MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................................... 4
1.1.
ĐÔI NÉT VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP MÍA ĐƯỜNG .................................................................................... 4
1.2.
NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ĐƯỜNG............................................................. 5
1.2.1.
Đặc điểm nguyên liệu ................................................................................................................... 5
1.2.2.
Đặc điểm sản phẩm ...................................................................................................................... 5
1.2.3.
Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc .................................................. 5
1.2.4.
Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa ....................................................................... 5
1.3.
Cô đặc và quá trình cô đặc ............................................................................................................... 6
1.4.
Các thiết bị cô đặc nhiệt ................................................................................................................... 7
1.4.2.
Hệ thống cô đặc chân không liên tục ........................................................................................... 8
1.4.3.
Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc.............................................................................................. 8
1.4.4.
Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng ........................................................................................ 8
CHƯƠNG 2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ......................................................................10
2.1.
2.2.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI LIÊN TỤC ............................................... 10
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM ................................. 10
CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG .......................................................................11
3.1.
DỮ KIỆN BAN ĐẦU ................................................................................................................................ 11
3.2.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT .......................................................................................................................... 11
3.3.
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ..................................................................................................................... 11
3.3.1.
Chế độ nhiệt độ ........................................................................................................................... 11
3.3.2.
Các tổn thất nhiệt độ .................................................................................................................. 12
3.3.3.
Cân bằng nhiệt lượng ................................................................................................................ 16
3.3.4.
Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc ................................................................................................. 18
3.3.5.
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng ...................................................................................................... 19
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ..................................................20
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1) ................................................................................................ 20
Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)................................................................................................. 20
Nhiệt tải riêng phía tường ( qv) ...................................................................................................... 24
Tiến trình tính nhiệt tải riêng......................................................................................................... 25
Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc .................................................................................... 26
Diện tích bề mặt truyền nhiệt ......................................................................................................... 26
CHƯƠNG 5. TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ......................................................................................................28
5.1.
TÍNH BUỒNG ĐỐT................................................................................................................................. 28
5.1.1.
Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị ........................................................................................ 28
5.1.2.
Thể tích dung dịch cuối.............................................................................................................. 28
5.1.3.
Tính chọn đường kính buồng đốt .............................................................................................. 28
5.1.4.
Tính kích thước đáy nón của buồng đốt.................................................................................... 30
5.1.5.
Tổng kết ...................................................................................................................................... 31
5.2.
TÍNH BUỒNG BỐC................................................................................................................................. 31
5.2.1.
Đường kính buồng bốc .............................................................................................................. 31
1
5.2.2.
Chiều cao buồng bốc .................................................................................................................. 33
5.2.3.
Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc ......................................................................... 34
5.3.
TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU, THÁO LIỆU ........................................................................... 34
5.3.1.
Ống nhập liệu ............................................................................................................................. 35
5.3.2.
Ống tháo liệu .............................................................................................................................. 35
5.3.3.
Ống dẫn hơi đốt .......................................................................................................................... 35
5.3.4.
Ống dẫn hơi thứ ......................................................................................................................... 36
5.3.5.
Ống dẫn nước ngưng ................................................................................................................. 36
5.3.6.
Ống xả khí không ngưng ........................................................................................................... 36
5.3.7.
Tổng kết về đường kính ống ...................................................................................................... 37
6.1.
TÍNH CHO BUỒNG ĐỐT......................................................................................................................... 38
6.1.1.
Sơ lược về cấu tạo ...................................................................................................................... 38
6.1.2.
Tính toán .................................................................................................................................... 38
6.1.3.
Tính bền cho các lỗ .................................................................................................................... 40
6.2.
TÍNH CHO BUỒNG BỐC......................................................................................................................... 40
6.2.1.
Sơ lược cấu tạo ........................................................................................................................... 40
6.2.2.
Tính toán .................................................................................................................................... 40
6.3.
TÍNH CHO ĐÁY THIẾT BỊ ...................................................................................................................... 44
6.3.1.
Sơ lược về cấu tạo ...................................................................................................................... 44
6.3.2.
Tính toán .................................................................................................................................... 44
6.3.3.
Tính bền cho các lỗ .................................................................................................................... 49
6.4.
TÍNH NẮP THIẾT BỊ .............................................................................................................................. 50
6.4.1.
Sơ lược cấu tạo ........................................................................................................................... 50
6.4.2.
Tính toán .................................................................................................................................... 50
6.4.3.
Tính bền cho các lỗ .................................................................................................................... 52
6.5.
TÍNH MẶT BÍCH.................................................................................................................................... 52
6.5.1.
Sơ lược về cấu tạo ...................................................................................................................... 52
6.5.2.
Chọn mặt bích ............................................................................................................................ 53
6.6.
TÍNH VỈ ỐNG ........................................................................................................................................ 55
6.6.1.
Sơ lược cấu tạo ........................................................................................................................... 55
6.6.2.
Tính toán .................................................................................................................................... 55
6.7.
TÍNH TAI TREO CHÂN ĐỠ ..................................................................................................................... 57
6.7.1.
Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ ................................................................................................ 57
6.7.2.
Thể tích các bộ phận thiết bị ...................................................................................................... 57
6.7.3.
Khối lượng các bộ phận thiết bị................................................................................................. 61
6.7.4.
Tổng khối lượng ......................................................................................................................... 61
CHƯƠNG 7. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ .................................................................................................65
7.1.
TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET .................................................................................................. 65
7.1.1.
Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ ............................................................................. 65
7.1.2.
Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ............................................. 65
7.1.3.
Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet ............................................................ 66
7.2.
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM................................................................................................................... 69
7.2.1.
Bơm chân không ........................................................................................................................ 69
7.2.2.
Chọn bơm chân không ............................................................................................................... 70
LỜI KẾT LUẬN ............................................................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................................72
2
LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án
Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và
thiết bị của công nghệ hóa học. Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh
viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết
của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng.
“Thiết kế thiết bị cô đặc nước đường mía một nồi liên tục, năng suất
sản phẩm 800 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS.
Tiền Tiến Nam, bộ môn Quá trình và Thiết bị CHHH-SH-TP – khoa Công
nghệ Hóa Học trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP. Hồ Chí Minh.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về
quá trình cô đặc và cô đặc đường, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật
chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị
chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ
thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu
đối với một kỹ sư công nghệ hóa học . Do đó để trở thành một người kỹ sư
thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình và thiết bị
trong Công nghệ Hóa học. Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay
thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng
rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Tiền Tiến Nam cũng như các thầy cô
của bộ môn Quá trình và thiết bị và những người bạn đã tận tình giúp đỡ,
hướng dẫn em trong quá trình thiết kế.
Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ
nên có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của
thầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau
được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cám ơn!
Sinh viên thực hiện.
Trang Nguyễn Duy Linh
3
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do
nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường quy mô nhỏ ở nhiều địa phương
đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất
một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết
với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía.
Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía
đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng,
mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên
hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường
làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phế
liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu…
Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm
đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm.
Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu
thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời.
Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu
quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có
rất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưng
với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc
cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc
hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất.
Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi
mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và
cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là
một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần
không thể xem thường.
Bảng 1.1. Số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn)
Năm
19451946
19521953
19651966
19771978
19781979
19791980
19801981
19811982
Sản
lượng
19934
35486
63097
92280
91858
88920
91000
97900
4
1.2. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường
1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
Dung môi: nước.
Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không
có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như không bay
hơi trong quá trình cô đặc.
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít.
1.2.2. Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
Dung môi: nước.
Các chất hòa tan: có nồng độ cao.
1.2.3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm
biến đổi không ngừng.
Biến đổi tính chất vật lý
Thời gian cô đặc tang làm cho nồng độ dung dịch tang dẫn đến tính
chất dung dịch thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiêt, hệ số truyền
nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do
nồng độ, nhiệt độ sôi.
Biến 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 các acid.
Đóng cặn bẩn: 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 chất cô đặc.
Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ
giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid.
Biến đổi sinh học
Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao).
Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao.
1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ
nguyên.
Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu.
5
Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
1.3. Cô đặc và quá trình cô đặc
1.3.1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch
hai hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung
môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ.
1.3.2. 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.
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.
1.3.3.
Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử:
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 phần tử đủ năng lượng thực hiện
quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá
trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các
phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô
đặc. Tách không khí và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô
đặc.
1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc
Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung
dịch nước trái cây…
Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…
1.3.5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử
dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong
muốn. mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền
6
với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải
thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. nó đòi hỏi phải có những thiết
bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư
phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các
nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
1.4. Các thiết bị cô đặc nhiệt
1.4.1. Phân loại và ứng dụng
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 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 như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm:
Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo
bọt khí khó vỡ.
Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ.
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 tăng
năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung
dịch đạt là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100℃. Dung
dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ
cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác.
Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến
nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức
7
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 tiếp tục cô đặc.
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 đặc chân không, cô
đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ
cho 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.
1.4.2. Hệ thống cô đặc chân không liên tục
Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý
(tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp
và không tiếp xúc oxy.
Ưu điểm:
Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không
trong thiết bị.
Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch.
Nhược điểm:
Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.
Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.
Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
1.4.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc
Thiết bị chính
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…
Thiết bị phụ
Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
Thiết bị gia nhiệt.
Thiết bị ngưng tụ Baromet.
Các loại van.
Thiết bị đo.
1.4.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.
Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt
Phân bố hơi đều.
Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
8
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng.
9
Chương 2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ
bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ
bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân
hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Các đầu ống được giữ chặt
trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Dung dịch đi từ dưới lên ở bên
trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt
cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi.
Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện
quá trình bốc hơi. Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc
trong chân không. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ
Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua
bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài. Sản phẩm đặc
được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm.
2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một
ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão
hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống.
Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi – lỏng còn
gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách giọt dùng để tách những
giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống
truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt.
Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt,
khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống.
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 ít hơn. Vì vậy
khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt. Do đó,
chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên
và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên.
Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung
dịch bay lên qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại
những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn
dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy
thiết bị làm sản phẩm , đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch
vào thiết bị.
10
Chương 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1. Dữ kiện ban đầu
Dung tích đường mía
Nồng độ nhập liệu xđ = 12% (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm xc = 20% (khối lượng)
Năng suất nhập liệu Gc = 800 kg/h
Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,7 at
Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,7 = 0,3 at.
Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 2,0 at.
Vậy Pdư = 2,0at
Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 2,0 = 3,0 at.
Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC
3.2. Cân bằng vật chất
Suất lượng tháo liệu (Gc)
Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có:
Gđ.xđ = Gc.xc
Gc.xc
𝐺đ =
=
xđ
Tổng lượng hơi thứ bốc lên ( W)
800.12
20
𝑘𝑔
= 1333.33 ( )
ℎ
Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
Gđ = G c + W
W = Gđ – Gc = 1333.33-800 = 533.33 (kg/h)
3.3. Cân bằng năng lượng
3.3.1. Chế độ nhiệt độ
Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3 at. Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình
và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 315, ta có nhiệt độ hơi đốt là
132,9oC.
Tính áp suất hơi thứ trong buồng bốc:
Gọi ∆’” là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến
thiết bị ngưng tụ.
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, chọn
∆’” = 1oC.
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(P0)
tsdm(P0) – tc = ∆’”
11
tsdm (P0) = ∆’” + tc = 1 + tc
Trong đó:
tc: nhiệt độ hơi thứ trong TBTN baromet
tsdm (P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng).
(Theo Bài tập truyền nhiệt – Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và
thực phẩm, trang 117).
Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,
trang 314, ta có :
Ở áp suất thự trên chân không kế tại thiết bị ngưng tụ Pc = 0,3 at thì nhiệt độ
hơi thứ trong TBNT baromet tc = 68,9 oC.
Mà tsdm (P0) = tc + 1 (theo chứng minh trên)
tsdm (P0) = 68,9 + 1 = 69,9 oC.
Tra bảng I.250, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,
trang 312, ta có:
Gọi:
A(xA, yA) = (65,0; 0,2550)
B(xB, yB) = (70,0; 0,3177)
C(xC, yC) = ( 69,9; yC)
Theo công thức nội suy (1) ở trên ta suy ra:
yc = 0,3164 at
Vậy với nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc là 69,9oC thì áp suất hơi thứ:
P0 = 0,3164 at.
3.3.2. Các tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’)
Theo công thức sách Kỹ thuật thực phẩm 2, trang 55, ta có:
∆′ = 𝑓. ∆′0
Trong đó:
12
∆′0 : tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển.
f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển.
𝑓 = 16,2.
𝑇2
𝑟
(Theo công thức VI – 11, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2, trang 59)
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, oK.
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg.
Tra bảng VI – 1, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,
trang 59:
Theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất:
tsdm= 69,9 oC
Gọi
A(xA, yA) = (65,0; 0,7899)
B(xB, yB) = (70; 0,8177)
C(xC, yC) = ( 69,9; yC)
Theo công thức nội suy (1), ta suy ra:
yc = 0,8186
f = 0,8186
Tra đồ thị hình VI – 2, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2, trang 60, ta có:
Với nồng độ cuối của dung dịch là 20% thì ∆′0 = 0,41 (vì khi cô đặc có
tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆′ , phải tính theo nồng
độ cuối của dung dịch – Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2,
trang 59 – nên ∆′0 tra theo nồng độ cuối của dung dịch).
∆′ = 𝑓. ∆′0 = 0,41 . 0,8186 = 0,34oC
Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ là 0,34oC.
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (∆”)
13
Theo công thức VI – 12, Sổ tay Quá trình và thiết bị công
nghệ hóa chất tập 2, trang 60:
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc là:
𝑃𝑡𝑏 = 𝑃0 + (ℎ1 +
ℎ2
2
) . 𝜌𝑑𝑑𝑠 . 𝑔 (N/m2)
Trong đó:
P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, 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 ống truyền nhiệt, m
ρdds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
g: gia tốc trọng trường, m/s2.
Ta có: P0 = 0,3164 at
g = 9,81 m/s2
1 N/m2 =
1
9,18.104
at
Chọn:
h1 = 0,5 m
h2 = 2 m
𝜌𝑑𝑑𝑠 = ½ 𝜌𝑑𝑑 với 𝜌𝑑𝑑 là khối lượng riêng thực của dung dịch đặc
không chứa bọt hơi; kg/m3
Vì đây là quá trình cô đặc liên tục nên 𝜌𝑑𝑑 tra theo nồng độ trung bình
của dung dịch:
𝑥𝑡𝑏 =
𝑥đ + 𝑥𝑐
12 + 20
=
= 16%
2
2
ρdd = 1065,34 kg/m3 (tra bảng I.86, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ
hóa chất tập 1, trang 59).
ℎ
𝑃𝑡𝑏 = 𝑃0 + (ℎ1 + 2) . 𝜌𝑑𝑑𝑠 . 𝑔 (N/m2)
2
2 1
1
= 0,3164 + (0,5 + ) . . 1065,34. 9,81.
2 2
9,81. 104
14
= 0,3963 at
Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập
1, trang 314, ta có:
Gọi:
A(xA, yA) = (0,30; 68,7)
B(xB, yB) = (0,40; 75,4)
C(xC, yC) = ( 0,3963; yC)
Theo công nội suy (1) suy ra yc = 75,15
ttb = 75,15oC _nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch ứng với Ptb
Theo công thức sách Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển
1, trang 296, ta có:
∆” = tsdd.(Po + ∆P) – tsdd.(Po)
∆” = ttb(Ptb) – ttsdd(P0) (2)
Theo trên, ∆’ = 0,34oC mà ∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) (công thức sách Quá trình
và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296)
tsdd(Po) = ∆’ + tsdm(Po)
= 0,34 + 69,9
= 70,24oC
Thay vào công thức (2), ta được:
∆” = 75,15 – 70,24 = 4,91oC
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 4,91oC.
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆thi)
Tổn thất nhiệt độ:
∑ ∆= ∆′ + ∆′′′ + ∆′′′
∑ ∆= 0,34 + 4,91 + 1 = 6,25oC
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi
vào thiết bị ngưng tụ là:
15
∆tch = tD – tc =132,9 – 68,9 = 64,0 oC
Chênh lệch nhiêt độ hữu ích:
∆thi = ∆tch - ∑ ∆ = 64,0 – 6,25 = 57,75 oC
(Các công thức lấy từ Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập
2, trang 67, 68).
3.3.3. Cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD)
Theo công thức VI-3, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập
2, trang 57, ta có:
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (3)
Trong đó:
Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W.
Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W.
Qkn: nhiệt lượng khử nước, W.
Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.
Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qđ)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57:
Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ) (4)
Trong đó:
Gđ = 1333,33 kg/h.
Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ.
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ
Ở t = 30oC, x = 12% thì:
C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,12
C1 = 3915,47 J/kg.độ.
16
Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm
_ Ở nồng độ 12%, tra theo đồ thị hình VI-2, Sổ tay Quá trình và thiết bị
công nghệ hóa chất tập 2, trang 60:
∆′0 = 0,246
∆′ = 𝑓. ∆′0 = 0,8186.0,246 = 0,2 oC
Mà ∆′ = 𝑡𝑠𝑑𝑑 − 𝑡𝑠𝑑𝑚 (tại áp suất P0)
𝑡𝑠𝑑𝑑 = ∆′ + 𝑡𝑠𝑑𝑚 = 0,201 + 69,9 = 70,101oC
Ở t = 70,101 oC, x = 20% thì:
C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 70,101).0,2
C2 = 3792,94 J/kg.độ.
(Trong quá trình đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, khi đó dung dịch
chưa bốc hơi nên nồng độ dung dịch không thay đổi và chính là nồng độ đầu
của nguyên liệu và bằng 20%).
𝐶 +𝐶
3915,47+3792,84
𝑐𝑡𝑏 = 1 2 =
2
2
𝑡𝑠 = 𝑡𝑠𝑑𝑑 (𝑃0 , 𝑥 = 12%) = 70, 101oC
tđ = 30oC
= 3854.16 J/kg.độ
Thay tất cả các thông số vào (4), ta có :
Qđ = 1333,33. 3854,16.(70,101 – 30) = 2,0607.108 (J/h) (5)
Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57 :
Qbh = W. r = 533,33. 2333,78.103 = 1,2445.109 (J/h)(6)
Trong đó:
W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 533,33 kg/h
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,3164 at, J/kg
Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,
trang 314:
Gọi:
A(xA, yA) = (0,30; 2336)
17
B(xB, yB) = (0,40; 2320)
C(xC, yC) = ( 0,3164; yC)
Theo công thức nội suy (1), ta suy yc = 2333,38
r = 2333,78.103 J/kg
Nhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn)
Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, công thức
VI-4, trang 57:
Q kn = Qđht − Qcht
Trong đó:
Qđht : nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở
nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W
Qcht : nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc,
W.
Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua (7)
Nhiệt lượng tổn thất (Qtt)
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295:
Chọn Qtt = 5%. QD (8)
Thay (5), (6), (7) và (8) vào (3), ta có :
QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt
= 2,0607.108 + 1,2445.109 + 5%. QD
(1 – 0,005). QD = 1,45057.109
QD = 1,52692.109 (J/h)
Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 1,52692.109 J/h.
3.3.4. Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc
Theo công thức 5.22a, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1,
trang 295 :
𝑄𝐷 = 𝐷. (1 − 𝜑). (𝑖𝐷′′ − 𝑐𝜃), W
18
Do không có quá lạnh sau khi ngưng tụ nên
𝑖𝐷′′ − 𝑐𝜃 = 𝑟
Trong đó :
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3 at, r = 2171.103 J/kg (tra
bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 315).
QD = 1,52692.109 J/h
φ : độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn 𝜑 = 0,005 theo Quá trình và thiết
bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295.
𝑄
1,52692.109
𝐷
𝐷 = (1−𝜑).𝑟
= (1−0,05).2171.103 = 739,66 (kg/h)
3.3.5. Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập5, quyển 1, trang 295 :
𝑑=
𝐷 739,66
kg hơi đốt
)
=
= 1,387 (
𝑊 533,33
kg hơi thứ
Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,387 (kg hơi đốt/kg
hơi thứ)
19
Chương 4. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
4.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)
Theo công thức V-101, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2, trang 28:
𝛼1 = 2,04. (
𝑟
𝐻.∆𝑡1
)
0,25
, W/m2.độ
q1 = α1. ∆t1 (1)
Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at, r = 2171.103 J/kg
(tra bảng I.251 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang
315).
H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 2m
A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm
𝑡𝑚 =
𝑡𝐷 + 𝑡𝑉1
2
Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.
A: tra ở Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 29.
α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2.độ
4.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)
Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ
sôi: quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên
trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.
Theo công thức VI.27, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất
tập 2, trang 71:
𝛼2 = 𝛼 𝑛 . (
𝑟𝑑𝑑 0,565
𝑟𝑛
)
. [(
𝑃𝑑𝑑 2
𝑃𝑛
) .(
𝐶𝑑𝑑
𝐶𝑛
).(
𝜇𝑛
𝜇𝑑𝑑
0,435
)]
W/m2.độ (2)
Trong đó:
𝛼𝑛 : hệ số cấp nhiệt của nước
Theo công thức V.90, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập
2, trang 26:
20
- Xem thêm -
.PDF 
72 
462 
146 
