Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường xuôi chiều liên tục, buồng đốt tron...

Tài liệu Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài

.PDF
77
693
64

Mô tả:

ĐẶC VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm đang trở thành ngành chủ lực của nước ta. Trong đó ngành công nghiệp đường mía có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế cũng như đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Bên cạnh cung cấp nguồn dinh dưỡng cho con người, đường còn có vai trò quan trọng trong nhiều ngành khác như bánh kẹo, dược, hóa học… Với những đóng góp quan trọng đó, công nghiệp mía đường ngày càng phát triển cùng với việc mở rộng năng suất, cải tiến công nghệ và đổi mới thiết bị. Thiết bị sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất, vì vậy việc sử dụng thiết bị phải phù hợp với tình hình thực tế để quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt nhất. Thiết bị cô đặc là một trong những thiết bị chính ảnh hưởng quan trọng đến quá trình sản xuất đường, việc tính toán các thông số, kết cấu cũng như chọn loại thiết bị cô đặc cần phải chính xác, hợp lý, phù hợp với yêu cầu của sản xuất. Đối với là sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, đồ án quá trình thiết bị là một đồ án có vai trò hết sức quan trọng, giúp chúng ta hiểu đựơc cách thức thiết kế một thiết bị theo yêu cầu, cũng như cung cấp một cái nhìn thực tế về dây chuyền sản xuất. Bao gồm việc tính toán lựa chọn các thông số làm việc cũng như các thông số của thiết bị, biết được cách vận hành cũng như đưa ra chế độ làm việc, đảm bảo cho thiết bị làm việc ổn định và đáp ứng yêu cầu đặt ra, nghiên cứu và đề ra biện pháp khắc phục các sự cố trong quá trình vận hành, hoạt động thiết bị. Đồ án quá trình thiết bị cô đặc còn giúp chúng ta hiểu được cách tra sổ tay, bao gồm tra cứu các số liệu liên quan đến quá trình cô đặc mía đường như nhiệt độ sôi, áp suất hơi, độ nhớt, khối lượng riêng .vv. và các công thức tính toán. Ngoài ra, qua việc thiết kế thiết bị, chúng ta sẽ biết cách thiết lập một bản vẽ kỹ thuật, biết cách đọc, phân tích và hiểu một bản vẽ. Tóm lại, đồ án quá trình thiết bị có vai trò rất thiết thực đối với quá trình học tập cũng như công việc sau này. -1- Với những yêu cầu trên, tôi thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch mía đường xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài”. Trong quá trình thực hiện đồ án, do chưa có kinh nghiệm và kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi được những sai sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô. Tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Thỵ Đan Huyền và các thầy cô thuộc khoa CK-CN đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ án. -2- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ 1. Sơ lược về lý thuyết cô đặc: 1.1. Định nghĩa: Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh. Ở đề tài này ta sử dụng phương pháp cô đặc bằng nhiệt. 1.2. Các phương pháp cô đặc: Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng. Bản chất của cô đặc do nhiệt: để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. -3- 1.3. Phân loại và ứng dụng của cô đặc: 1.3.1. Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc). Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. 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, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm: Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ. Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. 1.3.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình: Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao. -4- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt. Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho dung dịch không bị phân hủy 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 nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ c ho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. 1.4. Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc: - Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng không chết. - Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian nhỏ nhất. - Có hệ số truyền nhiệt lớn. - Hơi đốt phải đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ống của dàn ống ( đảm bảo nhiệt phân bố đều cho các ống của dàn ống ). - Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để cho ngưng tụ (không làm bẩn bể mặt ngưng )lấy nhiệt cấp cho nồi tiếp theo. - Đảm bảo thoát khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thoát ra bình thường. Sự tồn tại của khí không ngưng trong phòng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơi và do đó giảm năng suất bốc hơi. - Đảm bảo thoát nước ngưng dễ dàng. Việc thoát nứoc ngưng tụ có liên quan chặt chẽ đến tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thoát nước ngưng không tốt, nước ngưng đọng lại nhiều trong phòng đốt, làm giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi. -5- - Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch. - Thao tác khống chế đơn giản, tự động hóa dễ dàng. 2. Nguyên liệu và sản phẩm: 2.1. Đặc điểm nguyên liệu: Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc đường saccharoza là nước mía đã được làm sạch, loại bỏ các tạp chất, tẩy màu, tẩy mùi. Sau công đoạn làm sạch nước mía có pH khoảng 6,5- 6,8. Thành phần chính của nước mía là đường saccharoza, một phần nhỏ là các đường đơn (glucoza, fructoza.. ),celluloes,tinh bột và một số các chất vô cơ, hữu cơ khác (axit amin, HNO 3, NH3, protein, chất màu, chất sáp…). Do có hàm lượng đường cao, nước mía là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển nên trong quy trình sản xuất đường, nước mía phải được chứa đựng trong, vận chuyển, xử lý trong các thiết bị kín, liên tục. Đường saccharoza không bền về nhiệt, ở nhiệt độ cao và pH axít, nó dễ bị biến đổi thành các đường đơn, các hợp chất có màu làm giảm hiệu suất thu hồi đường và giảm giá thành sản phẩm. Vì vậy trong quá trình sản xuất, người ta luôn tìm cách giảm nhiệt độ vẫn bảo và giảm thời gian dung dịch tiếp xúc với nhiệt độ cao. 2.2. Đặc điểm sản phẩm: Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: - Dung môi: nước. - Các chất hoà tan : có nồng độ cao. 2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm: Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. -6- 2.3.1. Biến đổi tính chất vật lý: Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi. - Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt. - Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. 2.3.2. Biển đổi tính chất hóa học: Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit ( vd: asparagin ) của các cấu tử tạo thành acid. Đóng cặn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hòa tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa. Phân hủy một số vitamin. 2.3.3. Biển đổi sinh học: Tiêu diệt vi sinh vật ( ở nhiệt độ cao). Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao. 2.3.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa: Thực 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. 3. Lựa chọn thiết bị cô đặc: Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên ta chọn loại thiết bị cô đặc buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài, sử dụng hai nồi xuôi chiều liên tục. -7- Ưu điểm của hệ thống: - Thiết bị có ống tuần hoàn ngoài nên nhiệt chỉ cấp cho dung dịch chứ không cấp cho ống tuần, vì vậy đối lưu mạnh hơn so với trường hợp có ống tuần hoàn trung tâm. Ưu điểm của ống tuần hoàn ngoài là tốc độ tuần hoàn của dung dịch lớn, đạt 2-3 m/s nên dung dịch không bị đóng cặn và hệ số truyền nhiệt không giảm - Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Hệ xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch mà chất tan dễ biến tính vì nhiệt độ cao như dung dịch nước đường. Vì trong hệ xuôi chiều, nhiệt độ và áp suất của dung dịch giảm dần từ nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp tức là sản phẩm được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấp nhất. Đồng thời do chênh lệch áp suất nồi trước và nồi sau nên nguyên liệu tự chảy từ nồi trước ra nồi sau, do đó giảm bớt chi phí cho thiết bị bơm. Nhược điểm: - Hệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có độ nhớt cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy ra. - Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết tinh vì dung dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống. - Hệ cô đặc nhiều nồi đòi hỏi chi phí cho thiết bị nhiều hơn, cũng như diện tích nhà xưởng lớn hơn. Buồng đốt trong nên quá trình tách bọt không hiệu quả bằng buồng đốt ngoài, đồng thời chiều cao lớn hơn nên khó khăn trong vận hành sửa chữa cũng như thiết kế chiều cao nhà xưởng - Cô đặc chân không nên điều kiện an toàn khó khăn, tốn năng lượng và chi phí vận hành thiết bị -8- 4. Quy trình công nghệ: 4.1 Quy trình hoạt động của hệ thống (bảng vẽ [1]) : Nguyên liệu đầu tiên là nước mía đã qua làm sạch có nồng độ 10% được bơm từ bồn chứa lên thùng cao vị sau đó vào thiết bị gia nhiệt với năng suất 10000kg/h để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi. Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi đốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at. Trong thiết bị gia nhiệt có sự trao đổi nhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách truyền nhiệt. Dòng lỏng sẽ được gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc. Việc gia nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ra lúc sau ở thiết bị cô đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi ở buồng đốt là thật sự hiệu quả. Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏng sôi và đựơc thoát ra ngoài. Ơ thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng để đảm bảo an toàn về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệu quả. Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc. Đầu tiên dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1). Dòng hơi được sử dụng cũng từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi nước để cấp nhiệt cho dòng lỏng. Ở đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt qua bề mặt ống truyền nhiệt, dung dịch trong ống nhận nhiệt của hơi sẽ sôi và đi lên phía trên buồng bốc tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng. Ở buồng bốc 1, dung dịch thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận đủ nhiệt để chuyển trạng thái). Hơi nước bốc lên với áp suất là P’1 at và dung dịch còn lại sẽ tăng nồng độ lên là 15.639%. Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dòng hơi lôi cuốn các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết bị phía sau do có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Để khắc phục điều này trong các buồng bốc có bộ phận phân ly giọt lỏng. Tuỳ vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sự dính ướt hay sự ly tâm. Ở đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướt dạng nón. Khi dòng hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lại trên nón và chảy xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, hơi thứ tràn qua phần nón đi ra ngoài theo ống dẫn hơi để sang cung cấp cho buồng đốt 2. Hơi sau khi cung cấp -9- nhiệt ngưng tụ thành lỏng và được tháo ra ngoài, đồng thời khí không ngưng của được thải ra ngoài để đảm bảo cho quá trình. Còn dung dịch được bơm sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình cô đặc. Ở hệ thống nồi cô đạc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ở nồi 1 tuy nhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau: Do có sự thay đổi đáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ sôi của dung dịch đã giảm xuống ứng với nhiệt độ hiện có của dung dịch. Vì dung dịch vào nồi 2 ở trạng thái quá nhiệt nên xảy ra qua trình tự bay hơi một phần dung môi để nhiệt độ giảm xuống xuống nhiệt độ sôi của nồi 2, sau đó nhận nhiệt lượng của hơi đốt để tiếp tục bay hơi. Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi lên và tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi lên buồng bốc, hơi sau khi cung cấp nhiệt ngưng tụ thành nước ngưng cùng với khí không ngưng được thoát ra ngoài. Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện. Hơi thứ lúc này c ó áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.258 at được đi theo ống dẫn hơi đến thiết bị ngưng tụ baromet. Trong khi đó dung dịch mía đường sau quá trình bốc hơi đạt đến nồng độ 37 % được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho các công đoạn sau đó. 4.2. Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô. Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp dòng lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ thành lỏng theo dòng nước đi xuống bồn chứa. Trong quá trình này có một lượng lớn hơi được ngưng tụ nên áp suất giảm tạo áp suất chân không. Chính nhờ điều này mà áp suất trong thiết bị được duy trì ổn định. Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưng còn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng. Tấm ngăn sẽ làm vật cản để dính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí này rồi sau đó mới cho nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng xâm thực có thể xảy ra làm hư bơm. Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khí không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử dụng bơm hút chân không giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay đổi trong cả hệ thống. - 10 - CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC Thông số ban đầu - Dung dịch nước mía. - Nồng độ đầu của dung dịch: xđ = 10%, - Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 37%. - Năng suất tính theo dung dịch đầu:G d: = 10,000 (kg/h) - Áp suất hơi đốt nồi 1: P 1 = 4 at. - Áp suất ở thiết bị ngưng tụ baromet : P nt = 0.25 at 1. Tính cân bằng vật liệu: 1.1. Tính lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W): Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn bộ hệ thống Gd = Gc + W Trong đó: Gd, Gc: lưu lượng đi vào , đi ra khỏi hệ thống (kg/h) W:lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống (kg/h) Viết cho cấu tử phân bố Gdxd =Gcxc+Wxw Xem lượng cấu tử hòa tan không mất mát theo hơi thứ, ta có: Gdxd=Gcxc Vậy lượng hơi bốc ra của toàn bộ hệ thống được xác định : - 11 - W  Gd (1  xd ) xc (kg/h) Thay số vào ta có: W  Gd (1  xd 10 )  10000.(1  )  7297.297 kg/h. xc 37 1.2 .Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi: Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp. 1 Ta chọn W1  1.2 W2 W1 1 W2 Khi đó ta có hệ phương trình: W1 1 W2 W1  W2 = 7297.297 Giải hệ trên có kết quả : W1 = 3648.649 (kg/h) W2 = 3648.649 (kg/h) Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1: Gd .xd 10000 10   15.745% xc1= Gd  W1 10000  3648.649 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2: xc2  Gd .xd 10000  0.1   37% Gd  W 10000  7297.297 - 12 - 2. Tính cân bằng năng lượng: 2.1. Xác định áp suất của mỗi nồi: Gọi P1, P2 ,Pnt : là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ P1 :hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2 P2 :hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ P :hiệu số áp suất của toàn hệ thống Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa Ta có: P =P1 – Pnt = 4 – 0.25 = 3.75 (at) P = P1 + P2 =3.75 (at) Giả sử chọn : Suy ra : P1  2.5 P2 P1 = 2.679 (at) P1 = P1 – P2  P2 = P1 – P1 = 4 – 2.679 = 1.321 (at) 2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi: Gọi thd1 , thd2 , tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2 Giả sử tổn thất nhiệt độ do trở lực trên đường ống gây ra khi chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C và từ nồi 2 sang thiết bị ngưng tụ là 10C. Tra bảng I.250, [1] / 312 và I.251, [2] / 314 - 13 - Bảng 1: thông số pha hơi Giá trị Đại lượng Kí hiệu Đơn vị Nồi 1 Nồi 2 Thiết NT Áp suất P at 4 1.321 0.25 Nhiệt độ Entanpi thd iD 0C Kj/kg 142.9 2744 106.92 64.2 2690.456 2616.092 Ẩn nhiệt ngưng tụ rD Kj/kg 2141 2242.624 2347.125 Áp suất Pw at 1.366 0.258 Nhiệt độ Entanpi tht iw 0C J/kg 107.92 65.2 2692.256 2617.825 Ẩn nhiệt ngưng tụ rw J/kg 2239.842 2344.712 bị Hơi đốt Hơi thứ 2.3. Xác định tổn thất nhiệt độ: 2.3.1. Tổn thất do nồng độ gây ra ( ' ): Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra. 0 0 Ta có:  '  tsdd  tsdmnc Tra từ bảng IV-1, [3]/ 198, ta có bảng sau: Bảng 2: Tổn thất nhiệt độ do nồng dộ gây ra ở các nồi Nồi 1 Nồi 2 Nhiệt độ hơi thứ (0C) 107.92 x1d (10%) 65.2 x2d (15.745%) x1c (15.745%) - 14 - x2c (37%) 'i (0C) 0.1 0.279 0.215 0.820 Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra của hệ thống là:  '   '1   ' 2 = 0.279+0.820 = 1.099 0C 2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (  '' ): Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có: P = 1 S.g.Hop 2 (N/m2) Trong đó: s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3) s =0.5 dd dd : Khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) Hop : Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m) Hop = [0.26+0.0014(dd-dm)].Ho Từ P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công thức: Ptbi= Pwi + Pi ( i ): nồi thứ i Tra bảng I.5, [1]/ 11 và bảng I.86, [1]/ 58 ta được bảng sau: Bảng 3: khối lượng riêng của dung dịch và dung môi xc ,% t’,0C dd , kg/m3 s , kg/m3 dm , kg/m3 Nồi 1 15.745 107.92 1064.05 532.025 952.535 Nồi 2 37 65.2 1163.29 581.645 980.48 - 15 - Xem dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét. Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho = 3 (m). Nồi 1: Hop = 0.26+0.0014(ρdd -ρdm ) Ho =[0.26 + 0.0014(1064.05-952.535)]3=1.248 (m) Áp suất trung bình: Ptb1= Pw1+ P1=1.366 + 0,5  532.025  1.248  10-4 = 1.399 (at) Tra sổ tay tại P tb1 = 1.399 (at) ta có t”1=108.678 0C. Suy ra : ”1 = t”1 – t’ 1 = 108.678– 107.92 =0.758 0C Nồi 2: Hop = 0.26+0.0014(ρdd -ρdm ) Ho =[0.26+0.0014(1163.29 -980.48)]3=1.548 (m) Áp suất trung bình: Ptb2= P w2 + P2=0,52 + 0,258  581.645  1.548  10-4 = 0.303 (at) Tra sổ tay tại P tb2 = 0.303 (at) ta có t”2= 68.9 0C. Suy ra : ”2 = t”2 – t”2 = 68.9 – 65.2 =3.7 0C Vật tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh của hai nồi là: ” =”1+”2 =0.758 + 3.7 = 4.458 0C 2.3.3. Tổn thất do trở lực thủy lực (  ''' ): Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi 1 sang nồi 2 và từ nồi 2 sang thiết bị ngưng tụ là 10C. - 16 - Do đó:  '''1 = 10C  '''2 = 10C   '   '''1   '''2 = 20C 2.3.4. Tổn thất nhiệt độ của toàn hệ thống:    '  ''  ''' =1.099 +4.458 +2 = 7.5570C 2.3.5. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi: Nhiệt độ sôi của từng nồi: Nồi 1: t s1 =t ht1 +Δ'1  Δ''1 = Nồi 2: t s2 =t ht2 +Δ'2  Δ''2 107.92+0.279+0.758 = 108.9570C = 65.2+0.82+3.7 = 69.720C Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi: Nồi 1: Δ hi1  t hd1  t s1 = Nồi 2: Δ hi2  t hd2  t s2 = 106.92  69.72 = 37.20C 142.9  108.957= 33.9430C Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống: Δ hi  Δ hi1  Δ hi2 = 33.943+37.2 =71.1430C 2. Cân bằng nhiệt lượng: 2.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi: Áp dụng công thức I.50, [1]/ 153 Nhiệt dung riêng của dung dịch đường trước khi cô đặc: Cd1= 4190-(2514-7.542td1) xd 1 , với td1 = 108.7780C, xd 1 =10% Cd1= 4190-0.1(2514-7.542 x 108.778) =4020.64 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sau khi ra khỏi nồi 1: Cc1=4190-(2514-7.542tc1) xc1 =4190-0.15745(2514-7.542 x 108.957) - 17 - =3923.561 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sau khi ra khỏi nồi 2: Cc2=4190-(2514-7.542tc2) xc2 = 4190-0.37(2514-7.542 x 69.72) =3454.376 (J/kg.độ) 2.2. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng: Sơ đồ cân bằng năng lượng cho hệ thống cô đặc: Hình 1: Cân bằng nhiệt lượng của hệ thống cô đặc 2 nồi Ta có phương trình cân bằng năng lượng tổng quát cho hệ thống cô đặc Gd Cd td  DiD  Wiw  DCng  Gc cctc  Qcd  Qtt liên tục: Trong đó: Gd Cd td =Qd : Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào DiD : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào - 18 - Wiw = QW : Nhiệt lượng do hơi thứ mang ra DCng = Qng : Nhiệt do nước ngưng mang ra Gc cctc = Qc : Nhiệt do sản phẩm mang ra Qcd : Nhiệt cô đặc Qtt : Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh Với giả thiết: Nhiệt cô đặc là rất nhỏ, có thể bỏ qua, Qcd =0. Không có hiện tượng quá lạnh nước ngưng, tức là nước ngưng ở trạng thái lỏng sôi, nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: i - Cng.  = r. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp là : QD = D(i - Cng. ) = D. r Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: Q tt =0.05D.r Phương trình cân bằng năng lượng của hệ thống được viết lại: D.r + Gd Cd td = Wiw + Gc cctc +0.05D.r  0.95D.r = Wiw + Gc cctc - Gd Cd td Nồi 1: 0.95D1.rD1 = W1iw1 + (Gd  W1 )Cc1tc1 - Gd Cd 1td 1 Nồi 2: 0.95D2.rD2 = W2iw2 + (Gd  W)Cc 2tc 2 - Gd 2Cd 2td 2 = (W-W1). iw2 + (Gd  W)Cc 2tc 2 - (Gd  W1 )Cc1tc1 Trong đó: D1, D2 là lượng hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 iw1 , iw2 là entanpi của hơi thứ nồi 1, nồi 2 C d 1 , C c1 , C d 2 , C c 2 là nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra nồi 1, nồi 2 - 19 - t d 1 , tc1 , td 2 , t c 2 là nhiệt độ của dung dịch trước khi vào và sau khi ra nồi 1, nồi 2 rD1, rD2 là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt nồi 1 và nồi 2 Với D2=W1, ta có: 0.95W1.rD2 = (W-W1). iw2 + (Gd  W)Cc 2tc 2 - (Gd  W1 )Cc1tc1  W1  Wiw 2  (Gd  W )Cc 2tc 2  Gd Cc1tc1 = 0,95rD 2  iw 2  Cc1tc1 7297.297  2617.852 103  (10000  7297.297)  3454.376  69.72  10000  3923.561108.96 0.95  2242.624 103 +2617.852 103  3923.561108.96 = 3582.439(kg/h) W2 = W  W1 = 7279.297  3582.439 = 3714.858(kg/h) Lượng hơi đốt cung cấp cho nồi 1: D1  W1iw1  (Gd  W1 )Cc1tc1  Gd Cd 1tdt 0.9rD1 = 3582.439 2692.256 103  (10000 3582.439) 3923.56 1 108.957  10000 4020.640 108.778 3 0.95 2141 10 = 4954.209(kg/h) Kiểm tra giả thiết phân bố hơi ở các nồi: 1  3582.439  3648.649  1.815% <5% 3648.649 2  3714.858  3648.649  1.782% <5% 3714.858 Vậy giả thiết về sự phân bố hơi thứ ở các nồi là phù hợp. Nồng độ của dung dịch: Nồi 1: xc1  Gd  xd 100% =15.582% Gd  W1 - 20 -
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan