Tài liệu Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch muối ăn

Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt LỜI NÓI ĐẦU Theo chương trình đào tạo ngành công nghệ thực phẩm, sinh viên sẽ thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm. Việc thực hiện niên luận nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị chế biến và lựa chọn vật liệu thích hợp. Đồng thời, niên luận này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở. Được sự hướng dẫn của Thầy Văn Minh Nhựt, tôi đã thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch muối ăn”. Xin chân thành cảm ơn Thầy Văn Minh Nhựt đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nhiệm quý báu để tôi hoàn thành đồ án này. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong bộ môn Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện đồ án này. Trong quá trình làm đồ án tôi không tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót....Vì vậy kính mong sự đóng góp nhiệt tình của quý Thầy, Cô và các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 22 tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Liêu Diệu An i Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................................i MỤC LỤC...............................................................................................................................ii DANH SÁCH BẢNG.............................................................................................................iii QUY ƯỚC K‎Ý‎ HIỆU............................................................................................................iv chương 1. GIỚI THIỆU.........................................................................................................v 1.1 Yêu cầu...........................................................................................................................v 1.2 Tổng quan về muối ăn..................................................................................................vi 1.3 Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc......................................................vi 1.3.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc.......................................................................vi 1.3.2 Phân loại.................................................................................................................vii CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH......................................................................................viii 2.1 Cân bằng vật liệu........................................................................................................viii 2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ )....................................................viii 2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi.....................................................................ix 2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi.............................................................ix 2.2 Cân bằng nhiệt lượng..................................................................................................xi 2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi.......................................................................xi 2.2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ..........................................................................xi 2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch........................................xiv 2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch.....................................................................xiv 2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi.................................................................xv 2.2.6 Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi....................................................xvi 2.3 Tính bề mặt truyền nhiệt..........................................................................................xvii 2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp..........................................................................xvii 2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi..........................................................................xvii 2.4 K‎ích thước buồng đốt.................................................................................................xxi 2.4.1 Số ống truyền nhiệt.................................................................................................xxi 2.4.2 Đường kính trong buồng đốt.................................................................................xxii 2.5 K‎ích thước buồng bốc...............................................................................................xxii 2.6 Đường kính các ống dẫn.........................................................................................xxiii ii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt 2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng........................................................................xxiii 2.6.2 Đối với hơi bão hòa ............................................................................................xxiii 2.7 Tổng kết thiết bị chính.............................................................................................xxv CHƯƠNG 3. THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET.........................xxv 3.1 Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ..................................................................xxv 3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ Baromet xxvi 3.2.1 Đường kính trong.................................................................................................xxvi 3.2.2 Kích thước tấm ngăn............................................................................................xxvi 3.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ................................................................................xxviii 3.2.4 Kích thước ống Baromet.......................................................................................xxix CHƯƠNG 4. TÍNH CƠ K‎HÍ........................................................................................xxxi 3.1 Chiều dày thiết bị......................................................................................................xxxi 4.1.1 Nồi 1.....................................................................................................................xxxi 4.1.2 Nồi 2.................................................................................................................xxxviii 4.1.3 Nồi 3.......................................................................................................................xlv 3.2 Vỉ ống...............................................................................................................................l 3.3 Hệ thống tai đỡ..............................................................................................................li 4.3.1 Khối lượng vật liệu...................................................................................................li 4.3.2 Khối lượng nước....................................................................................................liii 3.4 Mặt bích.........................................................................................................................lv 4.4.1 Để nối các ống dẫn..................................................................................................lv 4.4.2 Để nối các bộ phận của thiết bị..............................................................................lvi TÀI LIỆU THAM K‎HẢO...................................................................................................lvii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi........................................................................xi Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao.................................................................xii Bảng 3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh...........................................xiii iii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc..................................................................xiii Bảng 5: Nhiệt dung riêng của dung dịch muối....................................................................xv Bảng 6. Các thông số về năng lượng...................................................................................xvi Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp................................................................................xvii Bảng 8. Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng..........................................................................xix Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi.............................................................................xx Bảng 10. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi...................................................................xx Bảng 11. Bề mặt truyền nhiệt..............................................................................................xxi Bảng 12. K‎ích thước buồng bốc.......................................................................................xxiii Bảng 13. K‎ích thước các ống dẫn......................................................................................xxiv Bảng 14. Bảng tóm tắt thiết bị chính..................................................................................xxv Bảng 15. K‎ích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet........................................xxviii Bảng 16. Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc.............................................................l Bảng 17. Thể tích thép............................................................................................................lii Bảng 18. Thể tích vỉ ống........................................................................................................liii Bảng 19. K‎hối lượng đáy và nắp thiết bị.............................................................................liii Bảng 20. K‎hối lượng nước....................................................................................................liv Bảng 21. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng..................................................................lv Bảng 22. Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn......................................lv Bảng 23. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp..............................................................lvi QUY ƯỚC K‎Ý‎ HIỆU Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau: - [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật iv Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt - [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, T.S Phan Văn Thơm. Với: x: số trang Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ trang web được ghi trong dấu ( ) CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1 Yêu cầu Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch nước muối loại liên tục ba nồi, buồng đốt trong, ống ngang ; nâng nồng độ chất khô hòa tan của dung dịch từ 8% lên 26% với lưu lượng sản phẩm là 1200 kg/h. v Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt 1.2 Tổng quan về muối ăn Muối ăn là một khoáng chất, được con người sử dụng như một thứ gia vị, có thành phần chính là Natri Clorua (NaCl). Tổng quan và thuộc tính của NaCl (ở 25 °C): - Danh pháp IUPAC: Natri Clorua - Công thức phân tử: NaCl - Phân tử gam: 58,4 g/mol - Pha: rắn - Nhiệt độ nóng chảy: 801 °C - Điểm sôi: 1465 °C Có rất nhiều dạng muối ăn: muối thô, muối tinh, muối iốt. Muối ăn là một chất rắn có dạng tinh thể, có màu từ trắng tới có vết của màu hồng hay xám rất nhạt, thu được từ nước biển hay các mỏ muối. Muối ăn có vị mặn, vị của muối là một trong những vị cơ bản. Muối ăn rất cần thiết cho sự sống của mọi cơ thể sống. Muối ăn tham gia vào việc điều chỉnh độ chứa nước của cơ thể (cân bằng lỏng). Muối được dùng làm chất bảo quản thực phẩm (ướp cá, thịt để tránh bị ươn …). Ngoài ra, muối ăn còn được dùng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa chất. 1.3 Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc 1.3.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. Quá trình cô đặc có thể tiến hành bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. Đối với sản phẩm thực phẩm, cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng phương pháp nhiệt (đun sôi). Do đó, ở đây chỉ đề cập đến phương pháp nhiệt. Khi cô đặc bằng phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp vi Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt suất mặt thoáng chất lỏng (tức là khi dung dịch sôi), sau đó dung môi lỏng sẽ bay hơi ra khỏi dung dịch. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thì dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi. Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt). Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau. Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa, cà chua, ớt …làm tăng chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, cô đặc còn có tác dụng bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật. 1.3.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau là dễ dàng và tiêu biểu nhất: Các thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên. + Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài. + Loại 2: Có buồng đốt ngoài. - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. vii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng. + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. + Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Cân bằng vật liệu 2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ ) Gọi : Gđ , Gc , W lần lượt là lưu lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối và tổng lượng hơi thứ (kg/h). xđ, xc là nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu và trong sản phẩm cuối (% khối lượng). W Gđ xđ Cô đặc G c xc viii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Chọn căn bản tính là 1 giờ. Cân bằng vật chất tổng quát: Gđ = G c + W Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc Ta có: xđ = 8% = 0,08 xc = 26% = 0,26 Gc = 1200 ⇒ Gđ = xc 0,26 .Gc = 0,08 .1200 = 3900 kg/h xđ ⇒ W = Gđ – Gc = 3900 – 1200 = 2700 kg/h 2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi Gọi W1, W2, W3 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h) Ta có: W1 + W2 + W3 = 2700 kg/h Giả sử tỷ lệ lượng hơi thứ của từng nồi W1:W2:W3 = 1,1:1,05:1, sau khi tính toán thực tế ta sẽ tìm được W1, W2 và W3 và so sánh với W1, W2, W3 theo giả thuyết ban đầu. Nếu sai số giữa lượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết < 5% là được. ⇒ W1 = 942,86 kg/h W2 = 900 kg/h W3 = 857,14 kg/h 2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi Gđ, xđ W Nồi 1 G1, x1 W G2, x2 Nồi 2 G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h) ix W Nồi 3 Gc , xc Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt x1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng) - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: Cân bằng vật chất tổng quát: G1 = Gđ – W1 = 3900 – 942,86 = 2957,14 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = G1.x1 ⇒ x1 = Gđ 3900 .x = . 0,08 = 0,1055 = 10,55% G1 đ 2957,14 - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x2): Cân bằng vật chất tổng quát: G2 = G1 – W2 = 2957,14 – 900 = 2057,14 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: G1.x1 = G2.x2 G1 ⇒ x2 = G .x1 = 2 2957,14 2057,14 . 0,1055 = 0,1517 = 15,17% - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 3 (x3): G3 = Gc = 1200 kg/h Nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 3 chính là nồng độ sản phẩm cuối. x3= xc = 26% Nồng độ trung bình nồi 1: ⇒ x tb1 = x đ + x1 8 + 10,55 .100 = .100 = 9,23 % 2 2 Nồng độ trung bình nồi 2: ⇒ x tb2 = x1 + x 2 10,55 + 15,17 .100 = .100 = 12,86 % 2 2 Nồng độ trung bình nồi 3: ⇒ x tb3 = x2 + x3 15,17 + 26 .100 = .100 = 20,59 % 2 2 x Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt 2.2 Cân bằng nhiệt lượng 2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi + Chọn áp suất hơi đốt Phđ1 = 1,461 atm ứng với nhiệt độ hơi đốt Thđ1 = 110 oC + Áp suất trong thiết bị ngưng tụ Png = 0,1258 atm ứng với nhiệt độ Tng = 50 oC Dựa vào các dữ kiện trên và [B – 39] – II -7 ta xác định được áp suất của hơi đốt và nhiệt độ của hơi thứ. Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi Nồi 1 Loại Hơi đốt Hơi thứ Nồi 2 P (at) 0 T ( C) 1,461 110 1,016 99,5 Nồi 3 Tháp ngưng tụ P (at) 0 T ( C) P (at) T ( C) 0,9817 98,5 0,5425 83,1 0,5709 84,1 0 0,1258 P (at) T (0C) 0,1258 50 51 Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 oC (do tổn thất nhiệt trên đường ống), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1 oC. 2.2.2 Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ 2.2.2.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ nâng cao (Δ’) Δ’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisencô:Δ’ = Δ 0’.f , oC - Với: f T =16,2. m r 2 [AII – 59] – (VI.10) Trong đó: Δo’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường ( Δo’ có thể được tra từ [AII – 60] theo nồng độ cuối và ứng với nhiệt độ hơi thứ). f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suất thường. r :ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, ( J/kg ). [B-39] Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc ( bằng nhiệt độ hơi thứ) , K. Dựa vào các dữ kiện trên và sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 2, ta xác định được tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao. xi Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao Đại lượng xtb (%) Tht (0C) ∆’o (0C ) f ∆’ (0C) Nồi 1 9,23 99,5 1,75 0,997 1,74 Nồi 2 12,86 84,1 2,62 0,9 2,36 Nồi 3 20,59 51 5,06 0,716 3,62 Σ∆’ 1,383 (∆’o tra từ sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 2) 2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao, Δ’’ Áp suất hơi thứ dung dịch thay đổi theo chiều sâu của dung dịch: Ở trên bề mặt dung dịch thì bằng áp suất hơi trong buồng bốc, còn ở đáy thì bằng áp suất trên bề mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính toán ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch. Ta có công thức tính áp suất trung bình của dung dịch như sau: Ptb = P’ + ΔP , N/m2 ΔP = (h1 + ρs = ρs 2 h2 ).ρs.g, N/m2 2 [AII – 60] – (VI.12) , kg/m3 Với: P’: áp suất hơi trên bề mặt dung dịch ( bằng áp suất hơi thứ) , N/m 2. 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 mặt thoáng 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 g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 Nếu biết được áp suất thủy tĩnh ta sẽ tính được áp suất trung bình (Ptb) ở từng nồi. - Nồi 1: Ptb1 = Pht1 + ΔP1 , N/m2 - Nồi 2: Ptb2 = Pht2 + ΔP2 , N/m2 - Nồi 2: Ptb3 = Pht3 + ΔP2 , N/m2 xii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung bình (Ttb) và nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (Tmt). - Nồi 1: Δ1’’ = Ttb1 – Tmt - Nồi 1: Δ2’’ = Ttb2 – Tmt - Nồi 1: Δ3’’ = Ttb3 – Tmt - Cả 2 nồi: Σ∆’’= ∆’’1 + ∆’’2 + ∆’’3 Chọn chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch ở nồi 1,nồi 2 và nồi 3 bằng nhau: h1= 0,75 m Chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt: h2= 0,5 m. Khối lượng riêng được tra dựa vào nồng độ trung bình và ứng với nhiệt độ hơi thứ từ sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 1 [AII – 45] – (II - 57). Bảng 3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh Đại lượng xtb (%) Tmt (0C) ρ (kg/m3) ρs (kg/m3) ∆P (N/m2) Ptb (atm) Ttb (0C) ∆’’ (0C) Nồi 1 9,23 99,5 1022,51 511,26 5010,35 1,0654 100,81 1,31 Nồi 2 12,8 6 84,1 1058,56 529,28 5186,94 0,6221 86,28 2,18 Nồi 3 20,5 9 51 1136,41 568,2 5568,36 0,1808 57,38 6,38 Σ∆’’ (0C) 9,87 (Nhiệt độ trung bình Ttb tra [B – 39] – (II - 7) dựa vào áp suất trung bình Ptb) 2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn, Δ’’’ Thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi kia, từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là: Δ’’’ = 1 ÷ 1,5 oC [AII – 67] Chọn Δ1’’’ = Δ2’’’ = 1oC 2.2.2.4 Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc, ΣΔ Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc Nồi ∆' (0C) ∆'' (0C) ∆''' (0C) 1 0,285 1,47 1 2 1,099 6,19 1 Σ 1,383 7,6567 2 xiii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt 2.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch. Nhiệt độ sôi - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1: Ts1 = Tht1 + Δ’1 + Δ’’1 = 103,55 oC - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2: Ts2 = Tht2 + Δ’2 + Δ’’2 = 89,64 oC - Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2: Ts2 = Tht2 + Δ’2 + Δ’’2 = 62 oC Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi: Δthi = Thđ – Ts , (oC) [AII – 67] – (VI.17) Thđ: nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi. Ts: nhiệt độ sôi của dung dịch trong từng nồi. - Đối với nồi 1: Δthi1 = Thđ1 – Ts1 = 110 – 103,55 = 6,45 oC - Đối với nồi 2: Δthi2 = Thđ2 – Ts2 = 98,5 – 89,64 = 8,86 oC - Đối với nồi 3: Δthi3 = Thđ3 – Ts3 = 83,1 – 62 = 21,1 oC Vậy tổng số nhiệt độ hữu ích: ∑∆thi = 6,45 + 8,86 + 21,1 = 36,41 oC 2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch Giá trị nhiệt dung riêng của dung dịch muối được tra dựa vào nồng độ dung dịch từ (http://www.engineeringtoolbox.com/sodium-chloride-water-d_1187.html) Ta có : Tđ , Ts1 ,Ts2 : nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, ra khỏi nồi 3, ( oC ). xiv Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt xđ , xtb1 , xtb2, xtb3: nồng độ dung dịch ban đầu, nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 , ( % ). Bảng 5: Nhiệt dung riêng của dung dịch muối Dung dịch x (%) Ts (0C) Nhiệt dung riêng (J/kg.độ) Vào nồi 1 8 103,55 3786,6 Ra khỏi nồi 1 10,55 103,55 3672,3 Ra khỏi nồi 2 15,17 89,64 3516 Ra khỏi nồi 3 26 62 3196,4 2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi Giả thiết: Không lấy hơi phụ (toàn bộ hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2).Không có tổn thất nhiệt ra môi trường. + Bỏ qua nhiệt cô đặc (hay nhiệt khử nước). Chọn nhiệt độ tham chiếu là 0 oC. Phương trình cân bằng năng lượng: - Nồi 1: D( iđ – Cn1θ1 ) = G1C1Ts1 – GđCđTđ + W1i1 (a) - Nồi 2: W1( i1 – Cn2θ2 ) = G2C2Ts2 – G1C1Ts1 + W2i2 (b) - Nồi 3: W2( i2 – Cn3θ3 ) = G3C3Ts3 – G2C2Ts2 + W3i3 (c) Trong đó: D : khối lượng hơi đốt cho hệ thống trong 1 giờ, kg/h W1, W2 : khối lượng hơi thứ nồi 1, nồi 2 trong 1 giờ, kg/h Gđ, G1, G2, G3 : khối lượng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2, ra kjỏi nồi 3 trong 1 giờ, kg/h Cđ, C1, C2, C3: nhiệt dung riêng dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi nồi 3, J/kg.độ Tđ, Ts1, Ts2, Ts3: nhiệt độ dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi 1, ra khỏi nồi 2 và ra khỏi nồi 3, 0C iđ, i1, i2, i3: enthalpy hơi đốt vào nồi 1, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2, hơi thứ nồi 3, J/kg Cn1, Cn2, Cn3: nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3, J/kg.độ xv Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt θ1, θ2, θ3: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (bằng nhiệt độ hơi đốt của nồi 1, 2 và 3; nhiệt độ hơi đốt nồi 3 là nhiệt độ hơi thứ nồi 2, nhiệt độ hơi đốt nồi 2 là nhiệt độ hơi thứ nồi 1), oC Ta có: W = W1 + W2 + W3 = 2700 kg/h (c) Bảng 6. Các thông số về năng lượng x C, (%) J/kg.độ 3900 8 3786,6 2957,1 10,5 4 5 2057,1 15,1 4 7 1200 26 G, kg/h Nhập liệu (đ) Ra khỏi nồi 1 Ra khỏi nồi 2 Ra khỏi nồi 3 3672,3 Ts,dd , Thơi , i, o C o C 105 103,5 5 J/kg θ, Cn, C J/kg.độ o 110 2248000 99,5 2281000 110 4230,89 2370000 98,5 4216,92 83,1 4201,59 3516 89,64 84,1 3196,4 62 51 Ghi chú: - Cn được tra từ (http://www.rpaulsingh.com/teaching/Properties.htm) dựa vào nhiệt độ hơi đốt. - i = r do hơi đốt là hơi nước bão hòa và tra từ [B – 39] - (II-7) theo nhiệt độ dung dịch tương ứng. - Ts,dd là nhiệt độ của dung dịch tương ứng, 0C. Thay các số liệu trong bảng 6 vào 2 phương trình cân bằng năng lượng (a), (b) và (c) ở trên. Giải hệ phương trình (a), (b) và (c) ta được: ⇒ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là: W1 = 912,84 kg/h ⇒ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là: W2 = 904,86 kg/h ⇒ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 3 là: W3 = 882,3 kg/h ⇒ Lượng hơi thứ tiêu tốn chung là: D = 972,75 kg/h 2.2.6 K‎iểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi Công thức so sánh: WL − Wn .100% < 5% thì chấp nhận WL Trong đó: WL: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị lớn xvi Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Wn: lượng hơi thứ giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ Nồi 1: 942,86 − 912,84 .100% = 942,86 Nồi 2: 904,86 − 900 .100% = 904,86 Nồi 2: 882,3 −857,14 .100% = 882,3 3,18% < 5% 0,54% < 5% 2,85% < 5% Vậy giả thiết ban đầu được chấp nhận. 2.3 Tính bề mặt truyền nhiệt 2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp Q = D.r, W [B – 115] D : lượng hơi đốt cho mỗi nồi, kg/h r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt mỗi nồi, J/kg Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp Nồ i D (kg/h) Thđ (0C) r, (J/kg) Q, (W) 1 972,75 110 2234000 603645,4 2 912,84 98,5 2263900 592928 3 904,86 83,1 2301940 575485 (Nhiệt độ hơi đốt nồi 3 là nhiệt độ hơi thứ nồi 2, nhiệt độ hơi đốt nồi 2 là nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ) 2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K‎ của mỗi nồi K= q tb , W/m2.độ ∆t hi [B – 116] – (III.17) qtb : nhiệt tải riêng trung bình, W/m2 Δthi : hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết, 0C 2.3.2.1 Nhiệt tải riêng trung bình qtb = q1 + q 2 , W/m2 2 [B – 116] q: nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành ống đốt, W/m2 q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W/m2 q2: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2 xvii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt tbh: nhiệt độ hơi nước bão hòa dùng làm hơi đốt, oC Ts: nhiệt độ sôi dung dịch, oC tw1, tw2: nhiệt độ thành ống đốt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, oC Δt1 = tbh – tw1, oC Δt2 = tw2 – Ts, oC Σr: tổng nhiệt trở của thành ống đốt, m2.độ/W α1, α2: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, phía dung dịch sôi, W/m2.độ Ta có: q= 1 (tw1 – tw2) Σr q1 = α1.Δt1 q2 = α2.Δt2 Theo lý thuyết q = q1 = q2 Do chưa có các giá trị hiệu số nhiệt độ ta phải giả sử Δt1 để tính nhiệt tải riêng, sau đó kiểm tra lại bằng cách so sánh q1 và q2. Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn 5% thì chấp nhận giả thiết. 2.3.2.2 Tổng nhiệt trở của thành ống đốt Σr Σr = r1 + δ + r2 , m2.độ/W λ [AII – 3] r1: nhiệt trở trung bình của hơi nước (có lẫn dầu nhờn) r1 = 0,232.10-3 m2.độ/W [AII – 4] r2: nhiệt trở trung bình lớp cặn bẩn r2 = 0,387.10-3 m2.độ/W δ: chiều dày thành ống đốt, m λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt, W/m.độ Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt bằng thép 304, tra bảng [AII – 313] – (VII.7) ta được: λ = 50 W/m.độ Chọn : δ = 2,108 mm = 2,108.10-3 m xviii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt Đường kính ngoài: dng = 101,6 mm = 101,6.10-3 m ⇒ Đường kính trong: dtr = dng – 2.δ = 97,384.10-3 m (http://www.engineeringtoolbox.com/nominal-wall-thickness-pipe-d_1337.html) Vậy: Σr = r1 + Σr = 0,232.10-3 + δ + r2 λ 2,108.10 −3 + 0,387.10-3 = 0,000661 m2.độ/W 50 2.3.2.3 Hệ số cấp nhiệt α1, α2 a. α1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2.độ Trường hợp ngưng hơi bão hòa tinh khiết (không chứa khí không ngưng) trong ống ngang, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức: W/m2.K r : ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg ρ : khối lượng riêng nước ngưng, kg/m3 g = 9,81 m/s2 µ: độ nhớt của nước ngưng, Pa.s λ : hệ số dẫn nhiệt nước ngưng, W/m.K d: đường kính ngoài của ống, m tđ, tT1: nhđộ hơi đốt, nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ (bằng tw1), oC Bảng 8. Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng Nồi thđ, 0 C Δt1, 0 C tw1, 0 C d, m r, J/kg ρ, kg/m3 µ, Pa .s λ, W/m.K α1, W/m2.độ q1, W/m2 1 110 0,128 109,872 0,101 6 2234000 951 0,259 0,000684 26671,78 3413,99 2 98,5 0,248 98,252 0,101 6 2263900 959,42 0,287 0,0006817 22149,13 5492,98 3 83,1 1,174 81,926 0,101 6 2301940 969,82 0,34 0,0006769 14454,47 16969,54 Δt1 tự chọn, sau đó kiểm tra lại với thực tế, nếu tỉ lệ sai số < 5% thì chấp nhận. r= i, tra theo nhiệt đô hơi đốt từ [AII – 39] – (II - 7) xix Niên luận Kỹ thuật thực phẩm khóa 34 - 2010 GVHD: Th.s Văn Minh Nhựt b. α2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2.độ α2 được tính theo công thức: λ α 2 = α n  dd  λn Trong đó:    0 , 565  ρ  dd  ρ n    2  C dd   Cn  µ n   µ dd    0 , 435 [AII – 71] – (VI.27) Chỉ số dd biểu thị cho dung dịch, chỉ số n biểu thị cho nước. λ: hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ ρ: khối lượng riêng, kg/m3 C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ μ: độ nhớt động lực, m.Pa.s Hệ số cấp nhiệt của nước khi sôi sủi bọt, đối lưu tự nhiên, áp suất 0,2 ÷ 100 atm được tính theo công thức: α n = 45,3(∆t 2 ) 2,33 p 0,5 , W/m2.độ [B – 44] Δt2 = tw2 – tdds , oC p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (bằng áp suất hơi thứ), atm Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λdd được tính theo công thức: λdd = (326,775 + 1,0412T – 0,00331T2).(0,796 + 0,009346. %H2O).10-3 T: nhiệt độ sôi dung dịch, K Do qw = q1 ⇒ Δtw = tw1 - tw2 = qw.Σr = q1.Σr Từ Δtw ta suy ra được Δt2 và tính được αn: Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi Nồi P, atm Δtw, 0C tw2, 0C Δt2, 0C αn, W/m2.độ 1 1,016 2,2566 107,62 4,0654 1198,79 2 0,5709 3,6309 94,62 4,9811 1442,63 3 0,1258 11,217 70,71 8,7091 2489,32 Từ αn ta tính được α2: Bảng 10. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi xx