Báo cáo đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000kg / h

đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án. Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Quyền, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất. Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn những đồ án sau này ạ. Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình. Kính chúc Thầy Nguyễn Hữu Quyền luôn có sức khỏe tốt, đạt được nhiều thành công trong công việc và cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV:2005140345 Lớp:05DHTP1 Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc MSSV: 2005140414 Lớp: 05DHTP1 Nhận xét: Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (ký và ghi họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Như Ngọc MSSV: 2005140345 Lớp: 05DHTP1 Sinh viên thực hiện: Mai Thanh Phúc MSSV: 2005140414 Lớp: 05DHTP1 Nhận xét: Điểm bằng số: Điểm bằng chữ: TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện (ký và ghi họ tên) LỜI MỞ ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn 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. Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 8000 kg/h”. Với: + Năng suất nhập liệu 8000kg/h + Nồng độ nhập liệu: 18 % khối lượng + Nồng độ sản phẩm: 40% khối lượng + Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at + Nguồn nhiệt là hơi bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1.5 ati Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm. Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C (tự chọn). Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy Cô và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn. Chúng em chân thành cảm ơn. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG Giới thiệu chung Đôi nét về ngành công nghệ mía đường ở nước ta và vị trí của cô đặc trong công nghệ mía đường. Như đã biết, ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời và ngày càng phát triển ở nước ta. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành ở nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. 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 quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu, sản xuất gỗ ép.... 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. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các nhà máy đường với quy mô lớn nhỏ mọc lên ở nhiều địa phương như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, . Tuy nhiên nó 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. Ngoài ra, vấn đề cung cấp mía nguyên liệu, 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. Bên cạnh đó, cây mía lại có đặc tính là độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời... Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao và 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 Nguyên liệu và sản phẩm Đặc điểm nguyên liệu Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước. Các chất hoà 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 là nhiều hay ít. Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 6-10% khối lượng. Đặc điểm sản phẩm Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước. Các chất hoà tan: có nồng độ cao. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm  Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. a)Biến đổi tính chất vật lý: Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt. Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. b)Biến đổi tính chất hoá 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 dơ: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ ít hoà tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa. Phân hủy chất cô đặc. Tăng màu do caramen hoá đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid. Phân hủy một số vitamin. c)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. Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên. Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu. Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi. Cô đặc và quá trình cô đặc Định nghĩa cô đặc Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các quá trình vật lý – hóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh. Bản chất của sự cô đặc Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra 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 (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc. Ứng dụng của cô đặc Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây... Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ.... 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 cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, 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. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt: 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, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của 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 ta phải dùng máy lạnh. Đánh giá khả năng phát triển cùa 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 với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển 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. Các thiết bị cô đặc Phân loại và ứng dụng ( =>Khảo sát trong phạm vi cô đặc nhiệt) Theo cấu tạo Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm: + Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. + Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc) Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao 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. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng 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. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm: + Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt 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 thức thực hiện quá trình Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục. Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế. Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy. Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư. Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. 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. Các thiết bị và chi tiết Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm: + Ống nhập liệu, ống tháo liệu. + Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt. + Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp. + Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng. Thiết bị phụ: + Bể chứa nguyên liệu + Bể chứa sản phẩm + Bồn cao vị +Lưu lượng kế + Thiết bị gia nhiệt + Thiết bị ngưng tụ baromet. + Bơm nguyên liệu và bồn cao vị. + Bơm tháo liệu. + Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ. + Bơm chân không. + Các van. + Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất... 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. Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo. Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất. Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 NỒI LIÊN TỤC Hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc 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 được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất là 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). 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. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài. Nguyên lý hoạt động của nồi cô đặc 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. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển dộng trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài. Nguyên lý hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị; từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng. Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng. Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu. Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm. Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng. Bơm chân không có nhiệm vụ hút không ngưng ra ngoài đế tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc. Nguyên lý hoạt động của thiết bị ngưng tụ Baromet Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: + Hơi nước (chủ yếu) + Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất. Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng). Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn tách lỏng. Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển. Hoạt động của hệ thống Nhập liệu: Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300oC được đun nóng đến nhiệt độ cận sôi và đưa vào nồi cô đặc qua cửa nhập liệu. Ban đầu nhập đủ 2,5 m3 thì tiến hành cô đặc, nguyên liệu vẫn tiếp tục nhập vào đề bù lượng hơi thứ bốc lên cho đến khi đủ thể tích nguyên liệu cho 1 mẻ thì chấm dứt nhập liệu. Ngừng nhập liệu nhưng bơm nhập liệu vẫn tiếp tục bơm tuần hoàn cho quá trình gia nhiệt cho 2,5 m3 nguyên liệu của mẻ sau. Quá trình cô đặc: Sau khi đã nhập liệu đủ 2,5 m3, quá trình cô đặc sẽ bắt đầu xảy ra dưới áp suất chân không do bơm chân không tạo ra. Hơi đốt theo ống dẫn đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 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. 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. Toàn bộ hệ thống (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không tạo ra. Sau thời gian cô đặc đã tính, dung dịch đường được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm, vào thùng chứa sản phẩm Thao tác vận hành Chuẩn bị Kiểm tra điều kiện vận hành của thiết bị cung cấp hơi đốt, bơm chân không, bơm nước ở thiết bị ngưng tụ, bơm tháo liệu. Kiểm tra độ kín của hệ thống. Đóng các van. Tắt bơm Vận hành Khởi động bơm chân không cho hệ thống đạt điều kiện chân không( khi lần đầu hoạt động). Nước trong ống Baromet từ từ dâng lên. Đợi cho đến khi quá trình ổn định. Khởi động bơm nhập liệu, mở van nhập liệu cho dung dịch chảy vào thiết bị cô đặc. Khi khối lượng dung dịch đạt yêu cầu thì điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cho phù hợp. Mở từ từ van hơi đốt. Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ. Theo dõi hoạt động của thiết bị và các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất, sẵn sàng ngưng hoạt động của hệ thống nếu có sự cố xảy ra. Gần đến thời điểm tháo liệu, ta thử nồng độ mẫu để chuẩn bị dừng hơi đốt. Ngưng cấp hơi đốt. Dùng bơm để tháo sản phẩm qua ống tháo sản phẩm đến khi hết thì đóng van. Chấm dứt một mẻ cô đặc. Ta bắt đầu các thao tác cho một mẻ mới. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH Cân bằng vật chất và năng lượng Dữ kiện ban đầu Dung tích đường mía Nồng độ nhập liệu xđ = 18% (khối lượng) Nồng độ sản phẩm xc = 40% (khối lượng) Năng suất nhập liệu Gc = 8 tấn/h = 8000 kg/h Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,74 at Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,74 = 0,26 at. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 1,5 ati. Vậy Pdư = 1,5at Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,5 = 2,5 at. Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC Cân bằng vật chất Suất lượng tháo liệu (Gc) Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có: Gđ.xđ = Gc.xc Gc= Gđ.xđxc =8000.1840=3600 kgh Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có: Gđ = Gc + W Þ W = Gđ – Gc = 8000 – 3600 = 4400 (kg/h) Tổn thất nhiệt độ Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,26 at, Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi (0C) 0,2 59,7 0,3 68,7 Þ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 64,950C. ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296 [5]). Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm( P0) – tc = ∆''' Trong đó tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng). Mà tsdm( P0) =∆'''+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên) à tsdm( P0) = 64,95 +1 =65,950C Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có: Nhiệt độ (0C) Áp suất (at) 65 0,2550 70 0,3177 Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,950C ®P0 = 0,266 at Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’) Theo công thức 5.3, trang 184, [5], ta có: ∆’=f.∆0’ [0C] Trong đó: ∆’: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc. ∆0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. f : hệ số hiệu chỉnh f = 16,14. T2r Với T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]. r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]. Tra bảng VI.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất(at) R 0,2 2358 0,3 2336 Tại P0 = 0,266at. Ta nội suy được: r = 2343,46 (J/Kg) →f=16,14×(65,95+273)22343,46×1000=0,7913 Với nồng độ cuối của dung dịch là 40% thì ∆0’=1,3 ( vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch - Tra theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] ). Þ ∆’= f. ∆0’= 0,7613.1,3 = 1,029 Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ (∆’ ) là 1,0290C. Þ tsdd(po)= tsdm(po) +∆’=65,95+ 1,029= 66,980C Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) ∆p=12×ρs×g×Hop N/m2 Trong đó: ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; Kg/m3 ρs=0,5. ρdd ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3 Chọn tsdd. (p0+∆p) = 68oC, C% = xc = 40%, ta có ρdd = 1178,53 kg/m3( trang 60 [1]) Þ ρs=0,5. 1178,53 = 589,265 Þ Hop= [0,26+ 0,0014. ( pdd+ ρdm)]. ho Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0= 1,5m ( bảng VI.6, trang 80 [2]) ρdm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 660C Tra bảng I.249 trang 311, [1], ρdm= 978,34 kg/m3 Hop= [0,26+ 0,0014. ( 1178,53 - 978,34)]. 1,5 = 0,810 m ∆p = 12 . 589,265. 9,81. 0,810 9,81.104= 0,0239N/m2 Þ ptb=p0+ ∆p= 0,266+ 0,0239= 0,2899 at Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất (at) Tsdm 0,2 59,7 0,3 68,7 Tại ptb=0,2899. Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) 67,730C Ta có: ∆’’ = tsdm(p0+∆p) - tsdm(p0) = 67,73- 65,95 = 1,760C ∆’’= tsdd(p0+∆p) - tsdd(p0) Þ tsdd(ptb ) = tsdd(p0+∆p) = tsdd(p0) +∆’’ = 66,98 + 1,76 = 68,740C Sai số chấp nhận. Vậy tsdd(ppt) = 660C Sản phẩm lấy ra ở tại đáy Þ tsdd(p0+2∆p) = 66,98+ 2.1,029 = 69,0380C Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 1,029 +1,76 +1 = 3,780C Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2,5at, tD = 126,070C (bảng I.251, trang 315, [1]). Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ) Þ Δthi = 126,07 – 64,95 – 3,789 = 56,330C Bảng 1. Tóm tắt cân bằng vật chất Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Nồng độ đầu xđ %wt 18 Nồng độ cuối xc %wt 40 Năng suất nhập liệu Gđ kg/h 8000 Năng suất tháo liệu Gc kg/h 3600 HƠI THỨ Suất lượng W kg/h 4400 Áp suất Po at 0,266 Nhiệt độ tsdm(po) oC 65,95 Ẩn nhiệt ngưng tụ rw kJ/kg 2343,46 HƠI ĐỐT Áp suất pD At 2,5 Nhiệt độ tD oC 126,07 TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd(po) oC 66,98 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ oC 1,029 Áp suất trung bình Ptb At 0,2899 Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb tsdm(ptb) oC 67,73 Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh Δ’’ oC 1,76 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) oC 68,74 Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ oC 1 Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ oC 3,789 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi oC 56,33 Cân bằng năng lượng Cân bằng nhiệt lượng Dòng nhiệt vào (W): Do dung dịch đầu Gđcđtđ Do hơi đốt D iD" Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt φDctD Dòng nhiệt ra (W): Do sản phẩm mang ra Gccctc Do hơi thứ mang ra W iW" Do nước ngưng Dcθ Nhiệt cô đặc Qcđ Nhiệt tổn thất Qtt Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% trước và sau khi qua thiết bị gia nhiệt: tvào = 300C tra = tsdd(po) = 66,980C Þ Nhiệt độ của dung dịch đường mía 18% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 66,980C Þ Nhiệt độ của dung dịch đường mía 40% đi ra đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2. ∆’’ = 6698 + 2. 1,029 = 69,0380C (công thức 2.15, trang 107, [3]) Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía: Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức I.50 trang 153 [1]: C = 4190 – (2514 – 7,542t)x, J/kg. độ Trong đó: t: nhiệt độ của dung dịch x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng xđ= 18%, tđ= 300C Þ Cđ= 4190 – ( 2514 – 7,542.30).0,18=3778,207 J/kg. độ xc= 40%, tđ= 69,0380C Þ Cc= 4190 – ( 2514 – 7,542.69,038).0,4=3392,67 J/kg. độ Phương trình cân bằng nhiệt Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình 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 (1) 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 (QS) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57: Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ) (2) Trong đó: Gđ = 8000 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 = 18% thì: C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,18 C1 = 3778,207 J/kg.độ. Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 20%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang 60 [2] ∆0'=0,2 ∆'=f.∆0'=0,7913.0,2=0,1580C Mà ∆'=tsdd-tsdm (tại áp suất P0) tsdd=∆'+tsdm=0,158+65,95=66,1080C Ở t = 66,1080C, x = 40% thì: C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 66,108).0,4 C2 = 3383,83 J/kg.độ Ctb = C1+C22 = 3778,207 +3383,832 = 3581,02 J/kg. độ Thay tất cả vào (2) ta được: Qđ = 1,034. 109 (J/h) (3) 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 = 4400. 2243,46.103 = 1,031.1010 (J/h) (4) Trong đó: W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 4400 kg/h r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,266 at, J/kg Tra bảng I.251, trang 314 [1] Áp suất (at) r. 10-3 (J/kg) 0,2 2358 0,3 2336 Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2234,46. 10-3 (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: Qkn =Qhtđ-Qhtc Trong đó: Qhtđ: 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 Qhtc: 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 (5) Nhiệt lượng tổn thất (Qtt) Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 295: Chọn Qtt = 4%. QD (6) Thay (3), (4), (5) và (6) vào (1), ta có: QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt QD = 1,034.109 + 1,031.1010 + 4%. QD (1 – 0,004). QD = 1,1344.1010 QD = 1,365.1010 (J/h) = 3282500 (J/s) Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 3282500 J/s Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc Theo công thức 4.5a, trang 182 [3] QD=D.1-φ.(iD''-cθ), W 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 2,5 at, r = 2189,42.103 J/kg (tra bảng I.251, trang 315 [1]). Ta có QD = 3282500 (J/s) j: 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. D=QD1-φ.r=37328250091666,671-0,004.2189,42.103 =1,578 (kg/s) Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng Theo Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 10 ví dụ và bài tập, trang 182 : d=DW=1,5781,222=1,26 kg hơi đốtkg hơi thứ Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,26 (kg hơi đốt/kg hơi thứ) Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Nhiệt độ vào buồng bốc Tđ 0C 66,98 Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Tc 0C 69,038 Nhiệt dung riêng dung dịch 18% Cđ J/(kg.K) 3778,207 Nhiệt dung riêng dung dịch 30% Cc J/(kg.K) 3392,67 Nhiệt tổn thất Qtt W 131300 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp QD W 3282500 Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 1,378 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng D kg/kg 1,29 Bảng 2. Tóm tắt cân bằng năng lượng Thiết kế thiết bị chính Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 =...δ đệm N/mm2 mm mm mm cái mm Mm 0,6 2700 2900 2820 2770 2719 M30 68 40 5 Tính vỉ ống Sơ lược về cấu tạo Chọn vỉ ống loại phẳng tròn, lắp cứng với thân thiết bị. Vỉ ống phải giữ chặt các ống truyền nhiệt và bền dưới tác dụng của ứng suất. - Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong. - Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T. - Nhiệt độ tính toán của vỉ ống là tt = tD = 126,070 c Ứng suất uốn cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở tt là [σ]u*= 119 N/mm2 (hình 1-2, trang 16, [6]). Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 1. Þ Ứng suất uốn cho phép của vật liệu tt là: [σ]u = η. [σ]u* = 1. 119 = 119 N/mm2 Tính toán Tính cho vỉ ống phía trên buồng đốt Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía ngoài của vỉ ống h1' được xác định theo công thức 8-47, trang 181, [6]: h1'=Dt.K.P0σu=1400.0,3.0,152119=15,01 mm Trong đó: K=0,3 (tự chọn) Dt = 1400 mm : Đường kính trong của buồng đốt P0 = 0,152 N/mm2 : Áp suất tính toán ở trong ống ( bằng với áp suất tính toán của buồng đốt). Chiều dày tính toán tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống h’ được xác định theo công thức 8-48, trang 181, [6]: h'=Dt.K.P0σu.φ0=1800.0,45.0,152119.0,607=37,16 mm Trong đó: K = (0,45÷ 0,6), chọn K = 0,45 j0 : Hệ số làm yếu vỉ ống do khoan lỗ φ0=Dn-dDn=1400-5501400=0,607<1 Với: Dn: Đường kính vỉ ống mm ∑d: Tổng số đường kính các lỗ trong vỉ mm ∑d = dth + n. dt-ống = 400 + 6.25 = 550 mm dth: đường kính trong của ống tuần hoàn mm dt-ống: đường kính trong của ống truyền nhiệt mm n: số ống bố trí theo đường kính của vỉ. Chọn sơ bộ h’ = 30 mm Kiểm tra độ bền của vỉ ống Ứng suất uốn của vỉ được xác định theo công thức (8-53), trang 183, [6]: σu = P03,6.1-0,7.dnL.(h'L)2 Trong đó: dn = 29 mm: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt L = 32.t = 32. 0,0406 = 0,03516 m = 35,16 mm Þ σu = 0,1523,6. 1-0,7.2935,16.(2935,16)2 = 0,147N/mm2 ≤ 119 N/mm2 Vậy vỉ ống ở trên buồng đốt dày 30 mm Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt Chọn bề dày của vỉ ống phía dưới bằng chiều dày của vỉ ống phía trên và bằng 30mm (cũng bằng bề dày mặt bích). Các bước làm giống xác định bề dày cho vỉ ống trên buồng đốt. Khối lượng và trai treo Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ Làm bằng thép CT3 Khối lượng tại treo cần chịu: m = mtb + mdd Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb = mđ + mn + mbb + mbđ + mc + mvỉ + mống + mbích Trong đó: mđ: khối lượng thép làm đáy, kg mn: khối lượng thép làm nắp, kg mbb: khối lượng thép làm buồng bốc, kg mbđ: khối lượng thép làm buồng đốt, kg mống: khối lượng thép làm ống, kg mv: khối lượng thép làm vỉ ống mbich: khối lượng thép làm bích Khối lượng riêng của th6ép OX18H10T là ρ = 7900 kg/m3 Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ = 7850 kg/m3 Khối lượng các bộ phận thiết bị Khối lượng thép làm ống truyền nhiệt Vvlo=π.H4.n.dn2-dt2+Dth,n2-Dth,t2=π. 1,54.726.0,0292-0,0252+0,4022-0,42=0,187 m3 M ống = ρ. Vvlo= 7900.0,187 = 1477,3 kg Trong đó: dn, dt: Đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt; m Dth,n, Dth,t: Đường kính ngoài và trong của ống tuần hoàn; m H: Chiều cao ống truyền nhiệt; m n: Tổng số ống truyền nhiệt, ống. Khối lượng thép làm buồng đốt Vbd=π.H4.Dd, n2-Dd, t2=π. 1,54.1,4122-1,42=0,0397 m3 mbđ = ρ. Vbd = 7900.0,0397 = 313,63 kg Trong đó: H: Chiều cao buồng đốt (bằng chiều cao ống truyền nhiệt, m) Dd, n, Dd, t : Đường kính ngoài và trong của buồng đốt; m. Khối lượng thép làm đấy nón Đáy nón được làm bằng thép không gỉ OX18H10T. Đáy nón tiêu chuẩn có góc đáy 60o, có gờ cao 40mm. Dt = 1400mm, S = 15mm Tra bảng XIII.21, trang 394,[2]: mn = 1,01.425,01 = 429,26 kg Khối lượng thép làm buồng bốc Thể tích thép làm buồng bốc: Vbb=π.H4.Dd, n2-Dd, t2=π. 1,54.2,7302-2,72=0,192 m3 Mbb = ρ. Vbb = 7900.0,192 = 1516,8 kg Trong đó: H: Chiều cao buồng bốc (bằng chiều cao ống truyền nhiệt, m) Dd, n, Dd, t : Đường kính ngoài và trong của buồng bốc; m. Khối lượng thép làm nắp elip Nắp elip tiêu chuẩn có: Dt = 2700mm S = 15mm hgo = 50mm Tra bảng XIII.11, trang 384,[2]: mn = 1,01.979,47 = 989,26 kg Khối lượng vỉ ống Thể tích thép làm vỉ ống: Vvỉ ống= π.(Dt2-n'.dn2-Dnth2)4.S=π.(1,42-726.0,0292-0,4062)4.0,03=0,028m3 Trong đó: Dt: đường kính trong của buồng đốt dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt Dnth: đường kính ngoài của ống tuần hoàn S = 30mm: chiều dày tính toán tối thiểu của vỉ ống Khối lượng thép làm vỉ ống: m vỉ ống = ρ. Vvỉ ống = 7900.0,028 = 221,2 kg Khối lượng thép làm mặt bích Có 6 mặt bích, gồm 2 mặt bích nối nắp và buồng bốc, 2 mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt, 2 mặt bích nối buồng đốt và đáy. Mặt bích làm bằng thép CT3 Thể tích thép làm mặt bích không có vỉ ống: V1=2π.(D2.Dt2-Z.db2)4.h=2π.(1,552-1,42-40.0,022)4.0,035=0,023m3 Thể tích thép làm hai mặt bích có vỉ ống: V2=2π.(D2-Dnth2-n'.db2)4.h=2π.(1,552-0,4062-721.0,0272-40.0,022)4.0,035=0,093m3 Trong đó: D, Z, db, h là những thông số của bích nối buồng bốc_ buồng đốt và bích nối buồng đốt_đáy. Dt là đường kính trong của buồng đốt (m) dn là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m) Dnth là đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm (m) Thể tích thép làm mặt bích nối nắp và buồng bốc: V3=2π(D2-Dt2-Z.dt2)4.h=2π(2,92-2,72-68. 0,0302)4.0,04=0,067m3 Trong đó: D, Z, db, h là những thông số của bích nối nắp và buồng bốc Dt là đường kính trong của buồng bốc (m) Tổng thể tích mặt bích: Vbích=V1+V2+V3=0,023+0,093+0,067=0,183m3 mbích=7900.0,183=1445,7kg Chi tiết Loại thép Khối lượng Buồng đốt OX18H10T 313,63 kg Buồng bốc OX18H10T 1516,8 kg Đáy nón OX18H10T 429,26 kg Nắp elip OX18H10T 989,26 kg Ống truyền nhiệt Ống tuần hoàn trung tâm OX18H10T 1477,3 kg Mặt bích CT3 1445,7 kg Vỉ ống OX18H10T 221,2 kg Tổng 6393,15 kg Tổng khối lượng thiết bị: mtb=mống+mbd+mbb+mn+mđ+mv+mb = 1477,3 + 313,63 + 1516,8 + 989,26 + 429,26 + 221,2 + 1445,7 = 6393,15 kg Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch trong thiết bị Khối lượng lớn nhất có thể có của dung dịch là khối lượng riêng ở nồng độ 40% và nhiệt độ tsdd(Po) = 66,98oC => ρ=1178,53 kg/m3 Thể tích dung dịch trong phần hình nón cụt: Vc= π.Db2+Db.Dđ+Dđ212.Hc+π.Dđ2.Hgc4=π.2,72+2,7.1,4+1,4212.1,269+ π.1,42.0,054=4,96m3 Thể tích dung dịch trong thiết bị: Vdd=Vc+Vống TN+Vống TH+Vđ=4,96+0,905+0,832=6,697m3 Vống TN+Vống TH=0,905m3 Trong đó: Db: đường kính trong buồng bốc (m) Dđ: đường kính trong buồng đốt (m) Hc: chiều cao hình nón cụt không tính gờ (m) Hgc: chiều cao gờ hình nón cụt (m) Vống TN: thể tích dung dịch trong ống truyền nhiệt (m3) Vống TH: thể tích dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm (m3) Vđ: thể tích dung dịch trong đáy (m3 ) Khối lượng lớn nhất có thể: mddmax=ρ.Vdd=1178,53. 6,697=7892,62 kg Tổng trọng tải trong thiết bị: M= mtb + mddmax = 6393,15+7892,62 = 14285,77 kg Chọn tai treo thẳng đứng, được làm bằng thép CT3. Trọng lượng trên mỗi tai treo: G= g.M4= 9,81.14285,77 4=35035N≈3,5.104N Các thông số tai treo được chọn từ bảng XIII.36, trang 438,[2]: G.10-4 F.104 q.10-6 L B B1 H S l a D mt N m2 N/m2 mm kg 4.10-4 297 1,34 190 160 170 280 10 80 25 30 7,35 Trong đó: G: tải trọng cho phép trên một tai treo; N F: bề mặt đỡ; m2 q: tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ; N/m2 mt: khối lượng một tai treo; kg Tính toán thiết bị phụ Thiết bị truyền nhiệt Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Dòng nhập liệu (dòng lạnh): t’1= 30oC t”2 = 66,98oC t=t1'+t2"2=30+66,982=96,98oC Dòng hơi đốt (dòng nóng): t’2= t”2 = 126,07oC Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ ((ω = 10 m/s), nước ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên bề mặt đứng. Theo công thức (V.101), trang 28, [2]: Trong đó: – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K) + r – ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất hơi đốt 2,5 atm là 2189,42.103 J/kg. + H – chiều cao ống truyền nhiệt (H = ho = 1 m). + A – hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm – Sau nhiều dần tính lặp lại, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 121,5 oC. Þ oC Tra A ở trang 28, [2]: tm = 123,79oC → A = 189,12 Dtv1 = tD – tv1 = 126,07 – 121,5 = 4,57 ℃ Þ α1=2,04.189,1221894201.4,570,25= 10199,87W/m2.K – Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng: 10199,87.4,57 = 46613,4 W/m2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi Chất lỏng sôi nhẹ và chuyển động cưỡng bức nên hệ số cấp nhiệt này được tính theo các công thức của đối lưu cưỡng bức. Sau khi tính lặp, chọn tv2 = 80,19 0C oC Các thông số hóa lý của dung dịch mía đường ở 40 % ở tw và Thông số tw = 100,845 0C = 96,98 0C λ; W/(m.K) 0,5064 0,5047 ρ; kg/m3) 1179,4 1179,4 c; J/(kg.K) 3488.629 3476,97 μ; N.s/m2 0,960.10-3 1,0058.10-3 Trong đó: + λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K) + ρ – khối lượng riêng; kg/m3 + c – nhiệt dung riêng; J/(kg.K) + μ – độ nhớt động lực học; Ns/m2 – Chuẩn số Prandtl: – Chọn tốc độ của dung dịch mía đường 40 % trong ống truyền nhiệt là v = 1 m/s. Đường kính trong của ống truyền nhiệt là d = 25 mm. – Chuẩn số Reynolds: >10000 ⇒ Áp dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt khi dòng chảy rối trong ống (Re > 10000): Chọn l = 1 m W/(m2.K) tv2 = 80,19 Þ ∆t2 = tv2 – tc = 80,19 – 68 = 12,19 W/m2 Nhiệt tải riêng phía tường – Công thức tính: ; W/m2 Trong đó: – tổng trở vách; m2.K/W = m2.K/W Với: + r1 = 0,2329.10–3 m2.K/W – nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng + r2 = 0,5736.10–3 m2.K/W – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm + δ =2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt. = 16,3 W/m.K – hệ số dẫn nhiệt của ống (bảng XII.7, trang 313, [2]) và ống làm bằng thép không gỉ OX18H10T. + ∆tv = tv1 + tv2; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường. Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 =q2. Þ =46613,4.0,9293.10–3 = 43,32 oC. – Sai số tương đối của q2 so với q1: δq = δq < 5% nên sai số được chấp nhận (các thông số đã chọn phù hợp) – Nhiệt tải riêng trung bình: W/m2 Diện tích bề mặt truyền nhiệt Dòng nhiệt vào ( W): – Do dung dịch đầu ở 30 oC – Do hơi đốt – Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt Dòng nhiệt ra (W): – Do sản phẩm mang ra – Do nước ngưng – Nhiệt tổn thất Nhiệt độ của dung dịch mía đường trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt: t vào = 30oC t ra = 66,98oC Phương trình cân bằng nhiệt: Có thể bỏ qua nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctD = 0 Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi). Þ Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là D.(1 − φ).( i’’D − cq); W Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì i’’D - qc = 2189,42 kJ/kg (ẩn nhiệt của hơi nước ngưng tụ của hơi đốt) (bảng I.251, trang 315, [1]). Þ Thay Qtt = ε.QD = 0,04.QD = 0,04. 3282500 = 131300 W và Gđ = Gc = G Þ Þ Lượng hơi đốt biểu kiến: D=QD1-φ.r=32825001-0,05.2189,42.103=1,578 (kg/s) – Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: QD = D.(1− ε).(1 − φ).( i’’D − cq) = 1,578.(1 − 0,04).(1 – 0,05).2189420 = 3150873,141 W – Diện tích bề mặt truyền nhiệt: m2 Chọn F = 80 m2 theo dãy chuẩn Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 276. [5] – Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III–49, trang 134, [4]: Trong đó: + F = 80 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt + l = 1 m – chiều dài của ống truyền nhiệt + d – đường kính của ống truyền nhiệt Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm. – Số ống truyền nhiệt là: – Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 1027 và bố trí theo hình lục giác đều. – Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức V.140, trang 49, [2]: D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó: + dn = dt + 2.S = 0,025 + 2.0,02 = 0,029 m – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt. + t = β.dn = 1,4.0,029 = 0,0406 m – bước ống – số ống trên đường xuyên tâm của lục giác. ⇒ D = 0,0406.(37 – 1) + 4.0,029 = 1,5776 m – Thể tích bình gia nhiệt m3 Tính thiết bị ngưng tụ baromet Chọn thiết bị ngưng tụ Lượng khí bổ sung sinh ra trong thiết bị cô đặc bao gồm: + Hơi nước (chủ yếu) + Dung môi dễ bay hơi + Khí không ngưng Khí bổ sung cần được giải phóng để tạo chân không. Thiết bị ngưng tụ được kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu quả nhất. Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết hơi nước, giải phóng một lượng hơi nước lớn cho bơm chân không, do đó giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí không ngưng). Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet). Trong đó, nước làm lạnh và nước ngưng tụ chảy xuống còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra từ phần trên của thiết bị qua bộ phấn tách lỏng. Chiều cao của ống baromet được chọn sao cho tổng của áp suất trong thiết bị và cột áp thủy tĩnh bằng với áp suất khí quyển. Tính thiết bị ngưng tụ Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ Theo công thức VI.51 Sổ tay tập 2, trang 84: Gn=W.i-Cn.t2cCn.t2c-t2d (kg/s) Trong đó: Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s. W: lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s. W=44003600=1,222 kg/s i: nhiệt dung riêng của hơi nước (bảng I.251, trang 314, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1), I = 2621,4 KJ/kg. t2c,t2d: nhiệt độ đầu, cuối của nước làm nguội, lấy t2d= 30oC. t2c= tc-10=69,038-10=59,038 oC. tng: nhiệt độ hơi bão hòa ngưng tụ, oC. Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiệt độ trung bình, kJ/kg.k. (trang 311 [1]). Cn=4,190kJkg.k Gn=W.i-Cn.t2cCn.t2c-t2d=1,222.2621,4-4,190.59,0384,190.59,038-30=23,84 (kg/s) Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet được tính theo công thức VI.47 Sổ tay tập 2, trang 84: Gkk=25.10-6.Gn+W+0,01.W=25.10-6.23,84+1,222+0,01.1,222=0,013 (kgs) Trong đó: Gn: lượng nước lạnh tưới vào thiết bị, kg/s. W : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s. Đổi với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, nhiệt độ không khí được tính theo công thức VI.50 Sổ tay tập 2, trang 84: tkk= t2d + 4 + 0,1.(t2c – t2d) = 30 + 4 + 0,1.(59,038 – 30) = 36,9oC Tra giản đồ không khí ẩm : png = 0,26at = 2634450 N/m2: áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ. ph = 0,0702at : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk (tra ở Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, Bảng 56 trang 45 ).  Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị tính theo VI.49 Sổ tay tập 2,trang 84: Vkk=288.Gkk.(273+tkk)png-ph=288.0,013.(273+36,9)0,26-0,0702.9,81.104=0,0623m3s Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ Theo VI.52 Sổ tay tập 2, trang 84, ta có đường kính trong thiết bị ngưng tụ: Dtr=1,383.Wρh.ωh Trong đó: W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W = 1,222 kg/s. wh: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, chọn wh = 40 m/s (trang 85, [2]). rh: khối lượng riêng của hơi, tra bảng I.251 trang 314 theo sổ tay tập 2 [2] và nội suy : ở 0,26 at được rh = 0,1612 kg/m3. Vậy: Dtr=1,383.Wρh.ωh=1,383.1,2220,1612.40=0,602 (m) Þ Chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là 800 mm. Kích thước tấm ngăn Thường có dạng viên phân để đảm bảo làm việc tốt Chiều rộng của tấm ngăn được xác định theo công thức VI.53 trang 85 [2]. b = Dtr2 + 50 = 8002 + 50 = 450 mm Có nhiều lỗ nhỏ được đúc trên tấm ngăn, nước làm nguội là nước sạch nên đường kính lỗ chọn là 2mm. Lưu lượng thể tích của nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ: Theo Sổ tay tập 2, trang 85, bề dày tấm ngăn (d): chọn d = 4 mm. Theo Sổ tay tập 2, trang 85: chọn nước sông (ao, hồ) để ngưng tụ hơi thứ thì đường kính lổ d = 5 mm. Theo Sổ tay tập 2, trang 85, chọn chiều cao gờ tấm ngăn là: 40 mm. Chọn tốc độ tia nước là 0,62 m/s. Mức độ đun nước nóng: P=t2c-t2dtbh-t2d=59,038-3064,95-30=0,831 Tra bảng VI.7 trang 86, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 với d=2mm và P=0,774, suy ra: Số ngăn là n= 8 Số bậc là n= 4 Khoảng cách giữa các ngăn h= 400mm Thời gian rơi qua một bậc t= 0,41s Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần. Vậy khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng 50mm cho mỗi ngăn: Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400mm (có 8 ngăn) Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là 1300mm Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đấy thiết bị là 1200mm Chiều cao phần gờ của nắp là 50mm Chiều cao phần nắp đấy nón là 175mm Chiều cao phần nắp ellipse là 125mm Vậy chiều cao cao của thiết bị ngưng tụ là : HTB ngưng tụ = 400.7 + 1300 + 1200 + 50 + 125 + 175 = 5650mm = 5,65m Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ hơi thứ Nhiệt độ trung bình ttb=t2đ+t2c2= 30+59,0382=44,519 r: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 44,5190C. Þ rn = 990,39 kg/m3 Þ Vn = Gnρn= 23,84990,39=0,0241 m3/s Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet. Theo bảng VI.8 trang 88 [2]. Ký hiệu các kích thước Ký hiệu Kích thước Đường kính trong của thiết bị Dtr 800 Chiều dày của thành thiết bị S 5 Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị A 1300 Khoảng cách từ ngăn cuối cùng đến nắp thiết bị P 1200 Bề rộng của tấm ngăn B 500 Khoảng cách giữa tâm của thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu hồi K1 950 K2 835 Chiều cao của hệ thống thiết bị H 5080 Chiều rộng của hệ thống thiết bị T 2350 Đường kính của thiết bị thu hồi D1 500 Chiều cao của thiết bị thu hồi h1 (h) 1700 Đường kính của thiết bị thu hồi D2 400 Chiều cao của thiết bị thu hồi h2 1350 Khoảng cách giữa các ngăn a1 200 a2 260 a3 320 a4 380 a5 440 Đường kính cửa ra và vào Hơi vào d1 350 Nước vào d2 200 Hổn hợp khí và hơi ra d3 125 Nối với ống Baromet d4 200 Hỗn hợp khí và hơi vào thiết bị thu hồi d5 125 Hỗn hợp khí và hơi ra thiết bị thu hồi d6 80 Nối từ thiết bị thu hồi đến ống Baromet d7 70 Ống thông khí d8 25 Đường kính trong ống Baromet (d) Chọn đường kính trong của ống baromet là d = 200 mm = 0,2m Tốc độ của nước lạnh và nước ngưng tụ chảy trong ống baromet thường lấy là ω =0,5:0,6 Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86: d=0,04.(Gn+W)π.ω Trong đó: W: lượng hơi thứ ngưng tụ, W= 1,222 kg/s Gn: lượng nước vào thiết bị ngưng tụ. Gn = 23,84 kg/s ω: tốc độ của hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng chảy trong ống baromet, m/s, thường lấy ω=0,6 m/s d=0,04.23,84+1,222π.0,6=0,231m Chọn d = 0,25m Chiều cao ống baromet Theo công thức VI.58 Sổ tay tập 2, trang 86, ta có: H = h1 + h2 + 0,5 m (1) Trong đó: h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số trong áp suất khí quyển và trong thiết bị ngưng tụ. h2: chiều cao cột nước trong ống baromet cần để khắc phục trở lực khi nước chảy trong ống. Tính h1: Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h1=10,33.b760=10,33.1-0,74.760760=2,6858 m Trong đó: b: áp suất chân không trong thiết bị, mmHg. (b=0,26at). Tính h2: Theo công thức VI.60 Sổ tay tập 2, trang 87: h2=ω22g.(1+l.Hdbr+ξ) , m Ta lấy hệ số trở lực khi vào ống ξ1=0,5 và khi ra khỏi ống ξ2 = 1 thì công thức VI.60 sẽ có dạng: h2=ω22g.(2,5+l.Hdbr), m Trong đó: dbr: đường kính ống baromet, dbr=200mm l : hệ số trở lực do ma sát khi nước chảy trong ống, (W/m.độ) H: chiều cao tổng cộng trong ống baromet, m g= 9,81 m/s2 ω: tốc độ nước chảy trong ống Chuẩn số Re: Theo CT II.58 Sổ tay tập 1, trang 377: Re=ω.dbr.ρμ= 0,6.0,2.988,280,554.10-3=214067,87>104 Dòng nước trong ống baromet ở chế độ chảy xoáy Trong đó: r: khối lượng riêng nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C. Þ rn = 991,54 kg/m3 µ: độ nhớt động lực nước lấy ở nhiệt độ trung bình 49,5190C Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít nên độ nhám e = 0,2mm. Regh được tính theo công thức II.60 trang 378, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1 Regh=6.(de)87=6.(0,250,0002)87=20771,94 Ren được tính theo công thức II.62 trang 379, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1 Ren=220. (de)98=220. (0,250,2. 10-3)98=670573,59 Þ Regh < Re < Ren (khu vực quá độ). Hệ số ma sát λ theo công thức II.64 trang 380 [1] λ=0,1. (1,46. ed+100Re)0,25=0,1. (1,46. 0,2. 10-30,25+100214067,87)0,25=0,0201(Wm.độ) Þ h2=0,622. 9,81. 2,5+0,0201. H0,2=0,0459+1,84.10-3. H Mà ta có chiều cao ống baromet H = h1 + h2 + 0,5 H = 2,6858+ 0,622. 9,81. 2,5+0,0201. H0,2+0,5=3,2317+1,84.10-3. H Giải phương trình ta được : H = 3,24m Chiều cao của thiết bị : H thiết bị = H TB ngưng tụ + H ống baromet = 5,65 + 3,24 = 8,89m Chọn H = 9m Bồn cao vị Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng của dung dịch nhập liệu. bồn được đặt ở độ cao phù hợp nhằm thắng được các trở lực của đường ống và cao hơn so với mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc. Áp dụng phương trình Bernoulli với hai mặt cắt là1-1 (mặt thoáng của bồn cao vị), 2-2 ( mặt thoáng của nồi cô đặc). Z1 +p1Υ + α1v122g = Z2 +p2Υ + α2v222g + h1-2 Trong đó: v1 = v2= 0 m/s p1 = 1 at p2 = p0 = 0,266at ρ = 1179,04 : khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC μ = 2,53.10-3 N.s/m2 độ nhớt động lực học của dung dịch đường mía 40% ở ttb=49,519oC z2: khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch trong nồi cô đặc đến mặt đất;m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = 1 + 1,319 + 1,5 + 0,05 + 0,653 = 4,522m Với : Z’= 1m : khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất. Hđ = 1,269+0,05 = 1,319m: chiều cao của đáy nón. Hbđ = 1,5m: chiều cao của buồng đốt Hgc = 0,05m: chiều cao của gờ nón cụt Hc = 0,653m: chiều cao của phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 50mm = 0,05m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buống bốc là 20m Tốc độ của dung dịch ở trong ống: V = Gđπd24ρ = 480003600π.0,052.1179,04 = 0,96 m/s Chuẩn số Reynolds: Re = v.d.ρμ = 0,96.0,05.1179,042,53.10-3 = 22369,1 > 4000( chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít( bảng II.15, trang 381,[1]). Ta có độ nhám tuyêt đối là ε = 0,2mm Regh được tính theo công thức II.60, trang 378 [1]: Regh = 6.(dε)8/7 = 6.( 0,050,0002)8/7 = 3301,065 Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1] Ren = 220.(dε)9/8 = 220.( 0,050,0002)9/8 = 109674,38 → Regh< Re< Ren ( khu vực quá độ) Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380 [1] λ = 0,1(1,46εd+100Re)0,25 = 0,1(1,460,00020,05+10022369,1 )0,25 = 0,0319 Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực cục bộ Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξ vào 0,5 1 Đầu ra ξ ra 1 1 Khuỷu 900 ξ khuỷu 90 1 6 Van cửa ξ van 1,5 2 ∑ξ=0,5+1+6.1+2.1,5= 10,5 Þ Tổng tổn thất trên đường ống h1-2= v22gλld+ ∑ξ= 0,9622.9,810,0319.200,05+10,5=1,093 m Khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất: z1= z2+p2-p1ρ+h1-2=4,522+0,266-11179,04+1,093=5,61 m Þ Dung dịch đường mía 40% luôn tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc của nồi cô đặc khi có độ cao từ 5,61 m trở lên Chọn khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất là 8,5m . Bơm Bơm chân không Bơm là máy thủy lực dùng để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng. Các đại lượng đặc trưng của bơm là năng suất, áp suất, hiệu suất, công suất tiêu hao và hệ số quay nhanh. Công suất của bơm chân không là: N=1nCK.mm-1.pkk.Vkk.p2p1m-1m-1 Trong đó: nCK: hệ số hiệu chỉnh. nCK=0,8 m : chỉ số đa biến, m=1,62 p1: áp suất khí lúc hút p2: áp suất khí quyển bằng áp suất khí lúc đẩy, chọn p2 = 1at = 9,81.104N/m2 pkk: áp suất không khí trong thiếtbiị ngưng tụ ph: áp suất của hơi nước trong hỗn hợp ở tkk pkk=p1=pc-ph=0,26-0,0702=0,1898at=19231,49 N/m2 Suy ra công suất của bơm chân không là : N=10,8..1,621,62-1.19231,49.0,06239,81.10419231,491,62-11,62-1= 3387,5W=3,3875KW Dùng bơm chân không không cần dầu bôi trơn, có thể hút không khí, hơi nước. Chọn bơm chân không vòng nước hai cấp HWVP. Có các thông số khác như sau: Kiểu HWVP – 2. Độ chân không: 30 ~ 150 Torr. Lưu lượng từ 450 ~ 28000 lít / phút. Công suất động cơ 1,5 ~ 75 kW. Truyền động bằng khớp nối cứng, dây đai hoặc hộp số tùy theo tốc độ quay tiêu chuẩn của đầu bơm. Hoạt động êm ái, tuổi thọ vòng bi cao, ít phải bảo dưỡng. Lượng nước làm kín thấp. Vật liệu cánh, trục bơm được làm từ thép không gỉ 304 hoặc 316 giảm đáng kể sự ăn mòn các chất acid lẫn không môi trường khí và nước. Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ – Công suất bơm: ; kW Trong đó: + H – cột áp của bơm; m + η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 995 kg/m3 – khối lượng riêng của nước ở 30 oC + Q – lưu lượng thể tích của nước lạnh được tưới vào thiết bị ngưng tụ; m3/s m3/s – Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể nước) và 2 – 2 (mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ): Trong đó: + v1 = v2 = 0 m/s + p1 = 1 atm + p2 = 0,6 atm + μ = 0,000801 Ns/m2 – độ nhớt động lực của nước ở 30 oC (bảng I.107, trang 100, [1]) + z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể nước đến mặt đất + z2 = 12 m – khoảng cách từ mặt thoáng của thiết bị ngưng tụ đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 200 mm = 0,2 m ⇒ v1 = v2 = v Chọn chiều dài đường ống từ bể nước đến thiết bị ngưng tụ là 13 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: m/s Chuẩn số Reynolds: ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: ⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: – Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1 Khuỷu 900 ξkhuỷu 90 1 3 Van cửa ξvan 1,5 1 ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3.1 + 1,5 = 6 ⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: m ⇒ Cột áp của bơm: m ⇒kW Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán: kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1]) – Chọn N = 4 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K. Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị – Công suất bơm: ; kW Trong đó: + H – cột áp của bơm; m + η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 1074,4 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 18 % ở 30 oC (bảng I.86, trang 59, [1]) + Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 18 % được bơm vào bồn cao vị; m3/s m3/s – Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu) và 2 – 2 (mặt thoáng của bồn cao vị): Trong đó: + v1 = v2 = 0 m/s + p1 = 1 atm + p2 = 1 atm + μ = 0,00207 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 18 % (bảng I.112, trang 114, [1]) + z1 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa nguyên liệu đến mặt đất + z2 = 3,5 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bồn cao vị đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 40 mm = 0,04 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến bồn cao vị là 7 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: m/s Chuẩn số Reynolds: ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: ⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: – Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1 Khuỷu 900 ξkhuỷu 90 1 3 Van cửa ξvan 1,5 2 ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 3 + 2.1,5 = 7,5 ⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: m ⇒ Cột áp của bơm: m ⇒kW kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1]). – Chọn N = 0,25 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K. Bơm tháo liệu – Công suất bơm: ; kW Trong đó: + H – cột áp của bơm; m + η – hiệu suất của bơm. Chọn η = 0,75 + ρ = 1178,53 kg/m3 – khối lượng riêng của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.86, trang 60, [1]) + Q – lưu lượng thể tích của dung dịch đường mía 40 % được tháo ra khỏi nồi cô đặc; m3/s m3/s – Áp dụng phương trình Bernoulli với 2 mặt cắt là 1 – 1 (phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón) và 2 – 2 (mặt thoáng của bể chứa sản phẩm): Trong đó: + v1 = vhút = v; m/s + v2 = 0 m/s atm + p2 = 1 atm + μ = 0,004382 Ns/m2 – độ nhớt động lực của dung dịch đường mía 40 % (bảng I.112, trang 114, [1]) + z1 = 1 m – khoảng cách từ phần nối giữa ống tháo liệu và đáy nón đến mặt đất + z2 = 2 m – khoảng cách từ mặt thoáng của bể chứa sản phẩm đến mặt đất Chọn dhút = dđẩy = 20 mm = 0,02 m ⇒ vhút = vđẩy = v Chọn chiều dài đường ống từ bể chứa nguyên liệu đến ống tháo liệu là 5 m. Tốc độ của dung dịch ở trong ống: m/s Chuẩn số Reynolds: ≥ 4000 (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 là ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2 mm. Regh được tính theo công thức II.60, trang 378, [1]: Ren được tính theo công thức II.62, trang 379, [1]: ⇒Regh < Re< Ren (khu vực quá độ) ⇒ Hệ số ma sát λ được tính theo công thức II.64, trang 380, [1]: – Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục bộ Số lượng Đầu vào ξvào 0,5 1 Đầu ra ξra 1 1 Khuỷu 900 ξkhuỷu 90 1 4 Van cửa ξvan 1,5 1 ⇒ Σξ = 0,5 + 1 + 4+ 1.1,5 = 7 ⇒ Tổng tổn thất trên đường ống: m ⇒ Cột áp của bơm: m ⇒kW kW (với β = 1,5 hệ số dự trữ công suất theo bảng II.33, trang 440, [1]) – Chọn N = 0,25 hp – Chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang để bơm chất lỏng trung tính, sạch hoặc hơi bẩn. Ký hiệu bơm là K. TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH Thành phần Vật liệu Số lượng Đơn vị Đơn giá (đồng/đv) Thành tiền (đồng) Thiết bị chính OX18H10T 4947,45 kg 120 000 597 294 000 Thiết bị chính CT3 1445,7 kg 70 000 101 199 000 Bơm chân không 5 hp 17 000 000 Bơm nước cho thiết bị ngưng tụ 4 hp 3 500 000 Bơm nhập liệu