Tài liệu Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước cà chua

Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG Bộ môn Công nghệ thực phẩm NHIỆM VỤ NIÊN LUẬN KỸ THUẬT CƠ SỞ Họ tên sinh viên: TRƯƠNG VĨNH HÙNG Lớp: Công nghệ thực phẩm khóa 29 Thời gian thực hiện: từ 23/10/2006 đến 08/12/2006 TÊN NIÊN LUẬN: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước cà chua Số liệu ban đầu: - Năng suất nhập liệu: 3 tấn/h - Nồng độ đầu: 8% - Nồng độ cuối: 40 % - Nhiệt độ nhập liệu: 30 0C - Áp suất hơi đốt: 250 kPa - Áp suất hơi thứ: 65 kPa - Loại thiết bị: cô đặc màng KẾT QUẢ THU NHẬN: - Bản thuyết minh số liệu tính toán thiết bị chính, thiết bị phụ và tính cơ khí một số chi tiết - Bản vẽ thiết bị chính khổ A1 Cán bộ hướng dẫn T.s Nguyễn Văn Mười 1 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 NHẬN XÉT CỦA THẦY HƯỚNG DẪN ............................................................................................ ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... ................................................................................................... MỤC LỤC 2 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Trang NHIỆM VỤ NIÊN LUẬN KỸ THUẬT CƠ SỞ...................................................................01 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN.............................................................................................02 LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................ 06 PHẦN I: GIỚI THIỆU...........................................................................................................07 A.TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU.............................................................................07 B. QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC.................................................................................................09 C. CÁC LOẠI THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:...............................................................................09 1.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm................................................................09 2.Thiết bị cô đặc phòng đốt treo....................................................................................09 3.Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài..................................................................................09 4.Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức..........................................................................10 5.Thiết bị cô đặc màng...................................................................................................10 6. Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lõng........................................................................10 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔ ĐẶC.............................................................................13 Phần II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH...........................................................................14 I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU.....................................................................................14 II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG..........................................................................14 2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ...................................................................................14 2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ.......................................................................................15 2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao............................................................15 2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao..............................................16 2.3. Nhiệt độ sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc..............................16 2.3.1. Nhiệt độ sôi của dung dịch.............................................................................16 2.3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc..............................................17 III. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT.........................................17 3.1. Tính hệ số truyền nhiệt...........................................................................................17 3.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1 ......................................................18 3.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt  2 .................................................................................18 3.2. Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc...............................................................21 3.2.1. Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi............................22 3 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 3.2.2. Nhiệt lượng để bốc hơi nước..........................................................................22 3.2.3. Nhiệt lượng tổn thất........................................................................................22 3.3. Lượng hơi đốt cần thiết cho quá trình cô đặc..........................................................23 3.4. Tính bề mặt truyền nhiệt.........................................................................................23 IV. TÍNH KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC VÀ BUỒNG ĐỐT........................................23 4.1. Tính kích thước buồng bốc.....................................................................................23 4.2. Kích thước buồng đốt.............................................................................................24 4.2.1. Xác định tổng số ống truyền nhiệt..................................................................24 4.2.2. Xác định đường kính trong buồng đốt............................................................24 4.3. Kích thước các ống dẫn..........................................................................................24 4.3.1. Ống nhập liệu.................................................................................................25 4.3.2. Ống tháo sản phẩm.........................................................................................25 4.3.3. Ống dẫn hơi đốt..............................................................................................26 4.3.4. Ống dẫn hơi thứ..............................................................................................26 TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH............................................................................................28 PHẦN III: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET.................................................................29 I. LƯỢNG NƯỚC LẠNH LÀM NGUỘI TƯỚI VÀO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET ............................................................................................................................ 29 II. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN RÚT RA KHỎI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ....................................................................................................................... 29 2.1. Nhiệt độ không khí.................................................................................................29 2.2. Khối lượng không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ..........................................30 2.3. Thể tích không khí rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở 00C và 760mmHg.....................30 2.4. Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ trong điều kiện làm việc của thiết bị....................................................................................................................................... 30 III. CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BADOMET.......31 3.1. Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ..................................................................31 3.2. Kích thước tấm ngăn...............................................................................................31 3.3. Chiều cao của thiết bị ngưng tụ..............................................................................32 3.4. Đường kính ống Badomet.......................................................................................33 3.5. Chiều cao ống Badomet..........................................................................................33 3.6. Chọn đường kính các ống dẫn của thiết bị ngưng tụ...............................................35 4 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 IV. CÔNG SUẤT BƠM......................................................................................................35 4.1. Áp suất toàn phần của bơm.....................................................................................35 4.2. Công suất của bơm.................................................................................................35 TỔNG KẾT THIẾT BỊ NGƯNG TỤ VÀ BƠM...................................................................38 PHẦN IV: TÍNH CƠ KHÍ.....................................................................................................39 I. BUỒNG ĐỐT................................................................................................................. 40 1.1. Bề dày của thân hình trụ.........................................................................................40 1.2. Đáy và nắp..............................................................................................................41 1.2.1. Chiều dày đáy elip..........................................................................................41 1.2.2. Chiều dày vĩ ống............................................................................................42 II. BUỒNG BỐC...............................................................................................................43 2.1. Nắp thiết bị.............................................................................................................43 2.1.1. Chiều dày tính theo áp suất trong...................................................................43 2.1.2. Chiều dày tính theo áp suất ngoài...................................................................43 2.2. Chiều dày buồng bốc..............................................................................................45 III. CHỌN MẶT BÍCH VÀ ĐỆM....................................................................................46 3.1. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp.................................................................46 3.2. Mối ghép bích để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn......................................46 IV. TAY TREO THIẾT BỊ...............................................................................................47 4.1. Khối lượng buồng đốt.............................................................................................47 4.1.1. Khối lượng thân buồng đốt.............................................................................47 4.1.2. Khối lượng ống truyền nhiệt...........................................................................47 4.1.3. Khối lượng vĩ ống..........................................................................................47 4.1.4. Khối lượng của đáy........................................................................................48 4.2. Khối lượng buồng bốc............................................................................................48 4.2.1. Khối lượng thân..............................................................................................48 4.2.2. Khối lượng nắp...............................................................................................48 4.3. Khối lượng dung dịch trong thiết bị........................................................................49 4.4. Tổng khối lượng của thiết bị...................................................................................49 PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................51 LỜI NÓI ĐẦU 5 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Sau khi đã được học qua phần lý thuyết về các quá trình và thiết bị cơ bản trong công nghệ chế biến thực phẩm và chúng em đã có điều kiện tìm hiểu thực tế, tận mắt được nhìn thấy cấu tạo của các thiết bị cơ bản trong nhà máy sản xuất thực phẩm( Nhà máy đường Bến Tre), nay chúng em được trực tiếp thiết kế một thiết bị nhằm phục vụ cho ngành công nghệ thực phẩm như thiết bị cô đặc hay thiết bị sấy. Và đây cũng là cơ hội để chúng em có thể hiểu hơn về cách thiết kế một thiết bị dùng trong chế biến thực phẩm.Ngoài ra, nó còn giúp cho sinh viên chúng em có được kỹ năng tìm hiểu tài trên mạng, cũng như trong thư viện,… Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là sự huớng dẫn của thầy Nguyễn Văn Mười đã giúp em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, với phần kiến thức còn hạn hẹp của mình thì đồ án sẽ không tránh được những sai sót, mong quý thầy cô đóng góp để đồ án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! PHẦN I: GIỚI THIỆU 6 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 A.Tổng quan về nguyên liệu: Cây cà chua( Lycopercium esculentum Mill) Họ cà: Solanaceae Tên tiếng Anh: Tomato. Cà chua có nguồn gốc tại Pêru và Ecuador, là các nước Nam Mỹ thuộc khu vực nhiệt đới khô nhiều nắng. Cà chua là loại rau quả có giá trị kinh tế cao, hàm lượng vitamin lớn, đặc biệt là vitamin C- có vai trò quan trọng trong việc phát triển cơ thể, giúp tăng cường sức đề kháng, phòng ngừa được nhiều bệnh nhiễm trùng và giải độc tốt. Ở Việt Nam, lịch sử trồng cà chua chỉ mới hơn 100 năm. Trong những năm gần đây ở nước ta, diện tích trồng cà chua ngày một tăng. Điều kiện thiên nhiên, khí hậu và đất đai nước ta rất thích hợp cho cà chua sinh trưởng và phát triển. Vì vậy, cà chua được trồng rộng rãi ở nước ta, chủ yếu ở vùng đồng bằng và trung du Bắc Bộ. Cà chua có nhiều giống, mỗi giống có đặc tính công nghệ riêng, thuận lợi cho nhu cầu sử dụng đa dạng, chúng khác nhau về hình dáng, độ lớn, màu sắc, chất lượng quả,…Theo giá trị sử dụng và hình dạng quả, có thể chia cà chua ra làm ba nhóm giống sau: - Cà chua hồng: là loại quả được trồng phổ biến hiện nay. Quả có hình dạng như quả hồng, không có múi hoặc múi không rõ. Chất lượng tươi cũng như chế biến đều cao do thịt quả dày, hàm lượng đường cao. Hầu hết đây là nhóm giống được lai tạo. - Cà chua múi: quả to, nhiều múi rõ rệt, phần lớn các giống thuộc nhóm này có chất lượng kém hơn so với cà chua hồng nên ít được sử dụng trong sản xuất. - Cà chua bi: quả nhỏ, hơi bầu và dài, thường được trồng rộng rãi ở các vùng núi cao và ven biển miền Trung. Cà chua thuộc nhóm này thường chứa lượng acid cao, hạt nhiều, khả năng chống chịu khá cao nên được sử dụng làm vật liệu tạo giống. Quả cà chua có giá trị dinh dưỡng rất cao. Trong quả có các loại vitamin A, B, C, D. Vitamin C trong quả cà chua khi nấu chín chỉ bị bay hơi tương đối ít, phần lớn hàm lượng của chúng được giữ lại là do trong cà chua có chứa các acid citric, các acid này vừa có tác dụng bảo vệ vitamin C vừa có tác dụng làm tiêu được các chất béo. Trong quả xanh có 0.1- 0.3% tinh bột, khi quả chin hầu hết tinh bột chuyển thành đường . Vị đắng của cà chua là do solarnin, lượng chất này trong cà chua còn xanh là 4 mg% và tăng lên 8 mg% khi cà chua chín. 7 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Cà chua rất giàu vitamin C(20- 40 mg%) và carotene(1.2- 1.6 mg%). Ở độ chín hoàn toàn, lượng vitamin C và carotene đạt tỷ lệ cao nhất, lượng acid giảm, lượng đường tăng, thịt quả có vị ngọt hơn lúc còn xanh. Lượng protopectin giảm làm cho vỏ dễ tách ra và quả bị mềm hơn. Cà chua chín cây có chất lượng tốt hơn so với cà chua chín trong thời gian bảo quản. Lớp thịt càng dày, buồng đựng hạt càng bé, chất lượng quả càng cao. Với cà chua, chúng ta có thể chế biến thành các sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như: nước ép cà chua cô đặc, cá sốt cà,… Bảng 1: Thành phần hóa học của cà chua Thành phần Tỷ lệ Nước 84 - 88 % Đường 3-6% Protein 0.25 - 1 % Axit 0.25 - 0.5 % Cellulose 0.8 % Chất tro 0.4 % Vitamin C 10 - 40 mg% Caroten 1.2 - 1.6 mg% Vitamin B1 0.05 - 16.5 mg% Vitamin B2 0.05 - 0.07 mg% Vitamin PP 0.5 - 16.5 mg% Axit Pentotenic 100 - 165 mg% B. QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC: Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. 8 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau(áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ). Khi làm việc ở áp suất thường(áp suất khí quyển ) ta dùng thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể làm việc liên tục hay gián đoạn, có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc một nồi hay hệ thống cô đặc nhiều nồi. Quá trình cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và thực phẩm như cô đặc xút, đường, sữa, cà chua… với mục đích làm tăng nồng độ của các dung dịch loãng. C. CÁC LOẠI THIẾT BỊ CÔ ĐẶC: 1.Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm: dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, những dung dịch có thể có nhiều váng, cặn. - Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa - Khuyết điểm: tốc độ tuần hoàn nhỏ, nên hệ số truyền nhiệt thấp 2.Thiết bị cô đặc phòng đốt treo: dùng để cô đặc dung dịch có kết tinh và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất. - Ưu điểm: + Mức độ đối lưu mạnh. + Hơi thứ bốc lên gặp ống dẫn hơi đốt nên càng bốc mạnh. + Phòng đốt có thể tháo ra khỏi thiết bị để cọ rửa và sữa chữa. - Khuyết điểm:cấu tạo phức tạp và kích thước thiết bị lớn. 3.Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài: - Ưu điểm : + Giảm bớt được khoảng cách theo chiều cao giữa buồng đốt và không gian bốc hơi, có thể điều chỉnh được sự tuần hoàn. + Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa không gian hơi. + Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân ly loại ly tâm. + Một không gian hơi có thể nối với hai hay nhiều buồng đốt và như vậy có thể luân phiên nhau sữa chữa buồng đốt mà không phải ngừng sản xuất. 4.Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức: - Ưu điểm: tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tự nhiên khó thực hiện. - Khuyết điểm: tốn điện năng để bơm. 9 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 5.Thiết bị cô đặc màng : - Ưu điểm : áp suất thủy tĩnh nhỏ nên tổn thất nhiệt độ do thủy tĩnh nhỏ. Có thể cô đặc dung dịch có nồng độ cao. - Khuyết điểm : + Khó làm sạch vì ống dài. + Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mức dung dịch dao động, không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh. 6. Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lõng: loại thiết bị này thích hợp với các dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch nhớt. - Ưu điểm: + Tốc độ tuần hoàn tương đối lớn. + Bề mặt truyền nhiệt ít bị bám cặn. *Đặc điểm của loại thiết bị dự định thiết kế: - Loại và kiểu cấu tạo của thiết bị cô đặc được lựa chọn trên cơ sở những tính chất lý hoá của dung dịch cần cô đặc như độ nhớt, tổn thất nhiệt độ sôi,… Các tính chất của dung dịch đồng thời còn quyết định cả việc lựa chọn vật liệu để chế tạo thiết bị. - Cấu tạo của thiết bị cô đặc cần thoả mãn yêu cầu chung về mặt công nghệ cũng như về mặt kết cấu và phải đạt được những chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật tối ưu. + Thỏa mãn yêu cầu về công nghệ nghĩa là bảo đảm chất lượng cao nhất của sản phẩm, với dung dịch này đó là tính chất trong suốt không biến màu, với dung dịch khác đó là sản phẩm không bị phân hủy ở nhiệt độ cao và cả hai trường hợp đều liên quan đến thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị. Các loại thiết bị cô đặc phải đảm bảo lượng sản phẩm bị tổn thất là ít nhất. + Yêu cầu về mặt kết cấu thiết bị bao gồm năng suất cao, cường độ truyền nhiệt lớn với thể tích thiết bị nhỏ nhất và tốn ít kim loại chế tạo, cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, làm việc ổn định và đáng tin cậy, thuận tiện khi quan sát, lắp ráp, thay thế và sửa chữa. + Ngoài ra thiết bị cũng phải thỏa mãn yêu cầu: như đối với thiết bị trao đổi nhiệt, cụ thể là có hệ số truyền nhiệt lớn, tách khí không ngưng khỏi hơi đốt và bọt khí khỏi hơi thứ tốt, tháo nước ngưng liên tục và triệt để,.. -Với các dung dịch tạo bọt mạnh nên dùng thiết bị loại màng với màng đi từ dưới lên. *THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MÀNG : - Trong thiết bị này, dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên. Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm 6- 9m. Khi khởi 10 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 động thiết bị cho hơi đốt vào trước, sau đó cho tiếp dung dịch vào từ dưới lên và chiếm khoảng 1/4 - 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt. Khi sôi hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống và đi từ dưới lên với tốc độ rất lớn(20 m/s ) kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên. - Khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch tăng dần và lên đến miệng ống thì đạt được nồng độ cần thiết. - Hỗn hợp hơi - lỏng đi ra khỏi ống với tốc độ rất lớn đập vào các cánh cong của bộ phận tách bọt có dạng xoắn ốc nên hỗn hợp hơi - lỏng quay tròn, do đó sinh ra lực ly tâm làm cho các hạt lỏng bắn ra xung quanh, nhờ vậy quá trình phân ly hơi và lỏng được thực hiện triệt để. - Thiết bị loại này có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp. - Nếu mức chất lỏng cao quá, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm( đối với màng đi từ dưới lên) vì vận tốc chất lỏng giảm; ngược lại nếu mức chất lỏng thấp, bề mặt truyền nhiệt của ống ở phía trên sẽ bị khô( vì dung môi bốc hơi hết ), khi đó quá trình cấp nhiệt phía trong ống sẽ là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải tới lỏng. Do đó, hiệu quả truyền nhiệt sẽ giảm đi nhanh chóng. Thường mức chất lỏng thích hợp xác định bằng thực nghiệm. -Ưu điểm : áp suất thủy tĩnh nhỏ nên tổn thất nhiệt độ do thủy tĩnh nhỏ. Có thể cô đặc dung dịch có nồng độ cao. -Khuyết điểm : +Khó làm sạch vì ống dài. +Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mức dung dịch dao động, không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh. 11 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 1 12 11 10 9 8 1. Ống dẫn hơi thứ. 2. Ống dẫn hơi đốt. 2 3. Buồng đốt. 7 4. Ống nhập liệu. 5. Đáy buồng đốt. 6. Ống tháo nước ngưng. 7. Ống dẫn khí không ngưng. 8. Ống tháo sản phẩm. 9. Kính thăm. 10. Cửa vệ sinh. 3 11. Buồng bốc. 12. Nắp buồng bốc. 5 6 4 Hình: Thiết bị cô đặc màng 12 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔ ĐẶC : Nguyên liệu là cà chua sau khi được nghiền, đun nóng, chà ta được dung dịch cà chua có hàm lượng chất khô là 8% và nhiệt độ dung dịch cà chua ban đầu 30 0C được bơm lên thùng chứa cao vị phía trên. Khi khởi động thiết bị cho hơi đốt vào trước, sau đó cho tiếp dung dịch cà chua vào từ dưới lên và chiếm khoảng 1/4 – 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt với năng suất là 3000 kg/h. Hơi đốt (hơi bão hòa) được dẫn vào van trên của buồng đốt và hơi sẽ đi vào khoảng trống giữa các ống truyền nhiệt với áp suất không đổi là 250 kPa ( P tuỵêt đối = 3.55at ), ( nhiệt độ của hơi đốt là 138.60C ), hơi đốt sẽ đun nóng dung dịch cà chua đến nhiệt độ sôi là 72.5 0C ở áp suất làm việc là 65 kPa. Khi sôi hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống và đi từ dưới lên với tốc dộ rất lớn( 35m/s ) kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên. Hơi thứ sẽ bốc lên trong buồng bốc và được tách bọt, sau đó được dẫn qua thiết bị badomet để ngưng tụ hơi thành nước. Khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch tăng dần và lên đến miệng ống thì đạt được nồng độ cần thiết là 40% chất khô và được tháo liên tục nhờ ống tháo sản phẩm phía dưới buồng đốt. Ở badomet, hơi thứ được dẫn từ dưới lên, còn nước lạnh (280C) được xối từ trên xuống ở dạng tia nhờ các tấm ngăn có lổ và các tấm ngăn được xếp so le nhau. Hơi thứ phần lớn được ngưng tụ và chứa trong thùng chứa nước ngưng tụ dưới chân của baromet, phần hơi còn lại được dẫn qua thiết bị phân ly lỏng - hơi và ngưng tụ hoàn toàn thành nước và đổ lại thùng chứa nước ngưng tụ, còn khí được hút ra ngoài nhờ bơm chân không. 13 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Phần II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: W? F=2000kg/h xF=8% CÔ ĐẶC P? xP= 40% F: lượng dung dịch vào thiết bị, kg/h P: lượng dung dịch ra khỏi thiết bị, kg/h W: lượng hơi thứ bốc lên trong hệ thống, kg/h Chọn căn bản tính là 1 giờ Cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô, ta được: xF * F  x p * P  P x F * F 0.08 * 3000  600 kg / h xP 0.4 Cân bằng vật chất cho toàn hệ thống, ta được: F W  P  W F - P 3000 - 600 2400 kg/h II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: 2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ: Nồi cô đặc Loại Áp suất Tháp ngưng tụ Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ (kPa) Áp suất (at) ( 0C) ( at) ( 0C) Hơi đốt 250 3.55 138.6 Hơi thứ 65 0.34 71.5 0.33 70.5 ( Chú thích: Nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ bằng nhiệt độ của hơi thứ trừ đi 1 0C, 10C là tổn thất nhiệt do trở lực thủy học trên ống dẫn) Hiệu số áp suất của hệ thống cô đặc: 14 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Pt  P1  Png (Công thức III-4/105, Sổ tay thiết kế thiết bị hoá chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM) Trong đó: P1: áp suất hơi đốt, at Png: áp suất ở tháp ngưng tụ, at  Pt 3.55  0.33 3.22 ( at ) 2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ: 2.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao: Theo BaBô, độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hoà P của dung môi trên dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi. Tức là: P  K const P0 Trong đó: P: áp suất hơi bão hòa của dung môi trên bề mặt dung dịch, at P0: áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất, at Đối với dung dịch có nồng độ nhất định thì quan hệ này không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi. Ở áp suất thường P=1.033at thì dung dịch nước ép cà chua sôi ở nhiệt độ 101.20C ( Trang 131- Kỹ thuật sản xuất đồ hộp rau quả- Nguyễn Văn Tiếp_Quách Đình_ Ngô Mỹ Văn) Ở nhiệt độ 101.20C, áp suất hơi nước bão hoà là 1.082at Áp dụng quy tắc BaBô, ta có: P 1.033 K  0.955 P0 1.082 Theo BaBô, giá trị K vẫn giữ nguyên tại mọi nhiệt độ của dung dịch. Do đó, tại nhiệt độ t ( nhiệt độ sôi của dung dịch cà chua ở áp suất làm việc P,= 0.34at) P , 0.34  ,  K 0.995 P0, P0  P0,  0.34 0.356 at 0.955 Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch nước ép cà chua ở áp suất 0.34at bằng nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 0.356at. Ứng với áp suất 0.356at thì nước sôi ở nhiệt độ 72.50C 15 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 Như vậy, nhiệt độ sôi của dung dịch nước ép cà chua ở áp suất làm việc 0.34at ( 65kPa) là 72.50C Ứng với áp suất làm việc 0.34at thì nhiệt độ sôi của dung môi là 71.30C Như vậy, tổn thất nhiệt độ: , 72.5  71.3 1.2 0 C 2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao: Sự tăng cao nhiệt độ sôi do áp suất thủy tĩnh phụ thuộc vào mực dung dịch trong thiết bị và khối lượng riêng của nó. Áp suất ở mức giữa dung dịch trong ống truyền nhiệt: Pg P0  H g * , kp / m 2 (Công thức 5.15/301-Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm_Tập 1- NGUYỄN BIN) P0: áp suất ở bề mặt dung dịch, kp/m2 Hg: chiều cao từ mức dung dịch đến mức giữa của nó trong ống truyền nhiệt, m  : khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3 Hiệu ứng nhiệt độ qua áp suất thủy tĩnh là: t t 2 t g  t 0 (Công thức 5.16/301-Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm_Tập 1- NGUYỄN BIN) tg: nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất Pg,( 0C) t0: nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất P0, (0C) Do ưu điểm của thiết bị cô đặc màng là áp suất tĩnh nhỏ nên tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh nhỏ. Vì chiều cao cột dung dịch chỉ bằng 1/4- 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt. Do vậy ta có thể bỏ qua tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tt 2 0 Như vậy, nhiệt độ sôi của dung dịch nước ép cà chua ở áp suất làm việc ( 65kPa) trong thiết bị cô đặc là ts= 72.50C 2.3. Nhiệt độ sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: 2.3.1. Nhiệt độ sôi của dung dịch: Theo những kết quả tính toán ở mục 2.2.1 và 2.2.2, ta có nhiệt độ sôi của dung dịch nước ép cà chua là 72.50C 2.3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: Hiệu số nhiệt độ hữu ích t h được tính từ tổng hiệu suất nhiệt độ trừ tổng nhiệt độ tổn thất: 16 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 t h t ch   tt (Công thức 5.19/302- Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm_Tập 1- NGUYỄN BIN) t ch : hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và nhiệt độ cuối hệ thống( nước ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ)  t ch 138.6  70.5 68.10 C  t t : tổng nhiệt độ tổn thất của hệ thống  tt tt1  tt 2  tt 3 ,  ,,  ,,, , : tổn thất do nhiệt độ tăng cao ,, : tổn thất do áp suất thủy tĩnh ,,, : tổn thất nhiệt trên đường ống, ,,, =1 Như vậy, hiệu số nhiệt độ hữu ích: t h 68.1  2.2 65.9 0 C III. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT: Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát sau: F Q m2 K * t i   (Công thức III-16/114- Sổ tay thiết kế thiết bị hoá chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM) Trong đó: Q: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W F: bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt, m2 t i : hiệu số nhiệt độ hữu ích, độ 3.1. Tính hệ số truyền nhiệt K: Ta có K 1 1  1  r1    r2  1 2 i 1  n (Công thức V.5/3- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất_Tập 2) Trong đó:  1 : hệ số cấp nhiệt khi hơi nước ngưng tụ, W/m2độ  2 : hệ số cấp nhiệt thành thiết bị đến dung dịch, W/m2độ  : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, W/mđộ 17 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347  : chiều dày của ống truyền nhiệt, m r1, r2: nhiệt trở của lớp cao cặn trên thành thiết bị phía hơi nước ngưng tụ và phía chất lõng sôi, m2độ/ W Do quá trình truyền nhiệt ta xét: truyền nhiệt qua thành ống thiết bị 1 lớp nên công thức trên có thể viết lại: K 1 1 1 r  1 2 Trong đó:  r r 1    r2 : nhiệt trở của lớp cao cặn hai phía và bản thân thành thiết bị  3.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ  1 : r H * t1 1 2.04 * A * , W/m2độ (Công thức V.101/28- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất_ Tập 2) r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt, r = 2154200 J/kg H: chiều cao thẳng đứng của ống truyền nhiệt, m t1 : hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước ngưng tụ và thành ống truyền nhiệt phía tiếp xúc với hơi đốt, 0C A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của màng nước ngưng tụ Tm Tm  t1  tT 1 2 t1: nhiệt độ hơi nước ngưng tụ, 0C tT1: nhiệt độ thành ống truyền nhiệt phía tiếp xúc với hơi, 0C 3.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt  2 :  2  *  n , W/m2độ Trong đó:  : hệ số điều chỉnh của dung dịch nước cà chua    d  n    0.565   *   d    n 2   Cd  *    Cn   n  *    d      0.435 (Công thức VIII.9/234- Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM) 18 Đồ án môn học SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347 n : độ dẫn nhiệt của nước, n = 0.6695 W/mđộ d : độ dẫn nhiệt của dung dịch cà chua, d = 0.643 W/mđộ  n : khối lượng riêng của nước,  n = 976.3 kg/m3  d : khối lượng riêng của dung dịch cà chua,  d = 1024.824 kg/m3  n : độ nhớt của nước,  n = 0.0003885 N.s/m2  d : độ nhớt của dung dịch cà chua,  d = 0.00154 N.s/m2 Cn : nhiệt dung riêng của nước, C n = 4189 J/kgđộ Cd : nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua, C d = 4000 J/kgđộ ( Các giá trị trên tra ở nhiệt độ sôi 72,50C)  0.643       0.6695  0.565   1024.824  2  4000   0.0003885   *   *  *   4189   0.00154     976.3  0.453 0.549  n : hệ số cấp nhiệt khi nước sôi sủi bọt  n 45.3 * P 0.5 * t 22.33 , W/m2độ (Công thức VIII.8b/234- Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM) P : áp suất làm việc, P = 0.34 at t 2 : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt phía tiếp xúc với dung dịch nước cà chua và nhiệt độ sôi của dung dịch nước cà chua Xét quá trình truyền nhiệt lượng từ hơi nước ngưng tụ cho dung dịch nước cà chua, ta thấy: Nếu gọi: q1: là nhiệt lượng truyền từ hơi nước ngưng tụ đến thành ống truyền nhiệt q : là nhiệt lượng truyền xuyên qua thành ống truyền nhiệt q2: là nhiệt lượng truyền từ thành ống truyền nhiệt đến dung dịch cà chua Thì ta có: q1= q = q2 Trong đó: q1 1 * (t1  tT 1 ) 1 * t1 q2  2 *  tT 2  t s   2 * t 2 q tT 1  t T 2 t  r r  t q *  r 1 * t1 *  r 19 Đồ án môn học  r r 1  SV: TRƯƠNG VĨNH HÙNG MSSV:2030347   r2 : nhiệt trở của lớp cao cặn hai phía và bản thân thành thiết bị  Chọn:  Chiều cao ống truyền nhiệt, H= 7.2 m  Đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn= 0.02667 m  Chiều dày thành ống truyền nhiệt,  = 0.003912 m Vật liệu làm ống truyền nhiệt: Thép không gỉ 30XGCA,  = 37.6 W/mđộ r1: nhiệt trở của hơi nước, r1= 0.000232 m2độ/ W r2: nhiệt trở của hơi các hợp chất hữu cơ, r2= 0.000116 m2độ/ W   r 0.000232  0.003912  0.000116 0.0004520 , m2độ/ W 37.6 Theo điều kiện ban đầu, ta có: Nhiệt độ của hơi đốt: t1=138.60C Nhiệt độ sôi của dung dịch nước cà chua: ts=72.50C Nhiệt độ hai bên thành ống truyền nhiệt tT1, tT2 chưa biết Do vậy, ta giả sử: Hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt phía tiếp xúc với hơi đốt: t1 17.6 0 C  tT 1 t1  t1 138.6  17.6 1210 C  tm  t1  tT 1 138.6  121  129.80 C 2 2 Nội suy A theo giá trị tm, ta có: A= 190.940 (Trang 238- Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng- T.S PHAN VĂN THƠM)   1 2.04 * 190.940 * 4 2154200 4447.719 7.2 * 17.6 W/m2độ  q1 4447.719 * 17.6 78279.847 W/m2  t q1 *  r 78279.719 * 0.0004520 35.39 0 C  tT 2 121  35.39 85.610 C  t 2 85.61  72.5 13.110 C   n 45.3 * 0.340.5 * 13.112.33 10621.219 W/m2độ   2 10621.219 * 0.549 5830.202 W/m2độ  q2 5830.202 * 13.11 76458.304 W/m2 20