1.

Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt)..............13

4.2.

Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm.....................................15

4.3.

Các thiết bị và chi tiết...................................................................................15

4.4.

Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng..........................................................16

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC................................17 1.

Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục..............................................................................17 1.1.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc.......................................................17

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

3

2.

1.2.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet.....................................18

1.3.

Hoạt động của hệ thống................................................................................19

Thao tác vận hành................................................................................................20 2.1.

Chuẩn bị.......................................................................................................20

2.2.

Vận hành.......................................................................................................20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH..........................................21 1.

2.

3.

4.

5.

Cân bằng vật chất và năng lượng.........................................................................21 1.1.

Dữ kiện ban đầu............................................................................................21

1.2.

Cân bằng vật chất.........................................................................................21

1.3.

Tổn thất nhiệt độ...........................................................................................21

1.4.

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆ ’).........................................................22

1.5.

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)..................................................23

Cân bằng năng lượng...........................................................................................26 2.1.

Cân bằng nhiệt lượng...................................................................................26

2.2.

Phương trình cân bằng nhiệt........................................................................27

Thiết kế thiết bị chính...........................................................................................30 3.1.

Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc.....................................................30

3.2.

Nhiệt tải phía tường (qv)...............................................................................34

3.3.

Tiến trình tính các nhiệt tải riêng.................................................................35

3.4.

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc....................................36

3.5.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt........................................................................37

Tính kích thước của thiết bị cô đặc.......................................................................37 4.1.

Tính kích thước buồng đốt............................................................................37

4.2.

Tính kích thước buồng bốc............................................................................40

4.3.

Tính kích thước các ống dẫn.........................................................................44

4.4.

Tổng kết về đường kính.................................................................................45

Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc.......................................................................46

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

4

6.

5.1.

Tính cho buồng đốt.......................................................................................46

5.2.

Tính cho buồng bốc......................................................................................48

5.3.

Tính cho đáy thiết bị.....................................................................................53

5.4.

Tính cho nắp thiết bị.....................................................................................58

5.5.

Tính mặt bích................................................................................................60

5.6.

Tính vỉ ống....................................................................................................62

5.7.

Khối lượng và trai treo.................................................................................64

Tính toán thiết bị phụ............................................................................................69 6.1.

Thiết bị truyền nhiệt......................................................................................69

6.2.

Tính thiết bị ngưng tụ baromet.....................................................................75

7.

Bồn cao vị.............................................................................................................83

8.

Bơm...................................................................................................................... 85 8.1.

Bơm chân không...........................................................................................85

8.2.

Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ.............................................................87

8.3.

Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị................................................89

8.4.

Bơm tháo liệu................................................................................................91

TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH................................................................................................95 KẾT LUẬN....................................................................................................................... 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................97

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

5

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Hóa học của trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án. Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Quyền, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất. Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ án sau này ạ. Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình. Kính chúc Thầy Nguyễn Hữu Quyền luôn có sức khỏe tốt, đạt được nhiều thành công trong công việc và cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

6

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV:2005140345 Lớp:05DHTP1 Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc

MSSV: 2005140414 Lớp: 05DHTP1

Nhận xét: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................

Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ: TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2017

Giáo viên hướng dẫn (ký và ghi họ tên)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

7

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV: 2005140345 Lớp: 05DHTP1 Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc

MSSV: 2005140414

Lớp: 05DHTP1

Nhận xét: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ: TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2017

Giáo viên phản biện (ký và ghi họ tên)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

8

LỜI MỞ ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng. Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000 kg/h”. Với: + Năng suất nhập liệu 8000kg/h + Nồng độ nhập liệu: 18 % khối lượng + Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng + Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at + Nguồn nhiệt là hơi bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1.5 ati -

Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.

-

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (tự chọn). Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên

đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy Cô và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn. Chúng em chân thành cảm ơn.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG

1. 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. Như đã biết, ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời và ngày càng phát triển ở nước ta. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa... Đồng thời tạo ra phế liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, sản xuất gỗ ép.... Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các nhà máy đường với quy mô lớn nhỏ mọc lên ở nhiều địa phương như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, …. Tuy nhiên nó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía. Ngoài ra, vấn đề cung cấp mía nguyên liệu, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất. Bên cạnh đó, cây mía lại có đặc tính là độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời... Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao và đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường 2. Nguyên liệu và sản phẩm 2.1. Đặc điểm nguyên liệu GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

10

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:  Dung môi: nước.  Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như 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. 2.2. Đặc điểm sản phẩm Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:  Dung môi: nước.  Các chất hoà tan: có nồng độ cao. 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 là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid. Đóng cặn dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hoà tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa. Phân hủy chất cô đặc.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

11

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. 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. 3. Cô đặc và quá trình cô đặc 3.1. Định nghĩa cô đặc Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các quá trình vật lý – hóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh. 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. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc. 3.3. Ứng dụng của cô đặc GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

12

 Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây...  Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối vô cơ.... Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. 3.4. Các phương pháp cô đặc  Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.  Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh. 3.5. Đánh giá khả năng phát triển cùa sự cô đặc: Hiện nay phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. 4. Các thiết bị cô đặc 4.1. Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt) 4.1.1. Theo cấu tạo GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

13

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. 4.1.2. Theo phương thức thực hiện quá trình  Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.  Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.  Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

14

hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế.  Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy. Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư. 4.2. Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Mục đích: -

Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy. Ưu điểm:

-

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. Nhược điểm:

-

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.

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.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

15

+ 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 phụ: + Bể chứa nguyên liệu + Bể chứa sản phẩm + Bồn cao vị +Lưu lượng kế + Thiết bị gia nhiệt + Thiết bị ngưng tụ baromet. + Bơm nguyên liệu và bồn cao vị. + Bơm tháo liệu. + Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ. + Bơm chân không. + Các van. + Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất... 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  Phân bố hơi đều.  Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.  Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.  Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất. GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

16

 Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC 1. Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục 1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc Dung dịch từ bể chứa nguyên liê ̣u được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiê ̣t sơ bô ̣ và được đun nóng đến nhiê ̣t đô ̣ sôi. Thiết bị gia nhiê ̣t sơ bô ̣ là thiết bị trao đổi nhiê ̣t dạng ống chùm: thân hình trụ, đă ̣t đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chă ̣t trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mă ̣t ngoài của ống và cấp nhiê ̣t cho dung dịch để nâng nhiê ̣t đô ̣ của dung dịch lên nhiê ̣t đô ̣ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiê ̣t sẽ chảy vào thiết bị cô đă ̣c để thực hiê ̣n quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài. Nguyên lý hoạt động của nồi cô đặc Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển dộng trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

17

xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài. Nguyên lý hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị; từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng. Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng. Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu. Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

18

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 nhiệm vụ hút không ngưng ra ngoài đế tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc. 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: + Hơi nước (chủ yếu) + Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất. Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng). Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn 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. 1.3. Hoạt động của hệ thống 1.3.1. Nhập liệu: Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300oC được đun nóng đến nhiệt độ cận sôi và đưa vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

19

Ban đầu nhập đủ 2,5 m3 thì tiến hành cô đặc, nguyên liệu vẫn tiếp tục nhập vào đề bù lượng hơi thứ bốc lên cho đến khi đủ thể tích nguyên liệu cho 1 mẻ thì chấm dứt nhập liệu. Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình gia nhiệt cho 2,5 m3 nguyên liệu của mẻ sau. 1.3.2. Quá trình cô đặc: Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m3, quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra. Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 at. Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài. 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. Thao tác vận hành 2.1. Chuẩn bị  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.  Tắt bơm 2.2. Vận hành  Khởi động bơm chân không cho hệ thống đạt điều kiện chân không( khi lần đầu hoạt động). Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên. Đợi cho đến khi quá trình ổn định.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

20



Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết

bị cô đặc. Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì 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, sẵn

sàng ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra. 

Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt.



Ngưng cấp 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.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 1. Cân bằng vật chất và năng lượng 1.1. Dữ kiện ban đầu Dung tích đường mía  Nồng độ nhập liệu xđ = 18% (khối lượng)  Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng)  Năng suất nhập liệu Gc = 8 tấn/h = 8000 kg/h  Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,74 at 

Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,74 = 0,26 at.

 Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1,5 ati. Vậy Pdư = 1,5at 

Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,5 = 2,5 at.

 Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

21

1.2. Cân bằng vật chất Suất lượng tháo liệu (Gc) Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có: Gđ.xđ = Gc.xc  Gc =

G đ . x đ 8000.18 kg = =3600 xc 40 h

( )

Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có: Gđ = G c + W  W = Gđ – Gc = 8000 – 3600 = 4400 (kg/h) 1.3. Tổn thất nhiệt độ -

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c= 0,26 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất tuyệt đối (at)

Nhiệt độ sôi (0C)

0,2 0,3

59,7 68,7

 Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 64,950C. -

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296 [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)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

22

 tsdm( P0) = 64,95 +1 =65,950C Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có: Nhiệt độ (0C) 65 70

Áp suất (at) 0,2550 0,3177

Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,950C P0 = 0,266 at 1.4. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆ ’) Theo công thức 5.3, trang 184, [5], ta có: ∆ ’= f . ∆ 0’

[0C]

Trong đó: ∆ ’: 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.

T2 r

Với T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]. 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: Áp suất(at) 0,2 0,3

R 2358 2336

Tại P0 = 0,266at. Ta nội suy được: r = 2343,46 (J/Kg)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

23

(65,95+273)2 → f =16,14 × =0,7913 2343,46× 1000

Với nồng độ cuối của dung dịch là 40% thì ∆ 0’=1,3 ( vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆ ’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch - Tra theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] ). ∆ ’= f.∆ 0’= 0,7613.1,3 = 1,029

Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (∆ ’ ) là 1,0290C.  tsdd(po)= tsdm(po) +∆’=65,95+ 1,029= 66,980C 1.5. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) 1 2

∆p= × ρ s × g ×Hop N/m2 Trong đó: ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m3 ρs=0,5. ρdd ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3 Chọn tsdd. (p0+∆p) = 68oC, C% = xc = 40%, ta có ρdd = 1178,53 kg/m3( trang 60 [1])  ρs=0,5. 1178,53 = 589,265  Hop= [0,26+ 0,0014. ( pdd+ ρdm)]. ho Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2]) ρdm - khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 660C

Tra bảng I.249 trang 311, [1], ρdm= 978,34 kg/m3 Hop= [0,26+ 0,0014. ( 1178,53  978,34)]. 1,5 = 0,810 m 1 2

∆p = . 589,265. 9,81.

0,810 = 0,0239N/m2 9,81.10 4

 ptb=p0+ ∆p= 0,266+ 0,0239= 0,2899 at Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất (at) 0,2 GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN 0,3

Tsdm 59,7 68,7

24

Tại ptb=0,2899. Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) 67,730C Ta có: ∆’’ = tsdm(p0+∆p)  tsdm(p0) = 67,73 65,95 = 1,760C ∆’’= tsdd(p0+∆p)  tsdd(p0)  tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 66,98 + 1,76 = 68,740C Sai số chấp nhận. Vậy tsdd(ppt) = 660C Sản phẩm lấy ra ở tại đáy  tsdd(p0+2∆p) = 66,98+ 2.1,029 = 69,0380C Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 1,029 +1,76 +1 = 3,780C Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2,5at, t D = 126,070C (bảng I.251, trang 315, [1]). Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ)  Δthi = 126,07 – 64,95 – 3,789 = 56,330C Bảng 1. Tóm tắt cân bằng vật chất Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ đầu

xđ

%wt

18

Nồng độ cuối

xc

%wt

40

Năng suất nhập liệu

Gđ

kg/h

8000

Năng suất tháo liệu

Gc

kg/h

3600

Suất lượng

HƠI THỨ W kg/h

4400

Áp suất

Po

0,266

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

at

25

Nhiệt độ

tsdm(po)

oC

65,95

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rw

kJ/kg

2343,46

Áp suất

pD

Nhiệt độ

tD

HƠI ĐỐT At o

2,5

C

126,07

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ o Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd(po) C

66,98

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Δ’

o

C

1,029

Áp suất trung bình

Ptb

At

0,2899

Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb

tsdm(ptb)

o

C

67,73

Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh

Δ’’

o

C

1,76

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb

tsdd(ptb)

o

C

68,74

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

Δ’’’

o

C

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

ΣΔ

o

C

3,789

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Δthi

o

C

56,33

2. Cân bằng năng lượng 2.1. Cân bằng nhiệt lượng Dòng nhiệt vào (W):   

Do dung dịch đầu Gđcđtđ " Do hơi đốt D i D Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

φDctD

Dòng nhiệt ra (W): 

Do sản phẩm mang ra

   

Do hơi thứ mang ra W i W Do nước ngưng Dcθ Nhiệt cô đặc Qcđ Nhiệt tổn thất Qtt

Gccctc "

Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% trước và sau khi qua thiết bị gia nhiệt:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

26

 tvào = 300C  tra = tsdd(po) = 66,980C  Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 66,980C  Nhiệt độ của dung dịch đường mía 40% đi ra đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2. ∆’’ = 6698 + 2. 1,029 = 69,0380C (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  xđ= 18%, tđ= 300C  Cđ= 4190 – ( 2514 – 7,542.30).0,18=3778,207 J/kg. độ  xc= 40%, tđ= 69,0380C  Cc= 4190 – ( 2514 – 7,542.69,038).0,4=3392,67 J/kg. độ 2.2. Phương trình cân bằng nhiệt  Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc QD 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:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

27

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 (QS) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57: Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ) (2) Trong đó: Gđ = 8000 kg/h. 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: C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ  Ở t = 30oC, x = 18% thì: C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,18 

C1 = 3778,207 J/kg.độ.

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 20%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang 60 [2] ∆ '0=0,2 ∆ ' =f . ∆'0=0,7913.0,2=0,158 0C

Mà ∆ ' =t sdd −t sdm (tại áp suất P0) t sdd =∆' + t sdm=0,158+65,95=66,108 0C

 Ở t = 66,1080C, x = 40% thì: C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 66,108).0,4  C2 = 3383,83 J/kg.độ  Ctb =

C1 +C 2 3778,207+3383,83 = = 3581,02 J/kg. độ 2 2

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

28

Thay tất cả vào (2) ta được:  Qđ = 1,034. 109 (J/h)

(3)

Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57: Qbh = W. r = 4400. 2243,46.103 = 1,031.1010 (J/h)

(4)

Trong đó: 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) 0,2 0,3

r. 10-3 (J/kg) 2358 2336

Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2234,46. 10-3 (J/kg). Nhiệt lượng dùng để khử nước (QKN) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức VI-4, trang 57: Q kn =Q đht −Q cht

Trong đó: Q đht : 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 cht : 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 (Qtt) Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295: Chọn Qtt = 4%. QD (6) Thay (3), (4), (5) và (6) vào (1), ta có:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

29

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt QD = 1,034.109 + 1,031.1010 + 4%. QD  (1 – 0,004). QD = 1,1344.1010  QD = 1,365.1010 (J/h) = 3282500 (J/s) Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 3282500 J/s  Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc Theo công thức 4.5a, trang 182 [3] Q D=D . ( 1−φ ) .(i 'D' −cθ), W

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]). Ta có QD = 3282500 (J/s) : 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. D=

QD 37328250091666,67 = =1,578 (kg/s) ( 1−φ ) .r ( 1−0,004 ) .2189,42.103

 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 1,578 kg h ơi đ ốt = =1,26 W 1,222 kg h ơi thứ

(

)

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,26 (kg hơi đốt/kg hơi thứ) Thông số Nhiệt độ vào buồng bốc

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

Ký hiệu Tđ

Đơn vị

Giá trị

0

66,98

C

30

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

Tc

0

C

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 tổn thất

Qtt

W

131300

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 3. 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 nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), 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 .

(

r H .∆ t1

0,25

)

, W/(m2.K)

Trong đó: α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2.K). r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at, r = 2189,42.10 3 J/kg (tra bảng I.251 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

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

31

t m=

t D +t V 1 2

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 = 1210C  t m=

126,07+121 = 2

123,540C Tra A ở [2] trang 28: tm, 0C

100

120

140

A

179

188

194

 A = 189,05 ∆t1 = tD – tv1 = 126,07 – 121 = 5,070C 2189420  α 1=2,04.189,54 1,5.5,07

(

0,25

)

=8956,50 W/(m2.K)

(1)

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: q1 = α1.Δt1 = 8956,50.5,07= 45409,47 W/m2. 3.1.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch. Theo công thức VI.27, trang 71 [2] 0,565

Pdd 2 C dd μ . . . n Pn Cn μ dd

( ) [ ( ) ( ) ( )]

❑ α 2=α n . dd ❑n

0,435

W/(m2.K)

(2)

Trong đó:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

32

α n: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, trang 26 [2] α n=0,145. ∆ t 2,33 . P0,5 W/m2.độ

()

Với: + P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2). Có P = 0,266 at = 26952,45N/m2. + ∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, 0C. Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), J/(kg.K) Cdm: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb), J/(kg.K) µdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb), N.s/m2 µdm: độ nhớt của nước ở tsdm(ptb), N.s/m2 ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb), kg/m3 ρdm: khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb), kg/m3 λdd: hệ số dẫn điện của dung dịch ở tsdd(ptb), W/(m.K) λdm: hệ số dẫn điện của nước ở tsdm(ptb), W/(m.K). Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314. [1] Nồng độ

ρdm

Cdm

µdm

λdm

40%

979,99

4183,76

0,427

0,644

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] µdd: tra bảng 9, trang 16, [8] Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch đường GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

33

C= 4190 – ( 2514 – 7,542t). x ; J/kg.độ Trong đó: + t: nhiệt độ của dung dịch, 0C + x: nồng độ của dung dịch, % ( công thức I.50, Sổ tay tập 1, trang 153) [1])  Ở tsdd(ptb) = 68,740C, xc= 40% : Cdd= 4190 – (2514 – 7,542. 68,74). 0,4= 3390,58 J/(kg.K)  λdd: Theo công thức I.32 Sổ tay tập 1, trang 123 [1] λ dd= A . Cdd . ρdd .

√ 3

ρ dd W /m. K M dd

Trong đó: + A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết, A = 3,58.10-8 + 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)

xc 0,4 M ( C 12 H 22O 11) 342 a= = 0,4 1−0,4 = 0,034 xc 1−xc + + 342 18 M (C 12 H 22O 11) M H 2O

 M = 0,034.342 + (1 – 0,034).18 = 29,02 kg/kmol

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

34

λ dd=3,58. 10(−8 ) .3390,58 . 1179,4.

√ 3

1179,4 ¿ 0,536 W /m . K 29,02

Nồng độ

ρdd

Cdd

µdd

λdd

40%

1179,4

3392,67

1,6831

0,536

Thay các số vào (2) 0,536 α 2=α n . 0,644

(

0,565

1179,4 2 3392,67 0,427 . . . 979,99 4183,76 1,6831

) [(

 α2 = 0,532 αn.

)(

)(

0,435

)]

(3)

3.2. Nhiệt tải phía tường (qv) Theo Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104: q v=

t v1 −t v2 ∆ t v =t v −t v =∑ r v . qv ∑rv 1

2

(4)

Trong đó + ∑rv : Tổng trở vách, m2.K/W ∑ r v =r 1 + ❑ +r 2 λ

Với: + r1: nhiệt trở màng nước, m2.K/W. + r2: nhiệt trở lớp cặn bẩn dày 0,5 mm, m2.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, 0C. Tra ở bảng 31, Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 419, ta có: GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

35

r1 = 0,2329.10-3 m2.K/W r2 = 0,5736.10-3 m2.K/W 2.10−3 −3 +0,5736. 10  ∑ r v =0,2329. 10 + 16,3 −3



∑ r v=0,8932. 10−3 m2 . độ/W

−3  (4)  tv = t v −t v =0,9292. 10 . qv 1

2

(5)

3.3. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì: q1 = q2 = qv ∆t1 = tD –t v

(6) 1

(7)

∆tv = t v −t v

(8)

1

2

∆t2 = t v −t tbsoi (9) (t tbsoi=t sdd = 68,740C) 2

Chọn t v = 121 0C , có tD = 126,070C 1

Từ (7)  ∆t1 = 126,07– 121 = 5,070C Ta có: q1 = qv = 45409,47 W/m2 Từ (5)  ∆tv = 0,8932 .10−3. 45409,47 = 40,560C Từ (8)  40,56= 121 – t v 

2

t v = 80,44 0C 2

Từ (9)  ∆t2 = 80,44 – 68,74 = 11,7 0C Ta có: αn = 0,145. ∆t2,33. P0,5( theo ) Mà ∆t = t v – tsdm = 10,81 0C 2

Từ (3)  α2 = 0,532. αn = 0,532.0,145.(11,7)2,33.( 26952,45)0,5 GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

36

= 3903,48(W/m2.K).  q2 = α2. ∆t2 = 3903,48.11,7= 45670,70 W/m2 So sánh sai số giữa q1 và q2 Ta thấy: q2−q1 45670,70−45409,47 .100 %= .100 %=0,572% α2 nên lấy d = dt = 25 mm) l= Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt F= 80 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt.  chọn n = 721 ống 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]: D th =

√

4. f t π

Chọn ft = 0,3 FD F D=

π . d 2n . n 4

 f t=0,3.

π . 0,0292 .721 = 0,143 4

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

38

 Dth =

√

4.0,143 = 0,378 m = 378 mm π

Theo tiêu chuẩn trang 274, [5] chọn Dth = 400 mm Kiểm tra:

D th 400 = = 16 > 10 (thỏa) dt 25

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]: 0,4. β 2 . d n . sinα . F 0,4.1,4 2 .0,029 .sin 60.80 2 = +(0,406+2.1,4 .0,029)2 = Dt = +(D th + 2. β . d n) 0,8.1,5 ѱ .l

√

√

1,383 = 1383 mm

Trong đó: 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 = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều F = 80 m2: 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] D d =s . ( m−1 )+ 4. d 0

 m=

D d −4. d 0 1400−4.29 + 1= +1 = 32,63 s 40,6

Trong đó:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

39

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 3 3 n= . ( m2 −1 ) +1= . ( 332−1 ) +1=817 ống 4 4

Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng, theo công thức trang 218, [5] '

Dth =s . ( m −1 ) +4. d 0

m= '

d th −4. d 0 400−4.29 +1= + 1=9,7 s 32,63

Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm. Chọn m ’ = 11 theo trang 48, [2]. 3 3 n' = . ( m ' 2−1 ) +1= . ( 112 −1 ) +1=91 ống 4 4

Tổng số ống lắp đầy toàn bộ vỏ thiết bị

∑ n=n+ n' '  n=∑ n−n =817−91=726 ống: số ống truyền nhiệt còn lại Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt F=π . H d ( n. d t + d th ) =π .1,5 . ( 726.0,025+0,4 )=¿ 87,37 > 80 (thỏa)

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: Dt = 1400 mm. Với 2 thông số trên, tra bảng XIII.21, Sổ tay tập 2, trang 394, ta có: Hnón = 1269 mm Ft = 3,485 m2 : bề mặt trong GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

40

Vđ = 0,832 m3 : thể tích đáy. Tổng kết      

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= 80m2 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 V hoi =

W 4400 = =7,41 m 3 / s ρ h 3600.0,1649

Trong đó: 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: P (at) 0,2 0,3  Nội suy ta được ρh = 0,1649 kg/m3

ρ (kg/m3) 0,1283 0,1876

Vận tốc hơi Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc: ω h=

V hơi π . Db 4

2

=

7,14 . 4 9,44 = m/ s π . D b 2 D b2

Trong đó: Db là đường kính buồng bốc (m) Vận tốc lắng GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

41

Theo công thức 5.14, trang 292, [5]: ω 0=

√

4. g . ( ρ' − ρ'' ) . d 3. ξ . ρ' '

=

√

4. 9,81. ( 979,99−0,1127 ) . 0,0003 11,53 = m/s 3. ξ . 0,1127 0,4947 . ξ

√

Trong đó: ρ’= 979,99 kg/ m3: khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m 3 (tra bảng I.249, trang 311[1]: tra ở nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc tsdm = 65,950C) ρ”= ρh = 0,1127 kg/m3 : khối lượng riêng của hơi d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m tra trang 276 [5] g = 9,81m/s2: gia tốc trọng trường ξ: hệ số trở lực, tính theo Re ℜ=

ωhơi . d . ρ' ' 9,41 0,0003.0,1127 25,43 = 2. = μ D b 0,01251. 10−3 D b2

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  µ = 0,01251. 10-3 N.s/m2 Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 274: Nếu 0,2 < Re < 500 thì ξ= ξ=

18,5 25,43 D b2

( )

0,6

18,5 ℜ0,6

=2,664. Db1,2

ωhơi không quá 70-80% ωo, chọn: ωhơi < 80% ωo 9,44 11,53 Pt = 0,152N/mm2 1400+(6−1)

Vậy bề dày buồng đốt là 6mm  Đường kính ngoài của buồng đốt Dn = Dt + 2S = 1400 + 2.6 = 1412 mm Tính bền cho các lỗ: Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (công thức 8-2, trang 162, [6]):

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

48

3

dmax =3,7. √ Dt . ( S−C a ) .(1−k) ; mm Trong đó: Dt = 1400 mm – đường kính trong của buồng đốt S = 6 mm – bề dày của buồng đốt k – hệ số bền của lỗ k=

Pt . D t

( 2,3. [ σ ] −Pt ) . ( S−C a )

=

0,152. 1400 = 0,164 ( 2,3.113,05−0,152 ) .(6−1)

 dmax =3,7. √3 1400.113,05. ( 6−1 ) .(1−0,164) = 322,4 mm So sánh: Ống dẫn hơi đốt dt = 200 mm < d max Ống xả nước ngưng dt = 70 mm 10000

⇒ Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống (Re > 10000):

Nu=0,021. ε.Re0,8 .Pr 0 ,43 .

Pr Pr w

0 ,25

( )

l 1000 ⇒ = =40 ⇒ ε=1 , 02 d 25 Chọn l = 1 m 0,8

Nu=0,021.1,02.29314 ,97 .6,929 ⇒ α2=

0,43

6,929 . 6,627

0 ,25

( )

=186,56

Nu . λ 186 , 56. 0 , 5047 = =3766 , 27 d 0, 025 W/(m2.K)

tv2 = 80,19 ∆ t2 = tv2 – tc = 80,19 – 68 = 12,19

⇒q 2 =α 2 . Δt 2 =3766 , 27 .12 , 19=45910 , 83 W/m2 6.1.3. Nhiệt tải riêng phía tường – Công thức tính: q v=

Δt v

∑ rv

; W/m2

Trong đó: + ∑ r v – tổng trở vách; m2.K/W

δ

∑ r v=r1+ λ +r 2

=

0 ,2329.10−3 +

0 ,002 +0 , 5736 .10−3 =0 ,9293 . 10−3 16 , 3 m2.K/W

Với: + r1 = 0,2329.10–3 m2.K/W – nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

73

+ r2 = 0,5736.10–3 m2.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 = qv . ∑ r v

=46613,4.0,9293.10–3 = 43,32 oC.

– Sai số tương đối của q2 so với q1:

δq=

δ

q=

q 2−q1 |45910 ,83−46613 , 4| = . 100 %=1,5 % q1 46613 , 4

δ q ¿ 5% nên sai số được chấp nhận (các thông số đã chọn phù hợp)

– Nhiệt tải riêng trung bình: q tb =

q1 + q2 46613 , 4+ 45910 , 83 = =46262 ,115 2 2 W/m2

6.1.4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt Dòng nhiệt vào ( W):

G đ c đ t1'

– Do dung dịch đầu ở 30 oC – Do hơi đốt – Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

DiD"

 Dct D

Dòng nhiệt ra (W): – Do sản phẩm mang ra

G c cc t1"

– Do nước ngưng

Dc

– Nhiệt tổn thất

Qtt

Nhiệt độ của dung dịch mía đường trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

74

 t vào = 30oC  t ra = 66,98oC Phương trình cân bằng nhiệt:

Gđ . c đ .t '1 +D .i''D +ϕ . D. c . t D =Gc . c c . t ''1 +D . c .θ +Qtt 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 chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì i’’D −¿c = 2189,42 kJ/kg (ẩn nhiệt của hơi nước ngưng tụ của hơi đốt) (bảng I.251, trang 315, [1]). ''

'

''

D.(1−ϕ ).(i D −c .θ )+G đ . c đ .t 1 =G c .c c . t1 +Q tt

Thay Qtt = ε .QD = 0,04.QD = 0,04. 3282500 = 131300 W và Gđ = Gc = G ''

''

'

QD =D .(1−ε ).(1−ϕ ).(iD −c .θ )=G .(c c .t 1 −c đ .t 1 )

Lượng hơi đốt biểu kiến: Q

3282500

D = =1,578 (kg/s)  D= ( 1−φ ) .r ( 1−0,05 ) .2189,42 .103

– Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: QD = D.(1− ε ).(1 − φ ).( i’’D − c) = 1,578.(1 − 0,04).(1 – 0,05).2189420 = 3150873,141 W – Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F=

Q D 3150873,141 = =68 ,109 q tb 46262, 115

m2

Chọn F = 80 m2 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]: GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

75

n=

F π .d.l

Trong đó: + F = 80 m2 – 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 là:

n=

80 =1019,108 π .0, 025 .1

– Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 1027 và 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, [2]: D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó: + 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= lục giác.

√

4 4 . 9 n−1)+1= .(1027−1 )+1=37 3 3 – số ống trên đường xuyên tâm của

√

⇒ D = 0,0406.(37 – 1) + 4.0,029 = 1,5776 m – Thể tích bình gia nhiệt

D2 1 , 57762 V =π . .l=π . 1=1 ,954 4 4 6.2.

m3

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: GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

76

+ Hơi nước (chủ yếu) + Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng -

Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất.

-

Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng).

-

Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn 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: G n=

W . ( i−C n . t 2c ) C n . ( t 2 c −t 2d )

(kg /s)

Trong đó: Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s. W: lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s. W=

4400 =1,222 kg/ s 3600

i: nhiệt dung riêng của hơi nước (bảng I.251, trang 314, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1), I = 2621,4 KJ/kg. t 2 c , t 2 d : nhiê ̣t đô ̣ đầu, cuối của nước làm nguô ̣i, lấy t 2 d= 30oC. t 2 c= t c −10=69,038−10=59,038oC. t ng: nhiê ̣t đô ̣ hơi bão hòa ngưng tụ, oC. GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

77

C n: nhiê ̣t dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiê ̣t đô ̣ trung bình, kJ/kg.k.

(trang 311 [1]). C n=4,190 G n=

kJ kg . k

W . ( i−C n . t 2c ) C n . ( t 2 c −t 2d )

=

1,222. ( 2621,4−4,190.59,038 ) =23,84( kg/s ) 4,190. ( 59,038−30 )

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: G kk =25.10−6 . ( G n +W ) +0,01.W =25. 10−6 . ( 23,84+1,222 ) +0,01.1,222=0,013(

kg ) s

Trong đó: Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s. W : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s. Đổi với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức VI.50 Sổ tay tập 2, trang 84: tkk= t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 30 + 4 + 0,1.(59,038 – 30) = 36,9oC Tra giản đồ không khí ẩm : png = 0,26at = 2634450 N/m2: áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ. ph = 0,0702at : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ t kk (tra ở Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, 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: V kk =

288. Gkk .(273+t kk ) 288.0,013.(273+ 36,9) = =0,0623 m3 / s 4 png− ph ( 0,26−0,0702 ) .9,81. 10

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:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

78

D tr =1,383.

√

W ρ h . ωh

Trong đó: 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/m3. Vâ ̣y: D tr =1,383.

√

W 1,222 =1,383. =0,602( m) ρ h . ωh 0,1612.40

√

 Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là 800 mm. Kích thước tấm ngăn 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=

Dtr 800 + 50 = + 50 = 450 mm 2 2

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: P=

t 2 c −t 2 d 59,038−30 = =0,831 t bh−t 2 d 64,95−30

Tra bảng VI.7 trang 86, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 với d=2mm và P=0,774, suy ra:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

79

-

Số ngăn là n= 8 Số bậc là n= 4 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 : HTB ngưng tụ = 400.7 + 1300 + 1200 + 50 + 125 + 175 = 5650mm = 5,65m Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ t tb =

Nhiệt độ trung bình

t 2 đ + t 2 c 30+ 59,038 = =44,519 2 2

: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 44,5190C.  n = 990,39 kg/m3  Vn =

Gn 23,84 = =0,0241m3 /s ρn 990,39

Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet. Theo bảng VI.8 trang 88 [2]. Ký hiệu các kích thước Đường kính trong của thiết bị Chiều dày của thành thiết bị Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến nắp thiết bị Bề rộng của tấm ngăn GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

Ký hiệu Dtr S A P B

Kích thước 800 5 1300 1200 500 80

Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi Chiều cao của hệ thống thiết bị Chiều rộng của hệ thống thiết bị Đường kính của thiết bị thu hồi Chiều cao của thiết bị thu hồi Đường kính của thiết bị thu hồi Chiều cao của thiết bị thu hồi Khoảng cách giữa các ngăn

Đường kính cửa ra và vào Hơi vào Nước vào Hổn hợp khí và hơi ra Nối với ống Baromet Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet Ống thông khí Đường kính trong ống Baromet (d)

K1 K2 H T D1 h1 (h) D2 h2

950 835 5080 2350 500 1700 400 1350

a1 a2 a3 a4 a5

200 260 320 380 440

d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8

350 200 125 200 125 80 70 25

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.(Gn +W ) π .ω

Trong đó: 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=0,6 m/s

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

81

( )  d= 0,04. 23,84+1,222 =0,231 m

√

π .0,6

Chọn d = 0,25m Chiều cao ống baromet Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86, ta có: H = h1 + h2 + 0,5 m

(1)

Trong đó: h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số trong áp suất khí quyển và trong thiết bị ngưng tụ. h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống.  Tính h1: Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h1 =10,33.

( 1−0,74 ) .760 b =10,33. =2,6858m 760 760

Trong đó: b: áp suất chân không trong thiết bị, mmHg. (b=0,26at).  Tính h2: Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h2 =

ω2 H .(1+. + ∑ ξ) , m 2g d br

Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống ξ 1=0,5 và khi ra khỏi ống ξ 2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng: h2 =

ω2 H .(2,5+ . ), m 2g d br

Trong đó: d br : đường kính ống baromet, d br =200 mm

: hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, (W/m.độ)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

82

H: chiều cao tổng cộng trong ống baromet, m g= 9,81 m/s2 ω: tốc độ nước chảy trong ống

Chuẩn số Re: Theo CT II.58 Sổ tay tập 1, trang 377: ℜ=

ω . d br . ρ 0,6.0,2.988,28 4 = =214067,87 >10 −3 μ 0,554.10

 Dòng nước trong ống baromet ở chế độ chảy xoáy Trong đó: : khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C.  n = 991,54 kg/m3 µ: độ nhớt động lực nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C 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 ℜgh=6. ¿

Ren được tính theo công thức II.62 trang 379, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1 ℜn=220. ¿

 Regh < Re < Ren (khu vực quá độ).

 Hệ số ma sát λ theo công thức II.64 trang 380 [1] λ=0,1. ¿

 h2 =

0,62 H . 2,5+0,0201. =0,0459+1,84.10−3 . H 2. 9,81 0,2

(

)

Mà ta có chiều cao ống baromet H = h1 + h2 + 0,5 0,6 2 H . 2,5+0,0201. +0,5=3,2317+1,84.10−3 . H H = 2,6858+ 2. 9,81 0,2

(

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

)

83

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 Chọn H = 9m 7. Bồn cao vị -

Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhập liệu. bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm thắng được các trở lực của đường ống và cao hơn so với mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc.

-

Áp dụng phương trình Bernoulli với hai mặt cắt là1-1 (mặt thoáng của bồn cao vị), 2-2 ( mặt thoáng của nồi cô đặc). p 1 α 1 v 21 p 2 α 2 v 22 Z1 + + = Z2 + + + h1-2 Υ Υ 2g 2g

Trong đó: v1 = v2= 0 m/s p1 = 1 at p2 = p0 = 0,266at ρ = 1179,04 : khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC μ = 2,53.10-3 N.s/m2 độ nhớt động lực học của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC z2: khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc đến mặt đất;m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 1,319 + 1,5 + 0,05 + 0,653 = 4,522m Với : Z’= 1m : khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất. Hđ = 1,269+0,05 = 1,319m: chiều cao của đáy nón. Hbđ = 1,5m: chiều cao của buồng đốt GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

84

Hgc = 0,05m: chiều cao của gờ nón cụt Hc = 0,653m: chiều cao của phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 50mm = 0,05m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buống bốc là 20m Tốc độ của dung dịch ở trong ống: Gđ

8000 3600 V= d = = 0,96 m/s π ρ 2 π . 0,05 .1179,04 4 4

2

Chuẩn số Reynolds: Re =

v . d . ρ 0,96.0,05.1179,04 = = 22369,1 > 4000( chế độ chảy rối) μ 2,53.10−3

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít( bảng II.15, trang 381,[1]). Ta có độ nhám tuyêt đối là ε = 0,2mm Regh được tính theo công thức II.60, trang 378 [1]: d ε

Regh = 6.( )8/7 = 6.(

0,05 8/7 ¿ = 3301,065 0,0002

Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1] d ε

Ren = 220.( )9/8 = 220.(

0,05 9/8 ¿ = 109674,38 0,0002

→ Regh< Re< Ren ( khu vực quá độ)

Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380 [1] ε 100

0,0002

100

+ ¿0,25 = 0,0319 λ = 0,1(1,46 + ℜ ¿0,25 = 0,1(1,46 d 0,05 22369,1

Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực cục bộ GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

Ký hiệu

Hệ số trở lực cục bộ

Số lượng

85

Đầu vào Đầu ra Khuỷu 900 Van cửa

ξ vào ξ ra ξ khuỷu 90 ξ van

0,5 1 1 1,5

1 1 6 2

∑ ξ=0,5+ 1+ 6.1+ 2.1,5=¿ 10,5

 Tổng tổn thất trên đường ống h1-2=

v2 l 0,962 20 λ + ∑ξ = 0,0319. +10,5 =1,093 m 2g d 2.9,81 0,05

(

)

(

)

Khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất: z1= z2+

p 2 − p1 0,266−1 +h 1−2=4,522+ +1,093=5,61 m ρ 1179,04

 Dung dịch đường mía 40% luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi có độ cao từ 5,61 m trở lên Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 8,5m . 8. Bơm 8.1. Bơm chân không Bơm là máy thủy lực dùng để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng. Các đại lượng đặc trưng của bơm là năng suất, áp suất, hiệu suất, công suất tiêu hao và hệ số quay nhanh. Công suất của bơm chân không là: N=

1 m . . p .V . nCK m−1 kk kk

p2 p1

m−1 m

[( ) ] −1

Trong đó: nCK : hệ số hiệu chỉnh. nCK =0,8

m : chỉ số đa biến, m=1,62 p1: áp suất khí lúc hút GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

86

p2: áp suất khí quyển bằng áp suất khí lúc đẩy, chọn p2 = 1at = 9,81.104N/m2 pkk : áp suất không khí trong thiếtbiị ngưng tụ ph: áp suất của hơi nước trong hỗn hợp ở tkk pkk =p 1= pc − ph =0,26−0,0702=0,1898 at=19231,49 N /m 2

Suy ra công suất của bơm chân không là : N=

1 1,62 9,81. 104 . .19231,49 .0,0623 0,8. 1,62−1 19231,49

[(

)

1,62−1 1,62

]

−1 =3387,5 W =3,3875 KW

Dùng bơm chân không không cần dầu bôi trơn, có thể hút không khí, hơi nước. Chọn bơm chân không vòng nước hai cấp HWVP. Có các thông số khác như sau:  Kiểu HWVP – 2.  Độ chân không: 30 ~ 150 Torr.  Lưu lượng từ 450 ~ 28000 lít / phút.  Công suất động cơ 1,5 ~ 75 kW.  Truyền động bằng khớp nối cứng, dây đai hoặc hộp số tùy theo tốc độ quay tiêu chuẩn của đầu bơm.  Hoạt động êm ái, tuổi thọ vòng bi cao, ít phải bảo dưỡng.  Lượng nước làm kín thấp.  Vật liệu cánh, trục bơm được làm từ thép không gỉ 304 hoặc 316 giảm đáng kể sự ăn mòn các chất acid lẫn không môi trường khí và nước. 8.2. Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ – Công suất bơm:

N=

Q .ρ .g. H 1000 .η ; kW

Trong đó: + H – cột áp của bơm; m

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

87

+ η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 995 kg/m3 – khối lượng riêng của nước ở 30 oC + Q – lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m 3/s

Q=

G n 23 , 84 = =0 ,024 ρ 995 m3/s

– Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể nước) và 2 – 2 (mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ): 2

2

p1 α 1 . v 1 p2 α 2 . v 2 z1+ + + H=z 2 + + +h 1−2 γ 2. g γ 2.g

Trong đó: + v1 = v2 = 0 m/s + p1 = 1 atm + p2 = 0,6 atm + μ = 0,000801 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nước ở 30 oC (bảng I.107, trang 100, [1]) + z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất + z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 200 mm = 0,2 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là 13 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: v=

Q 0 , 024 = =0 ,7639 d2 0,22 π. π. 4 4 m/s

Chuẩn số Reynolds:

Re=

v.d . ρ 0 ,7639.0,2 . 995 = =189782, 89 ≥ μ 0 ,000801 4000 (chế độ chảy rối)

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

88

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 8

8

d 0,2 7 Re gh=6. 7 =6. =16096,17 ε 0,0002

() (

)

Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9

9

d 0,2 8 Ren =220. 8 =220. =521702 ,22 ε 0,0002

()

(

)

⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:

ε 100 λ=0,1. 1, 46. + d Re

(

0 , 25

)

0,0002 100 =0,1. 1, 46. + 0,2 39874 ,53

(

0 , 25

)

=0, 0251

– Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Đầu vào Đầu ra Khuỷu 900 Van cửa ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3.1 + 1,5 = 6

Ký hiệu ξvào ξra ξkhuỷu 90 ξvan

Hệ số trở lực cục bộ 0,5 1 1 1,5

Số lượng 1 1 3 1

⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:

h1−2 =

v2 l 0 , 76392 13 . λ . +∑ ξ = . 0 , 0251. +6 =0 , 227 2. g d 2 . 9 , 81 0,2 m

(

)

(

)

⇒ Cột áp của bơm:

H=( z 2 −z 1 ) +

p2 − p1 γ

⇒

( 0,6−1 ) . 9 , 81 .10 4 +h1−2 =( 12−2 )+ +0 , 227=6 ,207 995. 9 , 81 m

N=

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

0,024.995.9,81.6,207 =1,939 1000 .0,75 kW 89

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán:

⇒ N =1,5.1,939=2,909

kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang

440, [1]) – Chọn N = 4 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K. 8.3. Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị – Công suất bơm:

N=

Q .ρ .g. H 1000 .η ; kW

Trong đó: + H – cột áp của bơm; m + η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 1074,4 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 18 % ở 30 oC (bảng I.86, trang 59, [1]) + Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 18 % được bơm vào bồn cao vị; 3

m /s

8000 Gn 3600 Q= = =0 , 00207 ρ 1074 , 4 m3/s – Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 – 2 (mặt thoáng của bồn cao vị): 2

2

p1 α 1 . v 1 p2 α 2 . v 2 z1+ + + H=z 2 + + +h 1−2 γ 2. g γ 2.g

Trong đó: + v1 = v2 = 0 m/s + p1 = 1 atm + p2 = 1 atm GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

90

+ μ = 0,00207 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 18 % (bảng I.112, trang 114, [1]) + z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất + z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 40 mm = 0,04 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị là 7 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: v=

Q 0 , 00207 = =1. 65 d2 0 , 04 2 π. π. 4 4 m/s

Chuẩn số Reynolds:

Re=

v.d. ρ 0,1 .65.0,04.1074 ,4 = =56278,09 ≥ μ 0,00126 4000 (chế độ chảy rối)

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 8

8

d 0,04 7 Re gh=6. 7 =6. =2558 ε 0,0002

() (

)

Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9

9

d 0,04 8 Ren =220. 8 =220 . =85326 ,01 ε 0,0002

()

(

)

⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:

ε 100 λ=0,1. 1, 46. + d Re

(

0 ,25

)

0, 0002 100 =0,1. 1, 46. + 0, 04 56278 , 09

(

0 , 25

)

=0, 0309

– Các hệ số trở lực cục bộ:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

91

Yếu tố gây trở lực Đầu vào Đầu ra Khuỷu 900 Van cửa ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3 + 2.1,5 = 7,5

Ký hiệu ξvào ξra ξkhuỷu 90 ξvan

Hệ số trở lực cục bộ 0,5 1 1 1,5

Số lượng 1 1 3 2

⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:

v2 l 1.652 7 h1−2 = . λ . + ∑ ξ = . 0,0309. +7,5 =1,79 2. g d 2.9,81 0 ,04 m

(

)

(

)

⇒ Cột áp của bơm: H=( z 2 −z 1 ) + h1−2 =( 3,5−2 )+1 , 79=3 , 29

⇒

⇒ N =1,5.0,096=0,114

N=

m

0, 00207 .1074 ,4. 9, 81.3,29 =0,096 1000 .0,75 kW

kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang

440, [1]). – Chọn N = 0,25 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K. 8.4. Bơm tháo liệu – Công suất bơm:

N=

Q .ρ .g. H 1000 .η ; kW

Trong đó: + H – cột áp của bơm; m + η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 1178,53 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.86, trang 60, [1])

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

92

+ Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 40 % được tháo ra khỏi nồi cô đặc; m /s 3

3600 Gn 3600 Q= = =0 , 000849 ρ 1178 ,53 m3/s – Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón) và 2 – 2 (mặt thoáng của bể chứa sản phẩm): p1 α 1 . v 21 p2 α 2 . v 22 z1+ + + H=z 2 + + +h 1−2 γ 2. g γ 2.g

Trong đó: + v1 = vhút = v; m/s + v2 = 0 m/s

+ p1 =p 0 +2 . Δp+

ρ . g . Hđ 9 , 81 .10

4

=0 ,266+2. 0 , 0239+

1178 , 53 . 9 ,81 . 0 ,81 =0 , 409 9 , 81. 104 at

m + p2 = 1 atm + μ = 0,004382 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.112, trang 114, [1]) + z1 = 1 m – khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất + z2 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến ống tháo liệu là 5 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: v=

Q 0 , 000849 = =2 ,702 2 d 0 ,02 2 π. π. 4 4 m/s

Chuẩn số Reynolds:

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

93

Re=

v .d . ρ 2.702.0,02.1178,53 = =14533 ,95 μ 0,004382 ≥ 4000 (chế độ chảy rối)

Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: 8

8

d 0,02 7 Re gh=6. 7 =6. =1158,419 ε 0,0002

() (

)

Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: 9

9

d 0,02 8 Ren =220 . 8 =220 . =39122 ,15 ε 0,0002

()

(

)

⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]:

ε 100 λ=0,1. 1, 46. + d Re

(

0 ,25

)

(

=0,1 . 1 , 46.

0 ,0002 100 + 0 ,02 14533 , 95

0 ,25

)

=0 ,0383

– Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Đầu vào Đầu ra Khuỷu 900 Van cửa ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 4+ 1.1,5 = 7

Ký hiệu ξvào ξra ξkhuỷu 90 ξvan

Hệ số trở lực cục bộ 0,5 1 1 1,5

Số lượng 1 1 4 1

⇒ Tổng tổn thất trên đường ống:

v2 l 2 , 7022 5 h1−2 = . λ . +∑ ξ = . 0 , 0383 . +7 =6 .17 2. g d 2 . 9 ,81 0 , 02 m

(

)

(

)

⇒ Cột áp của bơm: H =( z 2 −z 1 ) + h1−2 =( 2−1 ) +6 , 17=7 , 17

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

m 94

⇒

N=

⇒ N =1,5.0,094=0,141

0,000849 .1178,53. 9,81 .7 ,17 =0 ,094 1000 .0,75 kW

kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang

440, [1]) – Chọn N = 0,25 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

95

TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH Vật liệu

Số lượng

Thiết bị chính Thiết bị chính Bơm chân không Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ Bơm nhập liệu Bơm tháo liệu Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ Thiết bị tách lỏng Cửa sửa chữa Kính quan sát Vật liệu cách nhiệt

OX18H10T CT3

4947,45 1445,7 5

Đơn vị kg kg hp

4

hp

3 500 000

0,25 0,25 1 1 1 1 0,098

hp hp cái cái cái cái m3

250 000

39 000 12 000 3 0000 000 3 0000 000 3 0000 000 1000 000 24 500

0,337

m3

3 000 000

1 011 000

Van Lưu lượng kế Áp kế Nhiệt kế Tai treo

16 1 3 2 CT3 7,35 Các ống dẫn OX18H10T 817 OX18H10T 1,5 OX18H10T 20 OX18H10T 10 CT3 15 CT3 20 CT3 10 CT3 10 CT3 68

cái cái cái cái kg

30 000 150 000 50 000 50 000

480 000 1 000 000 450 000 100 000 367 500

ống m m m m m m m cái

15 000 100 000 15 000 15 000 30 000 50 000 15 000 15 000 2 000

Thành phần

Truyền nhiệt d25 Tuần hoàn trung tâm d400 Nhập liệu d50 Tháo liệu d32 Hơi đốt d200 Hơi thứ d800 Nước ngưng d70 Khí không ngưng d70 Bu lông Tổng

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

Thủy tinh Amiante carton

Đơn giá (đồng/đv) 120 000 70 000

Thành tiền (đồng) 597 294 000 101 199 000 17 000 000

12 255 000 150 000 300 000 150 000 450 000 1 000 000 150 000 150 000 136 000 828 218 000

96

KẾT LUẬN Tính toán, thiết kế cho một thiết bị hoạt động và vận hành theo đúng công suất và hiệu suất cho một mẻ đường sản xuất ra là một việc quan trọng. Với những kiến thức và hiểu biết ít ỏi chúng em chỉ có thể trình bày sơ lược về nguyên liệu cũng như sản phẩm theo yêu cầu, về nồi cô đặc, cách tính toán và thiết kế cho nồi cô đặc và những vấn đề liên quan khác nữa. Thông qua đồ án, cũng đã tích góp cho mình nhiều kiến thức về thiết bị, về nhà máy, cách tính toán thiết kế trong nhà máy…. Nếu có điều gì sai sót, chúng em rất mong được sự thông cảm và góp ý từ Thầy. Xin chân thành cám ơn!

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

97

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [2]. Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất, tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [3]. Phạm Văn Bôn, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, tập 10, Ví dụ và bài tập, NXB ĐHQG TP.HCM, 2010. [4]. Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [5]. Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, tập 5, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, NXB ĐHQG TP.HCM, 2006. [6]. Hồ Lê Viên, Tính toán, Thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [7]. Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ Giáo dục và Đào tạo, Viện Đào tạo mở rộng. [8]. Bộ môn máy và thiết bị, Bảng tra cứu Quá trình cơ học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TP.HCM, 2009.

GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN

98