Thiết Kế Hệ Thống Cô đặc Một Nồi Liên Tục để Cô đặc Dung Dịch Cà Phê ...

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.doc) (58 trang)

Trang chủ

Nông - Lâm - Ngư

Công nghệ thực phẩm

Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch cà phê sau khi trích ly

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (383.32 KB, 58 trang )

ĐẶT VẤN ĐỀKỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện nay, thời kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc đảm bảo nhu cầu về việc ăn uống hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng một vai trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trò dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quản lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế gần như ở dạng ban đầu. Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp nhiệt (bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung môi dạng rắn) và thẩm thấu nghòch. Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ.Hiện nay có rất nhiều loại thiết bò được sử dụng trong công nghiệp sản xuất thực phẩm với những mục đích khác nhau. Nhưng do thời gian nghiên cứu có hạn nên nhiệm vụ của đồ án này chỉ nghiên cứu về "thiết bò cô đặc chân không 1 nồi, làm việc liên tục ống tuần hồn trung tâm" và ứng dụng nó để cô đặc dịch cà phê sau khi trích ly trong công nghệ cà phê hòa tan.1PHẦN 1TỔNG QUAN1.1. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch cà phê sau khi trích ly Năng suất sản phẩm: 750 kg sản phẩm/h Nồng độ đầu: 12% khối lượng Nồng độ: 65% khối lượng Áp suất hơi đốt: 3 at Áp suất ngưng tụ: 0,2 at1.2. Nguyên liệu và sản phẩm1.2.1. Đặc điểm nguyên liệuNguyên liệu cho công đoạn cô đặc là dịch cà phê sau khi trích ly có nồng độ 12%Quả cà phê gồm những phần sau : lớp vỏ quả , lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân .Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài , mềm , ngoài bì có màu đỏ, vỏ cà phê chè mềm hơn cà phê vối và cà phê mít .Lớp vỏ thịt : dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt gọi là trung bì .Vỏ thịt cà phê chè mềm , chứa nhiều chất ngọt , dễ xay xát hơn . Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn .Vỏ trấu : hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê thóc , vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ mềm gọi là vỏ trấu tức là nội bì . Vỏ trấu cà phê chè mỏng hơn và dễ đập hơn là vỏ trấu của cà phê vối và cà phê mít .Vỏ lụa : bao bọc quanh nhân cà phê còn một lớp mỏng , mềm gọi là vỏ lụa , chúng có màu sắc khác nhau tuỳ theo từng loại cà phê . Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến . Vỏ lụa cà phê vối mầu nâu nhạt . Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân cà phê .2Nhân cà phê : ở trong cùng . Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng , có những tế bào nhỏ , trong có chứa những chất dầu . Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn . Một quả cà phê thường có từ 1 , 2 hoặc 3 nhân. Thông thường chỉ có 2 nhân1.2.2. Đặc đểm sản phẩmSản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:- Dung môi: nước- Các chất hòa tan: có nồng độ cao.1.2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩmTrong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. Biến đổi tính chất vật lýThời 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 riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.- Các đại lượng tăng: khối lượng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. Biển đổi tính chất hóa họcThay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit của các cấu tử tạo thành acid.Đóng cặnPhân hủy một số vitamin. Biển đổi sinh họcTiêu diệt vi sinh vật ( ở nhiệt độ cao) Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóaThực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:- 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 hóa học chủ yếu không thay đổi.31.3. SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:1.3.1. Khái niệm:Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.1.3.2. Đặc điểm của quá trình cô đặc- Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước gọi là “hơi thứ”-thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn có nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”.1.3.3. Các phương pháp cô đặc- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hay liên tục.+ Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để cô.+ Khi cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục.- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất(áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư) tuỳ theo yêu câu kỹ thuật và sản phẩm cô đặc để lựa chọn áp suất làm việc thích hợp trong quá trình cô đặc.+ Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến 4giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc.+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.+ Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoài môi trường. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.Trên thực tế, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.1.3.4. Các thiết bị cô đặc1.3.4.1. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâmĐây là loại thiết bị có phần dưới là phòng đốt, trong đó có ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn. Vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.- Ưu điểm:+ Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa va làm sạch.- Nhược điểm:+ Vận tốc tuần hoàn nhỏ (không quá 1,5m/s) và bị giảm do ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.- Ứng dụng:+ Dùng để cô đặc dung dịch nhớt và dung dịch tạo thành váng, cặn.51.3.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treoLà loại thiết bị có phòng đốt đặt giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò là ống tuần hoàn.- Ưu điểm:+ Phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chửa, làm sạch.+ Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng.- Nhược điểm:+ Cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn.- Ứng dụng:+ Dùng để cô đặc dung dịch kết tinh.1.3.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoàia. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứngDung dịch đi vào buồng đốt ở bên ngoài đặt đứng, dung dịch được bốc hơi ở buồng bốc, hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt.- Ưu điểm:+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn.+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửa chửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục.- Nhược điểm:+ Buồng đốt đứng nên thiết bị cao.+ Việc xử lý điều khiển khó khăn.b. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang Loại này có phòng đốt là thiết bị hình chữ U. Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái sang phải còn ở nhánh trên thì từ phải qua trái.- Ưu điểm: + Buồng đốt được gắn vào một chiếc xe nhỏ dễ dàng tách ra sửa chửa, làm sạch. + Cường độ tuần hoàn lớn.1.3.4.4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức Dung dịch đi vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn rồi đi ra phía dưới của phòng bốc, còn phần chính thì về lại trộn với dung dịch đầu .- Ưu điểm:+ Hệ số cấp nhiệt (α) lớn.+ Làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5oC)+ Giảm được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt.6+ Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt cao.- Nhược điểm:+ Tốn nhiều năng lượng cho bơm.- Ứng dụng:+ Dùng để cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn, cường độ bay hơi lớn.1.3.4.5 Thiết bị cô đặc loại màngDung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên. Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi ngoài ống. Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên kéo theo màng chất lỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đến miệng là đạt được nồng độ cần thiết.- Ưu điểm:+ Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ nên tổn thất thuỷ tĩnh bé.- Nhược điểm:+ Khó làm sạch vì ống dài.+ Khó điều chỉnh áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi.+ Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.1.3.4.6 Thiết bị cô đặc có vành chất lỏngThiết bị này gồm phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi. Trên phòng sôi là những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng sôi hỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi. Hơi thứ đi lên ra ngoài, dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy. Phòng đốt có tác dụng nung nóng dung dịch không có tác dụng sôi. Dung dịch chỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn.- Ưu điểm:+ Vận tốc tuần hoàn lớn (đến 3m/s)+ Thiết bị ít bám cặn.- Nhược điểm:+ Cấu tạo thiết bị phức tạp.- Ứng dụng:+ Sử dụng cô đặc dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn.71.3.4.7 Thiết bị cô đặc loại rôtoThiết bị có rôto quay, có bao hơi, các cánh lắp vào trục thẳng đứng. Dung dịch đầu đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chất lỏng văng ra thành thiết bị và chuyển động xoáy. Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được nung nóng bởi bao hơi. Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài còn sản phẩm được tháo ra qua đáy thiết bị.- Ưu điểm:+ Cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ.+ Có thể cô đặc dung dịch dạng keo, đặc sệt.- Nhược điểm:+ Cấu tạo, gia công phức tạp, giá thành cao.1.3.4.8 Cô đặc nhiều nồiCô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt.Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được vào đun nồi thứ ba… hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không).Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt 8dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ là 0,5kg.Tuy nhiên số nồi không thể vô hạn vì khi số nồi tăng thì tổn thất nhiệt độΣ∆ tăng làm cho hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi, do đó, bề mặt truyền nhiệt càng tăng nhanh; nghĩa là khi số nồi tăng thì chi phí thiết bị (chế tạo, sửa chửa, lắp ghép, hao mòn…) sẽ tăng nhanh. Mặt khác, muốn đảm bảo quá trình làm việc ta phải có điều kiện:Σ∆T = ∆T - Σ∆ > 0Giới hạn đối với mỗi nồi là 5÷7oCDựa vào đồ thị của mối quan hệ giữa chi phí về thiết bị, chi phí về hơi đốt và chi phí chung thì số nồi thích hợp của quá trình cô đặc nhiều nồi là 2 ÷ 4 nồi.1.4. Quy trình công nghệ1. Qui trình coâng ngheäLý do chọn2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặcDung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi. Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc 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 không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài.Nguyên lý làm việc 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, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ có ρds = 0.5 ρdd do đó sẽ tạo ra áp lực đẩy 9dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị. Để ống tuần hoàn tung tâm hoạt động có hiệu quả dung dịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ.Hơi đốt theo ống dẫn hơi 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 thiết bị ngưng tụ Baromet, 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.Dung dịch cà phê được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm.Đóng các vanTắt bơm10PHẦN II :CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG2.1. Dữ kiện ban đầuTrong cà phê tinh bột chiếm thành phần chủ yếu từ 8 - 23 %, do vậy có sự biến tính tươn đối trong q trình cơ đặc từ tinh bột thành gluco nên các thơng số được tính thơng qua gluco.Các số liệu ban đầu:Dung dịch cà phê sau khi trích ly:- Nhiệt độ ban đầu 28oC, nồng độ ban đầu 12%.- Nồng độ cuối 65%.- Năng suất Gc = 750kg/h- Chọn hơi đốt là hơi nước bảo hòa ở áp suất Ph = 3 at (132,90 C), (STQTTB T1, 314)- Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 0.2 at (59.70 C), (STQTTB T1, 314)2.2. Cân bằng vật chất và năng lượng2.2.1 Suất lượng nhập liệu (Gđ):Gđ= Gc + WGđ.xđ = Gc.xcTrong đóGđ , Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi nồi, kgW : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kgXđ , xc : nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn.Gđ = Gc. cdxxGđ = 750.6512 = 4062.5 (kg/h)112.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lênW = Gđ - Gc = 4062.5 – 750= 3312.5 kg/h2.3 Cân bằng năng lượng2.3.1. Cân bằng nhiệt lượngNhiệt vào: - Do dung dịch đầu: GđCđtđDo hơi đốt: D.iNhiệt ra: - Hơi thứ mang ra: W.i’- Nước ngưng tụ: D.C.θ- Sản phẩm mang ra: Gc.Cc.tc- Nhiệt cơ đặc: Qcđ- Nhiệt tổn thất: Qtt* Phương trình cân bằng nhiệtGđCđtđ + D.i = W.i’ + D.C.θ + Gc.Cc.tc ±Qcđ + QttTrong đó: D_lượng hơi đốt mang vàoθ_nhiệt độ của nước ngưngtđ, tc _nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịchCđ, Cc, C_ nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối cà nước ngưng (J/kg.độ)i, i'_hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kgTừ phương trình ta rút ra:d( ' ) ( )c c d c d cd ttW i c t G c t t Q QDi c i c i cθ θ θ− − ±= + +− − −Ta có i’– cctc = 2333,8 KJ/Kg là ẩn nhiệt hoá hơi của hơi thứ với áp suất 0,21 at (Tra bảng I 251 ST QTTB T1, trang 314).i −cθ =2171 KJ/Kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at. (Tra bảng I 251 ST QTTB T1, trang 314).Quá trình cô đặc cà phê sau khi trích ly có Qcđ=0. Đây là quá trình cô đặc liên tục nên tđ=tc. Chọn tổn thất nhiệt là 5% ta tính được lượng hơi đốt là:3312.5*2333.80,052171D D= +Hay D =3748.3 (kg/h)12 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:3748.31,1323312.5DmW= = = ( kg hơi đốt / kg hơi thứ ).Trong đó:D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 3748.2 kg/h.W - lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 3312.5 kg/h.2.3.2 . Chế độ nhiệt độ:p suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng I.251. STQTTB T1, 314 nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC.Gọi ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo cơng thức VI.14, STQTTB T2, 60 chọn ∆’’’ = 1 oC.Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tht:tht - tnt = ∆ ’’’ = 1 ⇒ tht = tnt+1 = 59,7 +1 = 60,7 oCp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng I.250, STQTTB T1, 312: ở nhiệt độ hơi thứ là 60,7oC là 0, 21 at.2.4. Xác đònh nhiệt độ tổn thất2.4.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆’):Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sơi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sơi của dung mơi ngun chất.Hiệu số của nhiệt độ sơi của dung dịch và dung mơi ngun chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.Ta có:∆’ = t0sdd - t0sdm (ở cùng áp suất).Áp dụng công thức VI.10, STQTTB T2, 59:∆’ = ∆’o . fỞ đây :∆o’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. Tra từ đồ thò.f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:f216.2Tr=(VI.11,STQTTBT2,59)13=2(273 )16.2hthttr+Với xc = 65% ta có ∆o’ = 4.10C (suy ra từ đồ thị hình VI.2, STQTB T2, 60)Vậy f = 2316.2*(273 60.7)2333.8*10+ = 0.77∆’ = ∆’o . f = 4.1*0.77 = 3.160C2.4.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh(∆’’).Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dòch đến giữa ống là ∆P (N/m2), ta có:∆P = 21ρS.g.Hop N/m2Trong đó:ρs : khối lượng riêng của dung dòch khi sôi, kg/m3ρs =0.5 ρddρdd : Khối lượng riêng của dung dòch ,kg/m3Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,mHop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].HoCoi ρdd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho= 2 m.Hop = [0.26+0.0014(ρdd-ρdm)].Ho=[0.26+0.0014(1285.7- 999)]*2= 1.32 mÁp suất trung bình:Ptb = P’+∆P=0.21+0,5*0,5*1285.7*10-4*1.32 = 0.25 atTra sổ tay tại Ptb = 0.25 at ta có ttb = 64.2 0C.Ta có: ∆’’ = ttb - t0, độTrong đó: - Nhiệt độ sơi dung dịch ứng với áp suất Ptb, độ14- Nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P0, độ∆’’ = 64.2 - 60.7 = 3.50C2.4.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ. (∆’’’).Thực tế thì ∆’’’ = 1 - 1.5.Chọn ∆’’’= 12.4.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thốngTổn thất nhiệt độ cho cả hệ thốngΣ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 3.16 + 3.5 + 1 = 7.660 CTổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống∆t = thd - tnt = 132.9 - 59.7 = 73.20 CTổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích∆thi = ∆t - Σ∆ = 73.2 - 7.66 = 65.540 CNhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi :tc = tnt + Σ∆ = 59.7 + 7.66 = 67.360 C2.5. Nhiệt dung riêngNhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ <20% tính theo công thức sau:Cdd = 4186.(1-x) (J/kg.độ) (I.43, STQTTB T1, 152)Với x_ nồng độ chất tan, phần khối lượng (%)Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186*(1-0.12) = 3683.68 (J/kg.độ)Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ >20% tính theo công thức sau:Cc = Cht .xc + 4186 (1-xc) (J/kg.độ) (I.44, STQTTB T1, 152)Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nước (J/kg.độ)Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152)M.Cht = ΣniciCht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất (J/kg nguyên tử.độ) bảng I.141 STQTTB, 152CC = 7500 (J/kg nguyên tử.độ); CH = 9630; CO = 1680015Vậy Cht = 6 12 6C C H H O OC H On c n c n cM+ + = 3 3 37.5*10 *6 9.63*10 *12 16.80*10 *61452180+ +=(J/kg.độ) Vậy Cc = Cht .xc + 4186 (1-xc) = 1452*0.65+4186*(1-0.65) = 2408.9 (J/kg.độ) 2.6 . Nhiệt lượng riêngGọi I là nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg) i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)Tra bảng (I.250, STQTTB T1, 312)Hơi đốt Hơi thứT0C I.10-3 (J/kg) T0C i.10-3 (J/kg)132.9 2730 60.7 2609.58816PHẦN IIITÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT3.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bò cô đặc:Q trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn: - Nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngồi của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1- Dẫn nhiệt qua thành ống- Nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt 2αvà nhiệt tải riêng q2Ta có:∆t1 = thd - tT1∆t2 =tT2 - tc∆t = tT1 - tT23.1.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1):Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28:)1(****04,211125,011tqtHrA∆=⇒∆=ααTrong đó:r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at.Tra bảng I.251 ST QTTB T1, trang 314 : r = 2171.103 J/kgH - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.5 m.A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2A tra ở sổ tay tập 2, trang 28.với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.α1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2 độ3.1.2. Nhiệt tải riêng phía dung dòch (q2):Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:170,43520,5652* * * *dddd dd nnnn n ddCCρ µλα αλ ρ µ        = ÷  ÷  ÷ ÷        W/m2 độTrong đó:αn -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dòchαn = 45.3 *p0,5*∆t2,33(trang 26 STQTTBT2)Cdd - nhiệt dung riêng của dung dòchCn - nhiệt dung riêng của nướcµdd - độ nhớt dung dòchµn - độ nhớt nướcρ dd - khối lượng riêng dung dòchρn - khối lượng riêng nướcλdd - độ dẫn điện dung dòchλn - độ dẫn điện nước3.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường (qv):Theo BT và VD tập 10:qv = 1 2T Tt tr−∑Trong đó:Σr - tổng trở váchTa có ∆t2 = tT2 - tc mà tT2 = tT1 - q1ΣrVới Σr = r1 + r2 + r3Chọn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nước sạch, theo (V.I, STQTTBT2,4)r1 = 0.464*10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngồi (m2.độ.W)Dung dịch cần cơ đặc cà phê theo (V.I, STQTTBT2,4)r2 = 0.387*10-3 (m2.độ.W)Chọn bề dày ống truyền nhiệt δ = 0.002 (m), vật liệu chế tạo là thép cacbon thường có mã hiệu CT3 và có λ = 50 W.m/độ (bảng XII.7, STQTTBT2,313)18r3 = δλ= 0.00250= 4*10-5ta suy ra Σr = 0.464*10-3 + 0.387*10-3 + 4*10-5 = 8.91*10-4(m2.độ.W)Chọn ∆t1 = 5.7 tT1 = thd - ∆t1 = 132.9 - 5.7 = 127.2Ta suy ra tm = 12hd Tt t+ = 130.5 A = 191.02 (STQTTBT2, 29)0,25112,04* **rAH tα = ÷∆ = 342171*102.04*191.07*2*5.7= 8140.44 (W/m2 độ)q1= α1 .∆t1 = 46400.51 (W/m2)Ta tính được tT2 = tT1 - q1Σr = 127.2 - 46400.51*8.91*10-4 = 85.860 CSuy ra ∆t2 = 85.86 - 67.36 = 18.50 CTa có αn = 45.3 *p0,5*∆t2,33 = 0.5 2.3345.3*0.21 *18.5= 18602.09 (W/m2 độ)Chọn nhiệt độ tính toán α2 theo tc = 67.360 C.Tra bảng (I.249, STQTTBT1, 310) ta được:ρn = 979.23 kg/m3μn = 0.42*10-3 N.s/m2Cn = 4184.89 J/kg.độλn = 66.54*10-2 W/m.độTa có 3* * *dddd ddddA CMρλ ρ=(I.32, STQTTBT1, 123)= 831285.73.58*10 *2408.9*1285.7*180− = 0.21 (W/m.độ)Cdd = 2408,9 J/kg.độρdd = 1285.7 kg/m3μdd = 9.3*10-3 N.s/m2 (tra bảng I.112, STQTTBT1, 114, vì không có tài liệu nào thể hiện độ nhớt của gluco, nên lấy độ nhớt của đường mía ở cùng nồng độ)Ta tính được:190,43520,5652* * * *dddd dd nnnn n ddCCρ µλα αλ ρ µ        = ÷  ÷  ÷ ÷        = 0.4350.565 232 30.21 1285.7 2408.9 0.42*106497.23* * * *66.54*10 979.23 4184.89 9.56*10−− −         ÷ ÷  ÷  ÷        = 2511.28 (W/m2 độ)Vậy q2 = α2 .∆t2 = 46451.55 (W/m2)So sánh q1 và q2 ta thấy 2 1246451.55 46400.51*100% 100% 0.109% 5%46451.55q qq− −= = <Nhiệt tải trung bình là:qtb1=221qq + =46451.55 46400.512+= 46426.03 (W/m2)3.2 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:Trong đó giá trò K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:1 211 1Krα α=+∑ + = 411 18.91*108140.44 0.135*18602.09−+ += 708.19 (W/m2.độ)3.3 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:Q= D.r(θ) = 33748.3*2171*103600 = 2.26*106 (J/s)3.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt:F =hitKQ∆.=62.26*10708.19*65.54= 48,7 m2Chọn F = 50 m220PHẦN 4THIẾT KẾ CHÍNH4.1. BUỒNG ĐỐT:4.1.1. Tính số ống truyền nhiệt:Chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính 38x2 mm nên: d=dt=34 (mm) ( theo bảng V1.6,STQTTBT2/Trang80).Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt là h = 2 (m).50234. . 0,034*2*3.14tFnd hπ= = = (ống)Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11,STQTTBT2/Trang48.Chọn n = 271 ống.Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh.Số hình 6 cạnh là: 9Số ống trên đường xun tâm của lục giác b = 19 ống.4.1.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn Fth :ππththththFDDF.44.2=⇒=Trong trường hợp đối lưu tự nhiên, tuần hoàn trong : Fth = ( 0,25 ÷ 0,35 ) FoΣ , với FoΣ là diện tích tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt; chọn Fth= 0,3.FoΣ 2 22. . .0,034 .2710,3. 0,3. 0,073( )4 4thd nF mπ π⇒ = = = Vậy : 4.4*0.0730.304( )ththFD mπ π= = = Chọn Dth= 325 (mm)4.1.3 Đường kính thiết bị buồng đốt:Dt = t.(b-1) + 4.dn(V.141,STQTTBT2/Trang49)Trong đó: t: là bước ống, thường chọn t = (1.2÷1,5).dnChọn t = 1,5.dn→t = 1,5*0.038= 0.05721→Dt = 0,057*(19 - 1) + 4*0,057 = 1.25 (m)Chọn Dt = 1.4 (m) ( theo bảng XIII.6,STQTTBT2/Trang359). Kiểm tra diện tích truyền nhiệt: Dth ≤ t( b-1 ) b ≥ 0.3251 11.5*0.038thDt+ = + = 6.7Theo bảng V.11, STQTTB T2/Trang 46 Chọn b = 7 (ống) Vậy số ống truyền nhiệt đã bò thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm là n’ : ( )( ) ( )' 2 24 3 31 ' 1 1 1 7 1 1 373 4 4b n n b= + − ⇒ = − + = − + = Số ống truyền nhiệt còn lại là: n” = 271 – 37 = 234 ống. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt: F = 3,14*H*(n’’.dt + Dth) = 3,14*2*(234*0,034 + 0,325) = 52 > 48.7m2 (thỏa mãn)4.2 BUỒNG BỐC:4.2.1. Đường kính buồng bốc:Theo bảng XIII.6, STQTTB,T2/Trang 359Chọn Dt = 2 (m) 4.2.2. Chiều cao buồng bốc hơi:Thể tích khơng gian hơi được xác địnhtthkghuWV.ρ= (CT VI.24,STQTTB,T2/Trang 71)Trong đó: Vkgh: là thể tích khơng gian hơi (m3). W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3).ρh: là khối lượng riêng của hơi thứ là 0.17(kg/m3).22utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng khơng gian hơi trong một đơn vị thời gian (m3/m3.h).Theo CT VI.33, STQTTB,T2/Trang 71 utt = f.utt(1at) (m3/m3.h) khi Pat1≠ Utt (1 at ) : cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1at , ta chọn cường độ bốc hơi Utt(1 at ) = 1600 m3/m3.h f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển, hình VI.3, trang 72, [STQTTB2] ta có f = 1.5⇒ Utt = 1600*1.5 = 2400 (m3/m3.h ) Thể tích buồng bốc: 33312.58.12( ). 0,17*2400kghh ttWV mUρ= = =Chiều cao khơng gian hơi được tính theo CT VI.34, STQTTB T2/Trang 72 2..4tkghkghDVHπ==24*8.122.593.14*2=(m)Do trong thiết bi có hiện tượng dung dịch sơi tràn lên phần buồng bốc nên đòi hỏi thiết bị phải cao hơn so với tính tốn.Vậy, chọn chiều cao buồng bốc 3000(mm).4.3 Tính kích thước các ống dẫn:Theo CT V.41, STQTTB T2/Trang 74Phương trình lưu lượng:( )smdVs/4.32ωπ=→ ω.785,0sVd= (m)Vơi: Vs: lưu lượng khí, hơi, dung dịch chảy trong ống (m3/s).ω : tốc độ thích hợp đi trong ống (m/s).Chọn ω = 20 (m/s) đối với hơi nước bão hòa, thường ω = 20 ÷ 40 (m/s).ω = 1 (m/s) đối với chất lỏng nhớt, thường ω = 0,5 ÷ (1 m/s)23 Lại có: Vs = W.vVới: W là lưu lượng khối lượng (kg/s).v là thể tích riêng (m3/kg).4.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốtỞ áp suất hơi đốt Phđ = 3at, thđ = 132.90C v = 0.681 (m3/Kg)Theo bảng I.251, STQTTB,T1/ Trang 315 3748.31.043600 3600DW= = =(kg/s)Nên: 1.04*0.6810.220,785*20d= = (m)Theo bảng XIII.26, STQTTB T2/ Trang 415 Chọn d = 250 (mm) → dn= 273 (mm)4.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứỞ áp suất hơi đốt Pht = 0.21 at, tht = 60.70C v = 7.71 (m3/Kg) (Theo bảng I.251, STQTTB,T1/ Trang 315) 3312.5W 0.92( / )3600 3600Wkg s= = =0.92*7.710,48( )0,785.40d m→ = =Chọn ω = 40 (m/s) Chọn dn = 400 (mm), d = 426 (mm), (bảng V.7, STQTTB, T2, 47)4.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch4.3.3.1 Đường kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệtdG4062.5W 1.13( / )3600 3600kg s= = =Giả sử dung dịch có: t = 28(oC), xđ = 12%:31046( / )kg mρ=,theo bảng I.88,STQTTB,T1/Trang 64→ 41 19.56*101046vρ−= = = (m3/kg)Nên: 41.13*9.56.100.037( )0,785.1d m−= =24Chọn d = 15(mm), dn= 18 (mm) (theo bảng XIII, STQTTB, T2, 409)4.3.3.2 Đường kính ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặcdG4062.5W 1.13( / )3600 3600kg s= = =Giả sử nồi gia nhiệt tăng nhiệt độ dung dịch đầu từ 280C lên 67.360C.Ở t = 67.36(oC), C = 12%31046( / )kg mρ=,theo bảng I.88,STQTTB,T1/Trang 64→ 41 19.56*101046vρ−= = = (m3/kg)Nên: 41.13*9.56.100.037( )0,785.1d m−= =Chọn d = 40(mm), dn= 45 (mm) (theo bảng XIII, STQTTB, T2, 409)4.3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi cô đặc vào bể chứa sản phẩmGc 750W 0.21( / )3600 3600kg s= = =Dung dịch ra khỏi nồi có t = 67.36 (oC), xc = 65%31285.7( / )kg mρ=,theo bảng I.88,STQTTB,T1/Trang 64→ 41 17.78*101285.7vρ−= = = (m3/kg)Nên: 40.21*7,78*100,02( )0,785.0,5d m−= =Chọn d = 20(mm), dn= 25 (mm) (theo bảng XIII, STQTTB, T2, 409)Tóm lại chọn đường kính ống dẫn dung dịch cho toàn hệ thống là: d = 40 mm, dn= 45 mm.4.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng:Lưu lượng khối lượng là: W = D = 3748.31.043600=(kg/s)Ta có: t = 132,9 (oC) → ρ = 932.65 (kg/m3)Bảng I.5, STQTTB,T1/ Trang 12.25

Tài liệu liên quan

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch xút một nồi liên tục năng suất 4 tấn-h.
- 32
- 1
- 0
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút NaOH
- 36
- 904
- 1
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch muối ăn
- 58
- 1
- 2
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch cà phê sau khi trích ly
- 58
- 5
- 43
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm
- 65
- 719
- 4
Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH hai nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm cô đặc dung dịch NaOH từ 5% lên 35%
- 63
- 736
- 4
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường bằng hệ hai nồi xuôi chiều liên tục, loại ống dài
- 49
- 542
- 0
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi cô đặc dung dịch KOH xuôi chiều ống tuần hoàn ngoài với năng suất 11000 k trên giờ
- 86
- 815
- 0
Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH một nồi, buồng đốt ngoài tuần hoàn cưỡng bức
- 50
- 954
- 3
Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH một nồi, buồng đốt ngoài tuần hoàn cưỡng bức
- 50
- 417
- 0