Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Cô đặc 1 Nồi Dung Dịch Nước Thanh Trà ...

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.docx) (37 trang)

Trang chủ

Luận Văn - Báo Cáo

Báo cáo khoa học

Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước thanh trà với năng suất nhập liệu 1,2 kg s

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (468.84 KB, 37 trang )

MỤC LỤCCHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU............................................................................................11.1.Tổng quan về nguyên liệu........................................................................................11.1.1. Giới thiệu chung về cây thanh trà........................................................................11.1.2. Phân loại..............................................................................................................11.1.3. Thành phần hóa học của trái thanh trà.................................................................11.1.4. Công dụng của trái thanh trà................................................................................21.2. Giới thiệu sơ lược về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc........................................21.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc...................................................................................2a. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.................................................................................3b. Ứng dụng của sự cô đặc.............................................................................................3c. Các phương pháp cô đặc............................................................................................41.2.2 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt......................................................5c. Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch trái thanh trà......................................................61.3 Thuyết minh quy trình công nghệ............................................................................71.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm..................................................................81.4.1 Cấu tạo.................................................................................................................. 81.4.2 Nguyên lý làm việc...............................................................................................8CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH.................................................................................102.1 Dữ liệu ban đầu......................................................................................................102.1.1. Yêu cầu..............................................................................................................102.1.2. Quy ước.............................................................................................................102.2. Cân bằng vật liệu...................................................................................................112.2.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống..................................................................112.2.2. Lượng hơi thứ bốc lên (W).................................................................................112.3 Cân băng nhiệt lượng.............................................................................................112.3.1 Xác định tổn thất nhiệt độ Σ∆.............................................................................132.3.2 Hiệu xuất nhiệt dộ hữu ích và nhiệt độ sôi dung dịch.........................................162.3.3 Nhiệt dung riêng.................................................................................................162.3.4 Lượng hơi đốt tiêu thụ........................................................................................162.4. Tính bề mặt truyền nhiệt.......................................................................................182.4.1 Hệ số cấp nhiệt....................................................................................................182.4.2 Hê số cấp nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ...............................................................1912.4.3 Hệ số cấp nhiệt 2, từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi...........................................202.5 Hệ số truyền nhiệt K..............................................................................................242.6 Bề mặt truyền nhiệt................................................................................................242.7 Kích thước buồng đốt............................................................................................242.7.1 Số ống truyền nhiệt.............................................................................................242.7.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm..................................................................242.7.3 Đường kính buồng đốt........................................................................................252.8 Đường kính buồng bốc..........................................................................................262.9 Đường kính các ống dẫn........................................................................................272.9.1 Ống nhập liệu......................................................................................................272.9.2 Ống tháo liệu.......................................................................................................282.9.3 Ống dẫn hơi đốt..................................................................................................282.9.4 Ống dẫn hơi thứ..................................................................................................292.9.5 Ống dẫn nước ngưng...........................................................................................29CHƯƠNG 3. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC.............................................................313.1 Hệ thống cô đặc một nồi........................................................................................313.1.1 Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi............................................................................313.1.2.Thuyết minh hệ thống.........................................................................................32CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN...........................................................................................34TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................342DANH SÁCH BẢNGBảng 1. Thành phần hóa học của trái thanh trà..........................................................................2Bảng 2.1 Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi..................................................................................12Bảng 2.2.Lượng nhiệt do hơi cung cấp......................................................................................17Bảng 2.3. Giá trị A phụ thuộc tm ....................................................................................................................................................................................19Bảng 2.4. Hệ số cấp nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ..........................................................................19Bảng 2.5. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi...............................................................................21Bảng 2.6. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi..........................................................................23Bảng 2.7. Bề mặt truyền nhiệ....................................................................................................23Bảng 2.8. Kích thước buồng bốc...............................................................................................28Bảng 2.9. Kích thước các ống dẫn.............................................................................................29Bảng 2.10. Bảng tóm tắt thiết bị chính R...................................................................................303DANH SÁCH HÌNHHình 1.1. Hình ảnh của trái thanh trà...........................................................................................1Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm........................9Hình 2.1. Biến đổi nhiệt trong quá trình cô đặc.........................................................................12Hình 2.2. Cân bằng nhiệt lượng trong nồi cô đặc......................................................................16Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị cô đặc một nồi.....................................................................................314CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU1.1.Tổng quan về nguyên liệu1.1.1. Giới thiệu chung về cây thanh tràCây Thanh Trà có tên khoa học Bouea gandaria Blume hay Bouea macrophylla Griff.,thuộc họ Anacardiaceae, bộ Sapindales tên tiếng Anh là Marian plum, Gandaria,Marian mango hay Plum mango, là cây ăn trái nhiệt đới có nguồn gốc ở khu vực ĐôngNam Á.Thanh trà là loài cây thân mộc, tại Việt Nam, có mặt không nhiều ở huyện đảo PhúQuốc (Kiên Giang) và khu vực núi Sam (Châu Đốc, An Giang). Từ những năm 1970tới nay, loại thực vật này đã dịch chuyển và phát triển mạnh mẽ ở Vĩnh Long (từ ấpĐông Hưng đến ấp Đông Hòa và Mỹ Hòa, xã Đông Thành, H.Bình Minh). Cây thanhtrà dễ trồng, ít nhiễm sâu bệnh hại, chịu hạn rất tốt, các giống thanh trà thương mại cónguồn gốc ở Thái Lan, Mỹ hầu hết đều có dạng quả dài, mùi vị thơm ngon, thịt trái cónhiều chất bổ dưỡng, màu sắc và mẫu mã trái đẹp nên rất hấp dẫn người tiêu dùng. Ởnước ta mùa thu hoạch trái thanh trà sớm hơn so với nhiều loại trái cây khác nên tráidễ bán được giá cao.1.1.2. Phân loạiThanh trà có 2 loại là thanh trà ngọt và chua. Trong đó, thanh trà ngọt trái dài, vỏ dày,cứng, có lớp phấn trắng phủ bên ngoài, trái chín có màu vàng nhạt, còn thanh trà chuacó trái tròn, vỏ mỏng, chín có màu vàng sậm, dễ dập.Hình 1.1. Thanh trà ngọt (bên trái), thanh trà chua (bên phải)( Nguồn: />11.1.3. Thành phần hóa học của trái thanh tràThành phần quả có chứa nhiều beta carotene, vitamin C, vitamin nhóm B cùng cáckhoáng chất như crom, magiê, kali… Trong thanh trà còn có các hoạt chất sinh họcnhư bioflavonoid, chất chống ôxy hóa và một số enzyme hỗ trợ tiêu hóa.Bảng 1.1 Thành phần hóa học của thanh tràStt12345Thành phần hóahọcĐộ ẩmHàm lương acidTroHàm lượng đườngĐơn vị đoPhương pháp kiểmnghiệmTCVN: 4326-1986TCVN: 3702-2009TCVN: 8124-2009TCVN : 4594-88%g/kg%%w/woBxpHKết quả87,132.380,21,45111,84Nguồn: Viện nghiên cứu công nghệ sinh học & môi trường, trường ĐH Nha Trang năm 20101.1.4. Công dụng của trái thanh tràThanh trà là loại trái cây bổ dưỡng và có khả năng phòng bệnh. Dùng phù hợp vớinhiều người, ở mọi lứa tuổi, nhất là người bị bệnh nan y và người có thể trạng suynhược. Trái thanh trà còn xanh có thể dùng để nấu canh chua, trộn gỏi, hoặc đem khochung với cá. Trái chín ăn theo kiểu ăn xoài, nhưng độc đáo nhất vẫn là làm nước giảikhát. Những ngày hè oi bức, uống một ly nước thanh trà sẽ làm cho cơ thể mát dịu.1.2. Giới thiệu sơ lược về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc.1.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc- Cô đặc là quá trình tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch băng việc đunsôi. Đặc điểm quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chấthòa tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên. Khácvới quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu từ trong hỗn hợp cùng bayhơi chỉ khác về nồng độ hỗn hợp.Hơi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thểdùng để đung nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng mộtthiết bị ngoài hệthống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thểtrực tiếp hoặc gián tiếp, khi dùng trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc trực tiếp2với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng.- Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng vai trò hết sức quan trọng vànó được ứng dụng với mục đích:+ Làm tăng nồng độ chất tan.+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)+ Thu dung môi ở dạng nguyên chất.- Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suấtthường hay áp suất dư) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thểgián đoạn hay liên tục.a. Bản chất của sự cô đặc do nhiệtĐể tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chấtlỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắcphục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, cần cung cấp nhiệt đểcác phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủyếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, dochênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuầnhoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protid) sẽ ngăn chặn sựtạo bọt khi cô đặc.b. Ứng dụng của sự cô đặcTrong sản xuất thực phẩm, cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…Hiệnnay, phần lớn các nhà máy sản xuất thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặcnhư mộtthiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạtđộng gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sựphát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu, đòihỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầuđược đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủđộng khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.c. Các phương pháp cô đặc- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạnliên tục. Khi cô đặc gián đoạn: Dung dịch đặc cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến3nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịchkhông đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sauđó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc.- Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt chovào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ởcác áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suấtkhi quyển) thì có thể dụng thiết bị hở còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kíncô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là áp suất giảm thì nhiệt độ sôicủa dung dịch cũng giảm. Do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩalà có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.- Cô đặc chân không có thể dụng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùnghơi thải của các quá trình sản xuất khác nhau. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặcnhững dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứngphụ không cần thiết oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa... mặt khác do nhiệt độ sôi củadung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở ápsuất thường.- Cô đặc ở áp suất thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ caonhư các dung dịch muối vô cơ. Để sử dụng hơi thử cho cô đặc và cho các quá trìnhđun nóng khác.- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoàikhông khí. Phương pháp đơn giản nhưng không kinh thế.+ Cô đặc một nồi làm công việc gián đoạn- Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năngkhông có giá trị kinh thế. Cô đặc một nồi thường làm việc theo ba phương pháp sau:+ Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dầncho đến khi nồng độ đạt yêu cầu.+ Dung dịch cho vào ở mức độ nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịchmới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sauđó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới+ Cô đặc một nồi liên tục4- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dịch mới liên tụcvào để giữ mức chất lỏng không thay đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháoliên tục một phần dung dịch làm sản phẩm, đồng thời luôn bổ sung một lượng dungdịch mới vào thiết bị.1.2.2 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệta. Phân loại và ứng dụngTheo cấu tạoNhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này cóthể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bềmặt 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 nhómnày 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 kháđặc 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 phépdung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránhsự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thíchhợp 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 khóvỡ.Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt vàbọt dễ vỡ.5Theo phương thức thực hiện quá trìnhCô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường đượcdùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năngsuất 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. Dungdịch 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 nólàm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả haiphương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quảkinh tế.Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự độngnhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.Đối với mỗi nhóm thiết bịđều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, cóhoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịchmà có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suấtdư.b. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặcThiết bị chính:Ống nhập liệu, ống tháo liệu, ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, buồng đốt, buồng bốc,đáy, nắp, các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.Thiết bị phụ:Bể chứa nguyên liệu, bể chứa sản phẩm, bồn cao vị, lưu lượng kế, thiết bịgia nhiệt, thiết bị ngưng tụ baromet, bơm nguyên liệu vào bồn cao vị, bơm tháo liệu,bơm nước vào thiết bị ngưng tụ,bơm chân không,các van, thiết bị đo nhiệt độ, ápsuất…c. Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch trái thanh tràTheo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề,lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàntrung tâm. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa.6Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí nănglượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiếtbị).Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vìống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.1.3 Thuyết minh quy trình công nghệNguyên liệu ban đầu là dung dịch thanh trà có nồng độ 10%. Dung dịch từ bể chứanguyên liệu được bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kếrồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.Thiết bị gia nhiệt là thiếtbị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏđược bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 4 at đi bênngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoàngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ củadung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị côđặc để thực hiện quá trình bốc hơi.Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có cácống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt(hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoàiống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống. Dung dịch đi trongống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làmhoá hơi một phần dung môi.Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịchtrong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi vàbị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo mộtđơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ratrong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơiở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuốngdưới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lêntrong 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 thứđi 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 hoànlưu.7Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sảnphẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồngbốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh lànước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùngcủa thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùngchảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫnqua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngưng tụthành 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 khôngtrong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độcao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theodòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khíkhông ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bịvà nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.1.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm1.4.1 Cấu tạoThiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dướicủa thiết bị là phòng đốt 2 có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm,trong phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đườngkính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo.1.4.2 Nguyên lý làm việcDung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ốngtrung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đódung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khốilượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còntrong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn sovới ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ốngtruyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ởđấy lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồiđi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên dòng tuần hoàn tựnhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịchbay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ bazômét. Bộ phận tách giọt có tác8dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc,còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cần được lấy ra một phần ở đáythiết bị làm sản phẩm, đồng thời liền bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyềnnhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt vàlượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lnogr ở đây lớn hơntrong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ôngtruyền nhiệt lên trên trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặtthoáng của dung dịch ở phòng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phậntách giọt sang thiết bị ngưng tụ bazômét. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại nhữnggiọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch cónồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị sản phẩm,đồng thời liên tục bổ xung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị (trong trườnghợp thiết bị làm việc liên tục). Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịchđược đưa vào thiệt bị gián đoạn, và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoan. Tốc độ tuầnhoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trênbề mặt củng giảm. Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1,5 m/sƯu điểm: Cấu tạo đơn giản dễ sửa chữa và làm sạch.Nhược điểm: Năng suất thấp, và tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốtnóng.Hình 1.2 sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm(nguồn: />9CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH2.1 Dữ liệu ban đầu2.1.1. Yêu cầu- Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi dung dịch thanh trà+ Năng suất nhập liệu: Gđ = 1,2kg/s = 4320kg/h+ Nồng độ đầu: Xđ = 8% = 0,08%+ Nồng độ cuối: Xc = 20% = 0,2%+ Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: tđ = 25oC- Công việc thiết kế bao gồm:+ Bản thuyết minh số liệu tính toán thiết bị chính.+ Bản vẽ thiết bị chính khổ A1+ Bản vẽ sơ đồ quy trình cô đặc khổ A12.1.2. Quy ướcĐể đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước kí hiệu như sau:- [AI – X] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1, Nhà xuất bản Khoahọc và Kỹ thuật.- [AII – X] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2, Nhà xuất bảnkhoa học và Kỹ thuật.- [B-X] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Ts PhanVăn Thơm.- [AIII- X] – Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3,các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toàn.Với :X: Số trangSố chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ web được ghi trong dấu ( )102.2. Cân bằng vật liệu2.2.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống- Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặcGđXđ = GcXc[B – 105] – (III-3)Với:Gđ,Gc - Lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch (kg/h).Xđ, Xc - Nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng.W – Lượng thứ hơi (kg/s)-Dựa vào phương trình trên ta có:-Gc = 1728 (kg/h) = 0.48 (kg/s)2.2.2. Lượng hơi thứ bốc lên (W)Gđ = G c + wW = Gđ - Gc = 4320 –1728 = 2592 (kg/h) = 0.72(kg/s)2.3 Cân băng nhiệt lượngTa xác định hơi đốt và và nhiệt độ hơi thứ tra [B – 39] – (II – 7)11Bảng 2.1 Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi.Áp suất (at)Nhiệt độo( C)Hơi đốt1,232105Hơi thứ0,39375Hơi ngưng0,368742.3.1 Xác định tổn thất nhiệt độ Σ∆Hình 2.1. Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặcTổn thất do nồng độ tăng cao ∆’Theo công thức Tisenco12∆’ = ∆o’.f[B – 106] – (III – 5)Trong đó :- ∆o’ : Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.∆’ = 0,91oC. Tra trên http:/www.sugartech.co.za/- f : Hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suấtthường (hiệu suất áp suất thường = 1atm)[B – 106]Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thì bằng nhiệt độhơi thứ oK.r: Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc (J/kg).[B-39]Lấy r = 2321.103Màf = 16,2 16,2 = 16,2= 0,845∆’ = ∆o’ . f= 0,91.0,845 = 0,768 oCTổn thất do áp suất thủy tĩnh Δ’’Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu của lớp dung dịch: Ở trên bề mặt dungdịch thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất ở trênmặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. trong quá trình tínhtoán, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch= P’ + ∆PVới ∆P = (. g[B – 110] – (III – 7)N/m2Và ρs = ρ , kg/m2Trong đó:- P’ : Áp suất trên bề mặt dung dịch, N/m2P’ = Pht = 0,393 (at)13-ΔP : Áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống , N/m2- h1 : Chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặtthoáng của dung dịch, m- h2 : Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt, m.- ρs : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3- ρ : Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3- Gia tốc trọng trường, m/s2ρ = 1085,8 kg/m3Tra />- Ta có :∆P = ( h1 + ). ρs . g= ( h1 + ). . g= ( 0,5 + ). . 9,81 = 5325,84 ( N/m2)= = 0,0542 (at)- Ta có:Ptb = P’ + ΔP = Pht + ΔP = 0,393 + 0,0542 = 0,4472 (at)Tra theo [B – 39] => ttb = 78oCCông thức tra trang 111_STTB [4]Δ’’ = ttb - tht = 78-75 = 3oC[B – 111]Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống Δ’’Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sangnồi khác và từ nồi cuối cùng đến thiết bị ngưng tụ là 1oC.Δ’’’ = 1oC[B – 111]14Tổn thất chưng trong toàn hệ thống cô đặcΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ = 0,768+3+1 = 4,768oC[B – 111]2.3.2 Hiệu xuất nhiệt dộ hữu ích và nhiệt độ sôi dung dịchHiệu suất nhiệt độ hữu ích ΔtiΔtch = T – tng = thd – tng =105 – 74 = 31 oC[B – 111]Δti = Δtch – ΣΔ = 31 – 4,768= 26,232oCNhiệt độ sôi dung dịch tsots = tht + Δ’ + Δ’’ = 75 + 0,768 + 3 = 78,768 C[B – 111] – (III – 10)2.3.3 Nhiệt dung riêng-Nhiệt dung riêng đầu của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thứcsau:Cđ = 4186. (1 – Xđ), (J/Kg.độ)[AI – 152] – (I – 43)Với: X – Nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%) Cđ = 4186.(1 – 0,08) = 3851,12 (J/Kg.độ)-Nhiệt dung riêng của dung dịch cuối:Cdd = Cc = 4190 – (2514 – 7,542.ts).Xc (J/Kg.oC)= 4190 – (2514 – 7,542 .78,768) . 0,2= 3806,013 (J/Kg.độ) [AI – 153] – (I – 50)2.3.4 Lượng hơi đốt tiêu thụGọi:D: Lượng hơi nước cho vào nồi, kg/s.I: Hàm nhiệt hơi đốt, (J/kg)15I = 2687. 103 (J/kg) [B – 39]i: Hàm nhiệt hơi thứi = 2636 . 103, (J/kg) [B – 39]tđ, ts: Nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, oC.θ = tng = 105 oC , nhiệt độ của nước ngưng, coi nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ củahơi đốt.Cđ, Cc, Cn: Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng, (J/kg.độ).Cn =4226,5(J/kg.độ)Hình 2.2. Cân bằng nhiệt lượng trong nồi cô đặcLượng nhiệt vào:- Do dung dịch đầu: Gđ, Cđ, tđ- Do hơi đốt: D,ILượng nhiệt mang ra:- Do sản phẩm: Gc, Cc, tc16- Do hơi thứ: W.i- Do nước ngưng: D, C, θTa có:Công thức [AIII – 142] – (I -32) s3D = W + GđCđ= 0,72 + 1,2.3851,12= 0,849 (kg/s)r: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)r =2248.103 (J/kg), tra ở thđ = 105oC [B – 39]QD = D.r = 0,849 .2248.103 = 1908552 (W)Bảng 2.2. Lượng nhiệt do hơi cung cấpD(kg/h)Nồi3056,4Thđ(oC)105r (J/kg)Q (W)224800019085522.4. Tính bề mặt truyền nhiệt2.4.1 Hệ số cấp nhiệtQuá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:- Nhiệt truyền từ hơi đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hê số cấpnhiệt 1 và tải nhiệt riêng q1.- Dẫn nhiệt qua thành ống.- Nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt 2 và tải nhiệtriêng q2.- Ta có:Δt1= thđ– tT1oC17Δt2= tT2– ts,oCΔt = Δt1 + Δt22.4.2 Hê số cấp nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ- Hê số cấp nhiệt 1, với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số 1 đối với hơi bãohòa ngưng tụtính theo công thức [AII – 28] – (V – 101)21 = 2,04 . A . W/m .độVới:Rr: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)H: Chiều cao ống truyền nhiệt (H = 1,5 m)A: Trị số phụ thuộc tmA=Bảng 2.3. Giá trị A phụ thuộc tmTm (oC)A010420120401396015580169100179Chọn Δt1 = 2,10oCtT1= thđ – Δt = 105 – 2,10 = 102,9oCNhiệt độ màng tm:tm = = = 103,92 A = 181,21[AII – 29]r = 2248.103 (j/kg), tra ở thđ 105oC [B – 39]Vậy:1812018814019416019718019920019921 = 2,04 .181,21 . = 10586,608 (W/m .độ)Ta có:2q1 = 1 . Δt1 = 10586,608 . 2,10 = 22867,073 (W/m )Bảng 2.4. Hê số cấp nhiệt 1, phía hơi ngưng tụoThđ CNồioots CΔtOC tT1 C78,762,10otm C102,84 103,982Ar(J/kg)21W/m .độ181,22248.1010586,608132.4.3 Hệ số cấp nhiệt 2, từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi- Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.Δt2= tT2– ts mà tT2 = tT1 - q1. ΣrVới: Σr = r1+ r2 + r3- Chọn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nước sạch theo[AII – 4] – (VI)=> r1 = 0,232.10-3 nhiệt trở của nước sạch (m2.độ/W)=> r2 = 0,387. 10-3 nhiệt trở của cặn bẩn (m2.độ/W)- Chọn bề dày của ống truyền nhiệt : δ = 0,002 (m)- Chọn vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt :λ = 50 W/m.độ r3 = = = 4.10-5Σr = r1+ r2 + r3 = 0,232.10-3 + 0,387. 10-3 + 4.10-5 = 6,59.10-4 (m2.độ/W) tT2 = tT1 - q1. Σr = 102,84 – (22867,073 . 6,59.10-4) = 87,770 oC Δt2= tT2 - ts = 87,770 – 78,768 = 9,002 oC19q1 W/m222867,073- Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấpnhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo công thức [AIII – 71] – (VI – 27)-Ta có:=> 2 = dd = n.. (W/m2.K)Trong đó:n : Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc dung dịch theo nồng độ. Do nước sôi sủi bọtnên n được tính theo công thức [AII – 26] – (V- 91)n = 0,145. Δt22,33.p0,5(W/m2.độ)Δt2 = 9,002 oCP = Pht . 9,81.104 = 0,393. 9,81.104 = 38553,3 (N/m2)2n = 0,145. (9,002)2,33.( 38553,3)0,5 = 4764,404(W/m .độ)Bảng 2.5. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi2Nồiq(W/m )tT1( C)otT2( C)oΔt2( C)o2n(W/m .độ)22867,073102,8487,7709,0024764,404- Cdd: Nhệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg.độ)-: Độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)= 3,773 (Mpa.s) = 3,77. 10-3(Ns/m2)Tra theo: />- ρdd : Khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)Ρdd = 1085,8 kg/m3Tra theo: />- Cn: Nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg.độ)20Cn = 4226,5(J.kg.độ)-: Độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)= 0,378.10-3(Ns/m2)- ρn : Khối lượng riêng nước khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)ρn = 974,8 (kg/m3)- Hệ số dẫn nhiệt của nước (W/m.độ)λ n = 67,1.10-3(W/m.độ)Cn , , ρn [B – 38]λdd : Hệ số dẫn nhiệt của của chất lỏngtheo công thức [ AI – 123] – (I - 32)λdd = A.Cp. ρ. (W/m.độ)Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ) Cp = Cdd = 3806,013 (J/kg.độ)ρ: Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)ρ = ρdd = 1085 kg/m3A: Hệ số phụ t huộc mước độ liên kết của chất lỏng đối với nướcA = 3,58.10-8 [AI – 123]M: Khối lượng mol của hỗn hộp loãng, ở đây hỗn hợp là đường và nước.M = a. Mđường + (1-a). MH20a – Nồng độ đường trong dung dịch là 20% (Xc)a = = = 0,0129 (mol)21

Tài liệu liên quan

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 hai nồi dung dịch đường sucrose
- 64
- 2
- 8
đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI LÒ ĐỐT VỎ HẠT ĐIỀU VỚI CÔNG SUẤT 10KG/H pot
- 45
- 1
- 27
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch muối ăn
- 58
- 1
- 2
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm
- 65
- 719
- 4
thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch (nh4)2so4
- 92
- 1
- 3
Đồ án tính toán, thiết kế hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ d9a
- 93
- 879
- 1
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
Đồ án tính toán thiết kế hệ thống lạnh cấp đông cho phân xưởng chế biến thuỷ sản năng suất 300 tấn thành phẩm trên ngày
- 16
- 592
- 3
thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút naoh có nồng độ độ
- 36
- 590
- 0