Tài liệu đồ án thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa năng suất 3 tấnh

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHO DUNG DỊCH NƯỚC DỨA NĂNG SUẤT 3 TẤN/H Thành phố Hồ Chí Minh 1/11/2016 LỜI MỞ ĐẦU Mục tiêu của đồ án “Thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa năng suất 3 t ấ n /h” là thiết kế hệ thống cô đặc dứa từ nồng độ chất khô 15% đến 60% với năng suất 3 tấn/h đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về quá trình cô đặc dung dịch nước dứa, 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 thực phẩm. Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực phẩm. 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. 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! MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN...........................................................................................1 1. TỔNG QUAN VỀ DỨA .................................................................................................... 1 1.1. Nguồn gốc.......................................................................................................................... 1 1.2. Những đặc tính chủ yếu ..................................................................................................... 1 1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam ....................................................................... 1 1.4. GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG ................................................................................................ 2 1.5. Lợi ích của dứa .................................................................................................................. 3 1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc ........................................................................................... 4 2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ................................................................................. 5 2.1. Khái niệm cô đặc ............................................................................................................... 5 2.2. Các phương pháp cô đặc ................................................................................................... 6 2.3. Phân loại và ứng dụng ....................................................................................................... 6 2.3.1. Theo cấu tạo...........................................................................................................6 2.3.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình .................................................................7 2.4. Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều ................................................................................ 7 2.5. Vật liệu và phương pháp ................................................................................................... 8 3. QUY TRÌNH CỦA HỆ THỐNG ....................................................................................... 9 CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT......................................................................11 CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC........................................................19 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHI TIẾT THIẾT BỊ.......................................25 CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ................................................................40 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHO DUNG DỊCH NƯỚC DỨA NĂNG SUẤT THIẾT BỊ LÀ 3 TẤN/H CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về dứa 1.1. Nguồn gốc Dứa có tên khoa học là Annas comusmin là loại quả nhiệt đới. Chi này có nguồn gốc từ khu vực Nam Mỹ và được đưa tới các đảo khu vực Caribe nhờ những thổ dân Anh điêng Carib. Năm 1493, Christopher Columbus lần đầu tiên đã nhìn thấy các loại cây của chi này tại Guadeloupe. Các cánh đồng trồng dứa thương phẩm được thành lập tại Hawaii, Philippines, Đông Nam Á, Florida và Cuba. Dứa đã trở thành một trong những loại cây ăn trái phổ biến nhất trên thế giới. (Morton& Julia F, 2011 ). Ở nước ta dứa được trồng nhiều ở Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Giang, Bắc Ninh, Tuyên Quang, Thanh Hoá, Nghệ An, Tây Ninh, Kiên Giang. (khoahocchonhanong.com) 1.2. Những đặc tính chủ yếu Dứa có các lá gai mọc thành cụm hình hoa thị. Các lá dài và có hình dạng giống mũi mác và có mép lá với răng cưa hay gai. Hoa mọc từ phần trung tâm của cụm lá hình hoa thị, mỗi hoa có các đài hoa riêng của nó. Chúng mọc thành cụm hình đầu rắn chắc trên thân cây ngắn và mập. Các đài hoa trở thành mập và chứa nhiều nước và phát triển thành một dạng phức hợp được biết đến như là quả dứa (quả giả), mọc ở phía trên cụm lá hình hoa thị. 1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam  Dứa Victoria (dứa tây, dứa hoa) có các giống:  Dứa hoa Phú Thọ: thuộc nhóm Queen, trồng được nơi đất chua xấu. Lá có nhiều gai và cứng, quả nhỏ, thịt quả vàng đậm, thơm, ít nước, giòn.  Dứa Na hoa: lá ngắn và to, quả to hơn dứa hoa Phú Thọ, phẩm chất ngon, năng suất cao.  Dứa Cayen: lá chỉ có ít gai ở đầu mút lá, lá dài cong lòng máng, quả to, khi chưa chín quả màu xanh đen, khi chín chuyển màu da đồng. Quả nhiều nước, thịt vàng ngà, mắt dứa to và nông, vỏ mỏng, thích hợp với đóng hộp.  Dứa ta thuộc nhóm Red Spanish: chịu bóng rợp, có thể trồng xen trong vườn quả, vườn cây lâm nghiệp. Dứa Cayen trồng phổ biến ở Tam Điệp, Ninh Bình. 1  Dứa ta (Ananas comosus var spanish hay Ananas comosus sousvar - red spanish) là cây chịu bóng tốt, có thể trồng ở dưới tán cây khác. Quả to nhưng vị ít ngọt  Dứa mật (Ananas comosus sousvar - Singapor spanish) có quả to, thơm, ngon, trồng nhiều ở Nghệ An và Thanh Hóa  Dứa tây hay dứa hoa (Ananas comosus queen) được du nhập từ 1931, trồng nhiều ở các đồi vùng Trung du. Quả bé nhưng thơm, ngọt  Dứa không gai (Ananas comosus cayenne) được trồng ở Nghệ An, Quảng Trị, Lạng Sơn. Cây không ưa bóng. Quả to hơn các giống trên. (khoahocchonhanong.com) 1.4. Giá trị dinh dưỡng Trong 100g phần ăn được của dứa cung cấp:      Năng lượng: 202 kJ (48 Kcal) Carbohydrates: 12,63g Chất béo: 0.12 g Protein: 0.54 g Vitamins:  Thiamine (B1): 0.079 mg  Riboflavin (B2): 0.031 mg  Niacin (B3): 0.489 mg  Pantothenic acid (B5): 0.205 mg  Vitamin B6: 0.110 mg  Folate (B9): 15 µg  Vitamin C: 36,2 g  Chất khoáng:  Calcium: 13 mg  Sắt: 0.28 mg  Phospho: 8 mg  Magnesium: 12 mg  Kali: 115 mg  Kẽm: 0.1 mg (Nutritiondata.com) 2 1.5. Lợi ích của dứa  Hỗ trợ hệ miễn dịch: vitamin C trong dứa có chức năng chính như một chất chống oxi hóa tan trong nước của cơ thể, giúp cơ thể chống lại các gốc tự do. Điều này khiến cho dứa trở nên vô cùng hữu dụng trong việc chống lại những bệnh lý như bệnh tim, xơ vữa động mạch và đau khớp.  Làm xương chắc khỏe: Dứa chứa gần 75% lượng mangan (một khoáng chất quan trọng) cần thiết cho cơ thể, có vai trò quan trọng trong việc phát triển xương và các mô liên kết. Do đó, dứa là một lựa chọn hoàn hảo cho những người lớn tuổi có xương đang ngày trở nên giòn hơn.  Thúc đẩy quá trình tiêu hóa: Giống như nhiều loại rau và quả khác, dứa chứa nhiều chất xơ giúp tiêu hóa. Thêm vào đó, dứa còn chứa một lượng đáng kể bromelain, một loại enzym phân hủy protein, từ đó đẩy nhanh quá trình tiêu hóa.  Chống viêm: Bromelain cũng đã được chứng minh là có đặc tính chống viêm, có thể giúp làm giảm nguy cơ đau khớp và sưng tấy. Viêm quá mức có thể dẫn tới một loạt các bệnh nguy hiểm, bao gồm cả ung thư, và theo một số nhà dinh dưỡng học thì bromelain có thể giúp phòng ngừa bệnh. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể về việc liệu bromelain trong dứa có kết quả tương tự hay không.  Giảm đông máu: Bromelain có thể ngăn ngừa hình thành máu đông, khiến cho dứa trở thành món ăn cực tốt cho người có nguy cơ bị đông máu. (Morton& Julia F, 2011 ). 3 1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc Dứa Phân loại Xử lý Nước Dập, nát Vỏ, mắt dứa Rửa Ép Lọc thô Gia nhiệt Ly tâm Phụ gia Cô đặc Chai Rót chai Nắp Ghép nắp Thanh trùng Bảo quản Nước dứa cô đặc 4 Bã 2. Tổng quan về phương pháp 2.1. Khái niệm cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi và áp suất tương ứng. Trong công nghệ hoá học và thực phẩm cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích:  Làm tăng nồng độ chất tan  Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh)  Thu dung môi ở dạng nguyên chất Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi. Do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp này cùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ, ở mỗi nhiệt độ. Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng một thiết bị khác. Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất như: áp suất chân không, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi, hay trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi. Quá trình cô đặc có thể gián đoạn hay liên tục. Khi 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 dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần, sau đó lại cho dung dịch mới để cô đặc. Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi, dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật. Khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi. Với cô đặc một nồi thường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế. Còn cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. (Nguyễn Tấn Dũng, 2015) 5 2.2. 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 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. 2.3. Phân loại và ứng dụng 2.3.1. Theo cấu tạo Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất. Thiết bị cô đặc được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây: Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên) đối với nhóm này thường có hai loại như sau: Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); Có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi). Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) đối với nhóm này thường có hai loại như sau: Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. Loại 4: có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, loại này thường cũng có hai loại: Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Phạm vi ứng dụng a) Nhóm 1: TBCĐ nhóm 1 chủ yếu dùng để cô đặc dung dịch khá loãng có độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Tỷ số giữa chiều dài của ống truyền nhiệt với đường kính của nó: H/d dưới 50. Đặc điểm loại ống ngắn H/d <30 6 b) Nhóm 2: TBCĐ nhóm 2 có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch, tốc độ chuyển động của dung dịch từ (1.5÷3.5) m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính của nhóm này là tăng cường hệ thống truyền nhiệt K; dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần bề mặt truyền nhiệt. Có loại dùng cánh khuấy đặt ở trung tâm buồng đốt để tuần hoàn dung dịch. c) Nhóm 3: TBCĐ nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy màng (màng mỏng hay màng hơi mỏng) qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch (chẳng hạn như dung dịch sinh tố, nước quả ép, dung dịch lên men, sữa,..).(Nguyễn Tấn Dũng, 2015) 2.3.2. 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. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là 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 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 kết hợp điều khiển tự động.( Phạm Văn Bôn&Nguyễn Đình Thọ,2006). 2.4. Nguyên tắc cô đặc hai nồi xuôi chiều Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ nhất của nồi này vào đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên. Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là phải có chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi. Nghĩa là, áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Cô đặc hai nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. Vì nếu ta giả thiết rằng cứ một kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được một kg hơi thứ. Như vậy cứ một kg hơi đốt đi vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg hơi thứ tương ứng với số nồi trong hệ thống cô đặc. Hay nói cách khác là lượng hơi đốt làm bốc hơi một kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ, khi cô đặc hai nồi: một kg hơi 7 đốt vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi một kg hơi đốt của nồi đầu: một kg hơi thứ này sẽ đưa sang nồi thứ hai cũng làm bay hơi được 1 kg hơi thứ nữa. Như vậy, đối với hệ thống cô đặc hai nồi, ta được 2 kg hơi thứ. Vậy lượng hơi đốt tính cho một kg hơi thứ là 0.5 kg.( Phạm Văn Bôn& Nguyễn Đình Thọ, 2006) Ưu điểm:  Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi.  Cô đặc hai nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. Khuyết điểm Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch sau lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. 2.5. Vật liệu và phương pháp Dứa là nguyên liệu có độ nhớt cao, có nhiều váng cặn, ta chọn thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, 2 nồi, làm việc liên tục. Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch. Đồng thời, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi. Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất tan. Nhưng tốc độ tuần hoàn còn bé, nên hệ số truyền nhiệt thấp. I. II. III. IV. V. Dung dịch Sản phẩm Hơi đốt Nước ngưng Hơi thứ 8 1. 2. 3. 4. Phòng đốt Ống truyền nhiệt Ống tuần hoàn trung tâm Phòng phân ly 5. Bộ phận tách bọt 3. Quy trình của hệ thống Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế để đo thể tích cần qua thiết bị gia nhiệt rồi vào nồi cô đặc I, sau khi đo xong tiến hành khóa van vào lưu lượng kế mở van khác dẫn dung dịch đi vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu và dòng dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô đặc I để thực hiện quá trình bốc hơi. Tại nồi I nước trong dung dịch đường dưới tác dụng nhiệt độ từ từ bốc hơi ở buồng bốc, nồng độ dung dịch đường trong hỗn hợp lỏng dần tăng lên khi đạt tới nồng độ yêu cầu, thì dung dịch từ nồi I sẽ chảy qua nồi II do sự chênh lệc áp suất ở cả 2 nồi tạo ra ( áp suất có xu hướng đi từ cao đến thấp). Hơi thứ bốc lên ở nồi I là hơi nước bão hòa trong dung dịch đường sẽ theo ống dẫn đi vào buồng đốt của nồi cô đặc thứ hai và trở thành hơi đốt cho nồi thứ II cung cấp nhiệt lượng cho nồi II. Dòng dung dịch đi từ dưới đáy nồi I vào nồi II, tại nồi II ta tiến hành hút chân không tạo áp suất thấp hơn môi trường để tiến hành quá trình cô đặc, dung dịch tiếp tục được cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bay hơi tiếp diễn cho đến khi nồng độ dung dịch đường đáp ứng yêu cầu. Sau khi sản phẩm đạt nồng độ ta dùng bơm bơm dung dịch ra ngoài bể chứa sản phẩm . Hơi thứ và khí 9 không ngưng ở nồi II sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ Baromet, một phần ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách bọt để tách các hạt lỏng ra khỏi khí và đi ra ngoài môi trường. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc trong hệ thống: Phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó tỉ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch trong đó sôi ít hơn ( có nhiệt độ thấp hơn) so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi đó dung dịch sẽ có khối lượng riêng lớn hơn và tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt, kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn của dung dịch trong thiết bị. Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động hiệu quả dung dịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ. Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 4 at. Hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng. (Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, 2006). 10 CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu  Năng suất nhập liệu: GD = 3000 kg/h  Nồng độ nhập liệu: xD = 15%  Nồng độ cuối của sản phẩm: xC = 60% Áp dụng phương trình cân bằng vật chất G D . x D = GC . xC  GC = GD . xD 3000.15 = = 750 (kg/h) xC 60 Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống Áp dụng công thức: W = GD . (1  W = 3000.(1 - xD ) , kg/h xC 15 ) = 2250 (kg/h) 60 Giả thiết phân bố hơi thứ trong các nồi Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : Khi đó ta có hệ phương trình W1 = 1,2 (1) W2 W1 + W2 = W = 2250 (kg/h) (2) Từ (1) và (2) giải hệ ta có: W1 = 1227,27 kg/h W2 = 1022,73 kg/h Xác định nồng độ dung dịch từng nồi Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1: 11 W1 = 1,2 W2 3000.15 GD.xD 3000  1227, 27 x'C = = =25,38 GD-W1 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2: 3000.15 GD.xD x"C = = 3000  1227, 27  1022, 73 = 60 (%) GD - W1 - W2 2. Cân bằng nhiệt lượng 2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc Chọn áp suất trong thiết bị ngưng tụ Baromet :0,2 at Ta có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ: Tng = 59,7 oC Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là 4 at Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt của nồi 1 và áp suất trong thiết bị ngưng tụ baromet là: P = P1 – Png = 4 – 0,2 = 3,8 (at) Giả sử chia đều tổng chênh lệch áp suất cho 2 nồi, mỗi nồi có chênh lệch: 3,8 ̅̅̅pi = 2 =1,9 (at)  Chọn hệ số f ở các nồi: f1=1,13; f2=0,98 Chênh lệch áp suất làm việc trong các nồi: p1=f1. ∆̅pi = 1,13×1,9=2,147 (at) p2=f2. ∆̅pi = 1,9×0,98= 1,862 (at) Ở nồi 2: p2: 0,2 (at) Ở nồi 1: p1=0,2+1,862=2,062 (at) Áp suất hơi đốt nồi 1: 2,062+2,147=4 Theo bảng hơi nước ta xác định nhiệt độ hơi thứ bão hòa và ẩn nhiệt tạo thành hơi thứ của từng nồi: 12 Nhiệt độ hơi thứ bão hòa Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg) Nồi i (oC) Nồi 1 120,54 2205 Nồi 2 59,7 2357 Hơi đốt nồi 1 142,9 2131 2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ Loại Nồi 1 Áp (at) Tháp ngưng tụ Nồi 2 suất Nhiệt (oC) độ Áp (at) suất Nhiệt (oC) độ Áp suất (at) Hơiđốt P1= 4 T1=142,9 P2=2,062 T2=120,54 Hơithứ P'1=2,062 T'1=120,54 P'2=0,2 T'2=59,7 2.3. Nhiệt độ (oC) Png=0.2 Tng=59,7 Xác định nhiệt độ tổn thất Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống. 2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ' Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ: Theo Tiaxenko: ' = o'f Mà f = 16.2. (273 + t'i)2 0 ) ( C) ri Trong đó: 13 0': tổn thất nhiệt độ do tsdd>tsdm ở áp suất thường f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường ri: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t’i, J/kg t'i: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i, oC Từ hình VI.2/60 sách sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 Nồi 1: với nồng độ cuối là 25,38%=> 0' = 0,88 Nồi 2: với nồng độ cuối là 60%=> 0'= 2,6 Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (xC) do đó ' lấy theo nồng độ cuối dung dịch Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ' Nồi 1: '1='0×16,2× (t'i+273)2 = 0,88×16,2× r1 (120,54  273) 2 2205 10 3 = 1,001oC (59, 7  273)2 3 Nồi 2: '2=2,6×16,2× 2357 10 = 1,978oC Tổng 2 nồi Σ'='1+'2= 1,001+1,978=2,98oC xC kl) (% o' (oC) Ti '(oC) η.10-3 (J/kg) i' (oC) Nồi 1 25,38 0,88 120,54 2205 1,001 Nồi 2 60 2,6 59,7 2357 1,978 Tổng nồi 2 Σ'=1' + 2' = 2,98 oC 2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (") Theo bảng I.86 sách sổ tay tập 1/59 xác định khối lượng riêng cua dung dịch đường tại 20oC 14 Nồng độ (%) ρ1= (kg/m3) 25,38 1107,15 60 1288,73 Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có: P = 1 ρ .g.Hop (N/m2) 2 s Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd ρdd: 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(ρdd – ρdm))].Htt Chọn Htt=1,8m Nồi 1: Hop= [0,26+0,0014(1107,15-998)]×1,8= 0,743(m) 0,5 1107,15  9,81 0, 743 2  9,81104 Ptb= P1'+0,5ρdd.g.Hop= 2,062 + =2,083 (at) Ở p1'=2,062 at, ts= 120,54oC ptb= 2,083 at, ts= 120,84oC "1= 120,84 -120,54= 0,3oC Nồi 2: Hop= [0,26+0,0014(1288,73-998)]×1,8= 1,2 (m) 0,5 1288, 73  9,811, 2 2  9,81104 Ptb= P2'+0,5ρdd.g.Hop=0,2 + =0,239(at) Ở p2 = 0,2 at, ts= 59,7oC Ptb=0,239 at, ts= 63,5oC "2= 63,5-59,7=3,8oC Tổng tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh: 15 Σ"= 0,3+3,8=4,1oC 2.3.3. Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1oC. Do đó: "'1 = 1oC "'2=1 oC  Σ"'='''1+'''2=2oC 2.3.4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc Σi='+''+'''= 2,98 + 4,1+2= 9,08 oC 2.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở các nồi Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống: t= TD-tc=142,9-59,7=83,2oC Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích của hệ thống là Σti=t-Σi=83,2-9,08=74,12oC 2.5. Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi Nồi 2: t2= 59,7+1+1,978+3,8=66,478oC Nồi 1: t1= 120,54+1+1,001+0,3=122,841oC 2.6. Tính các hệ số truyền nhiệt của các nồi Theo nhiệt độ sôi và nồng độ trong các nồi đã tính được, ta xác định các thông số vật lý và hóa lý của dung dịch (khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt dung riêng) Chọn đường kính ống và chiều dài Tính hệ số truyền nhiệt của các buồng đốt (một bên hơi nước ngưng tụ, một bên dung dịch sôi) có chú ý lớp cặn bám ở ống chừng 0,5 mm 2.7. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi C= 4190 – (2541 – 7,542.t).x (J/Kg.độ) 16 Trong đó t: nhiệt độ của dung dịch x: nồng độ khối lượng của dung dịch, phần khối lượng. Ban đầu: Nhiệt dung của dung dịch ban đầu (td=114,806, x=15%) Cd=4190 – (2541 -7,542.114,806).0,15=3942,78 (J/kg.độ) Nồi 1: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1 (ts1=114,806, x= 20%) C1= 4190 – (2514 – 7,542.114,806).0,2=3860,37 (J/kg.độ) Nồi 2: Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2 (ts2= 75,24,x=30%) C2= 4190 – (2514 – 7,542.75,24).0,3=3606,04 (J/kg.độ) 2.7.1. Nhiệt lượng riêng Gọi D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h) Gđ, Gc lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h) W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h) I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 Cd, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ) tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch oC θ1,θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 oC Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (W) Nhiệt lượng vào gồm có: Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D1I1 Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2.ts2 Nồi 2: Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2 Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ Nhiệt mang ra gồm: Nồi 1: Hơi thứ mang ra: W1i1 17