Đồ án cô đặc mía đường

Chia sẻ: Nguyen Duc Tan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

506
lượt xem 75
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án cô đặc mía đường

Đồ án CÔ ĐẶC MÍA ĐƯỜNG SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -1-
I. Giới thiệu chung: Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển cộng nghiệp đường mía. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa… đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu… Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ vàkhông chế biến kịp thời. Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Tây Ninh, … nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất. Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường. Một vài số liệu về sản lượng đường trên thế giới (đơn vị tính: 1000 tấn): Năm 1945- 1952- 1965- 1977- 1978- 1979- 1980- 1981- 1946 1953 1966 1978 1979 1980 1981 1982 Sản lượng 19934 35486 63097 92280 91858 88920 91000 97900 SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -2-
II. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường: 1. 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. 2. Đặc điểm sản phẩm: Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:  Dung môi: nước.  Các chất hoà tan: có nồng độ cao. 3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc: Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. 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. 4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa: Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:  Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.  Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.  Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi. III. Cô đặc và quá trình cô đặc: 1. Định nghĩa: SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -3-
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn). Đó là các quá trình vật lý - hóa lý. 2. Các phương pháp cô đặc:  Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.  Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: Dựa theo thuyết động học phân tử:  Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.  Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc. 4. Ứng dụng của sự cô đặc: Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính,các dung dịch nước trái cây… Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ … SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -4-
5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc: Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá 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 nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. IV. Các thiết bị cô đặc nhiệt: 1. Phân loại và ứng dụng: a. Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:  Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.  Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc). Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:  Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.  Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài. Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:  Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: 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. b. Theo phương pháp thực hiện quá trình:  Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.  Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.  Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -5-
 Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. 2. Hệ thống cô đặc chân không gián đoạn: a. 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. b. Ưu điểm:  Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị, nhập liệu theo từng mẻ một.  Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dể dàng.  Có thể cô đặc dung dịch đến các nồng độ khác nhau theo phương pháp gián đoạn từng mẻ hoặc liên tục. c. Nhược điểm:  Làm việc ở trạng thái không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian cô đặc.  Thiết bị phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.  Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác. 3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc: Thiết bị chính:  Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.  Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…  Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng… Thiết bị phụ:  Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.  Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.  Thiết bị gia nhiệt.  Thiết bị ngưng tụ Baromet.  Các loại van.  Thiết bị đo SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -6-
4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng:  Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.  Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ.  Đơn giản, dể sữa chữa, tháo lắp, dể 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 giản đơn, tự động hóa dể dàng. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -7-
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I. Sơ đồ hoạt động của hệ thống cô đặc 1 nồi gián đoạn: 1. Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc: Nguyên liệu được nhập liệu vào truyền nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi mới cho vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các ống truyền nhiệt sẽ trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc. Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống nhiệt trở lên trên. Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt. Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng. Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm lại về sau. Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu. Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại. Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy. Do đó, ta dùng biện pháp khác là tăng đường kính ống truyền nhiệt. 2. Nguyên lý hoạt động thiết bị truyền nhiệt và thiết bị ngưng tụ Baromet: Hơi thứ ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị truyền nhiệt đun nóng cho nguyên liệu đạt đến nhiệt độ sôi. Sau đó được dẫn vào ống vào phía dưới TBNT Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia. Hơi trao đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài. 3. Hoạt động của hệ thống: a. Nhập liệu: Nguyên liệu đường nhờ bơm nhập liệu đưa vào thiết bị truyền nhiệt ở nhiệt độ khoảng 300C 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. b. 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. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -8-
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. II. Thao tác vận hành: 1. 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. 2. 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 TBNT.  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. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -9-
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I. Dữ kiện ban đầu:  Dung dịch đường mía  Nồng độ đầu xđ = 8 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là tđ = 30oC.  Nồng độ cuối xc = 75%.  Năng suất Gc = 1000 kg/mẻ.  Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đốt là 3 at.  Aùp suất ở thiết bị ngưng tụ: nhằm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, đảm bảo yêu cầu sản phẩm. Giai đoạn đầu nồng độ dung dịch thấp áp suất ở thiết bị ngưng tụ là P = 0,4 at, khi nồng độ dung dịch tăng áp suất ở thiết bị ngưng tụ là P = 0,2 at. II. Cân bằng vật chất: 1. Suất lượng nhập liệu (Gđ): Theo công thức 5.16, QT và TBTN T5, tr184: Gđ*xđ = Gc*xc  xc   75    = 1000*   = 9375 kg/mẻ Gđ = G c*  x ñ   8  2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W): Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5, tr184: W = Gđ – Gc = 9375 - 1000 = 8375 kg/mẻ Trong đó: Gc – suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /mẻ. 3. Quá trình biến đổi vật chất trong quá trình cô đặc: Theo quy trình công nghệ, quá trình biến đổi vật chất trong nồi cô đặc được chia ra làm 3 giai đoạn sau:  Giai đoạn 1: từ lúc bắt đầu nhập liệu, tiến hành cô đặc cho đến khi chấm dứt nhập liệu, lượng nguyên liệu trong nồi cô đặc là 2,5 m3, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at.  Giai đoạn 2: từ lúc kết thúc giai đoạn 1 cho đến khi mức dung dịch trong nồi cô đặc chạm miệng trên của ống truyền nhiệt, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at.  Giai đoạn 3: từ lúc kết thúc giai đoạn 2 cho đến khi đạt nồng độ yêu cầu, giai đoạn này tiến hành cô đặc ở áp suất là 0,4 at. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -10-
Các quá trình biến đổi vật chất trong quá trình cô đặc được tóm tắt như sau: Thể tích nguyên liệu, m3 9,086 2,5 1,113 0,724 Khối lượng nguyên liệu, kg 9375 2787 1444 1000 Lượng hơi thứ bốc hơi, kg 0 6588 7986 8375 Nồng độ 8% 27% 54% 75% Khối lượng riêng, kg/m3 1031,8 1114,8 1254,04 1381,4 III. Cân bằng năng lượng: 1. Chế độ nhiệt độ: Aùp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: nhiệt độ hơi đốt là 132,9oC. Gọi  ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo QT và TBTN T5, tr184, chọn ’’’ = 1 oK. a. Giai đoạn 1: Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(Po): Tsdm(Po) - Tc = ’’’ = 1K  Tsdm(Po) = Tc +1 = 75,4 +1 = 76,4 oC Aùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 76,4oC là 0,42 at. b. Giai đoạn 2 và 3: Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm(Po): Tsdm(Po) - Tc = ’’’ = 1K  Tsdm(Po) = Tc +1 = 59,7 +1 = 60,7 oC Aùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ hơi thứ là 60,7oC là 0, 21 at. 2. Các tổn thất nhiệt độ: a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ( ’ ): Theo công thức 5.3, QT và TBTN T5, tr174: ’ =o’.f Trong đó: o’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. Tra từ đồ thị. f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính: T2 f  16 ,14 * r SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -11-
b. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( ”): Theo VD và BT T10, tr184:  ” = Tsdd(Po+ p) - Tsdd(Po) Trong đó: Tsdd(Po) - nhiệt độ sôi dung dịch ở mặt thoáng. Tsdd(Po+ p) - nhiệt độ sôi ứng với áp suất ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng, đặt là tstb.  Tính Tsdd(Po): Theo VD và BT T10, trang 184:  ’= Tsdd(Po) - Tsdm(Po)  Tsdd(Po) = Tsdm(Po) + ’  Tính Tsdd(Po +  P ): Theo công thức 4.19, VD và BT T10, tr185: Po +  p = Ptb =Po + 0,5*hh*g*Hop Trong đó: hh = 0,5*dd, dd - khối lượng riêng của dung dịch ở nồng độ đang xét, không kể lẫn bọt hơi, kg/m3. g= 9,81 m/s2. Po = 0,42 at. Hop -chiều cao lớp lỏng sôi(theo kính quan sát chỉ mức ), m Với Hop = [0,26 + 0,0014*( dd –dm)]*Ho, m. Ho - chiều cao ống truyền nhiệt, chọn Ho = 2 m. dd - khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ, kg/m3. dm - khối lượng riêng dung môi ở nhiệt độ sôi 76,4oC. Ta có dm = 975 kg/m3. Tính lần lượt ở các nồng độ khác nhau của dung dịch đường, ta được các giá trị Po +  P. Sau đó, tra bảng 57, VD và BT T10, tr443: ta được nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (tstb). SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -12-
Quan hệ nhiệt độ sôi và áp suất theo nồng độ dung dịch: Nồng độ o' ' ''  Hop Po+ P Tsdd(Po) Tsdd(Po+ P) 8% 0.05 0.04 4.35 5.39 0.68 0.434 76.44 80.79 15% 0.25 0.19 4.62 5.81 0.76 0.437 76.59 81.21 20% 0.38 0.29 4.85 6.13 0.82 0.439 76.69 81.53 25% 0.50 0.38 5.10 6.48 0.88 0.441 76.78 81.88 30% 1.00 0.76 2.97 4.73 0.95 0.237 61.46 64.43 35% 1.50 1.14 2.91 5.06 1.02 0.239 61.84 64.76 40% 1.75 1.34 3.07 5.40 1.09 0.242 62.04 65.10 45% 2.00 1.53 3.25 5.78 1.16 0.245 62.23 65.48 50% 2.50 1.91 3.27 6.18 1.24 0.248 62.61 65.88 55% 3.00 2.29 3.32 6.61 1.32 0.251 62.99 66.31 60% 4.00 3.05 3.01 7.07 1.40 0.255 63.75 66.77 65% 5.00 3.82 2.74 7.56 1.48 0.259 64.52 67.26 70% 6.00 4.58 2.50 8.08 1.57 0.263 65.28 67.78 75% 7.00 5.34 2.29 8.63 1.66 0.267 66.04 68.33 3. Cân bằng nhiệt lượng: a. Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc ( QD): Theo công thức VI.3, Sổ tay tập 2, trang 52: QD = Qđ+ Qbh + Qkn + Qtt = 19,41.109 +1,75.109 + 4%.QD  QD = 20,97.109 J Trong đó: Qđ - nhiệt lượng để đun nóng đến nhiệt sôi, J Qbh - nhiệt lượng làm bốc hơi nước, J. Qtt - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, J. b. Nhiệt lượng dùng để đun nóng đến nhiệt độ sôi: Theo Sổ tay tập 2, trang 52: Qđ = Gđ*Ctb*(tsoi - tđ) = 9375*4020,99*(76,44 - 30) = 1,751.109 J Với: Gđ = 9375 kg/mẻ. Ctb - nhiệt dung riêng của dung dịch. Theo Sổ tay tập 1, tr153: C = 4190 - ( 2514 - 7,542*t )*x, J/kgoK Ở t = 30oC, x = 8% thì C1 = 4190 - ( 2514 - 7,542* 30 )*0,08 =4006,98 J/kgoK Ở t = 76,44 oC, x = 8% thì C2 = 4190 - ( 2514 - 7,542*76,44 )*0,08 = 4035,0 J/kgoK Nên Ctb = (4006,98+ 4035,0 ) / 2 = 4020,99 J/kgoK c. Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh): Theo Sổ tay tập 2, trang 57: Qbh = W*r = 8375*2318,8.103 = 19,41.109 J Trong đó: W - lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 8375 kg. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -13-
r – ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,42 at Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: r = 2318,8.103 J/kg Nhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn): Theo Sổ tay tập 2, trang 53: Qkn =Qhtđ - Qhtc Trong đó: Qhtđ, Qhtc lần lượt là nhiệt hoà tan tích phân của dung dịch đường ở nồng độ đầu và cuối của quá trình cô đặc. Thường Qkn rất bé có thể bỏ qua. d. Nhiệt lượng tổn thất (Qtt): theo QT và TBTN T5, tr186: chọn Qtt = 4%*QD 4. Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc (D): Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, tr182: QD = D*(1-)* ( i''D – C*  ) Do không quá lạnh hơi ngưng tụ: i''D – C* = r. QD 20,97.10 9 Nên D    9707 ,68 kg / me , 1    * r (1  0,05) * 2171 .10 3 Trong đó: QD - tổng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc, QD = 20,97.109 J  - độ ẩm của hơi,  = 0,05 ( VD và BT T10, trang 182) r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất là 3 at. Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: r = 2171.103 J/kg 5. Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng: Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, trang 182: D 9707,68 m   1,159 ( kg hơi đốt / kg hơi thứ ). W 8375 Trong đó: D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 9707,68 kg/mẻ. W - lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 8375 kg/mẻ. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -14-
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC I. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1): Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28: 0 , 25  r   1  2,04 * A *    q1   1 * t1 (1)  H * t 1  Trong đó: r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at. Tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 447: r = 2170.103 J/kg H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m. A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2 A tra ở sổ tay tập 2, trang 28. với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng. 1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2K. 2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2): Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi. Quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch. Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71: 0, 435   dd  0,565   2  C     2  n *   n  *  dd  *  dd  *  n        W / m2 K (2)    n   Cn   dd    Trong đó: n -hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch n = 3. p0,15. q20,7 Cdd - nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ ddịch Cn - nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch dd - độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch n - độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch  dd - khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch n - khối lượng riêng nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch dd - độ dẫn điện dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch n - độ dẫn điện nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -15-
Lập thành bảng số liệu theo nồng độ của dung dịch: Nồng độ n  dd dd n Cdd C n dd  n 8% 975.2 1031.7 0.343 0.438 4028.1 4190 0.426 0.664 15% 975.2 1061.0 0.687 0.438 3886.4 4190 0.371 0.664 20% 975.2 1082.9 0.745 0.438 3785.2 4190 0.346 0.664 25% 975.2 1105.5 1.450 0.438 3684.1 4190 0.326 0.664 30% 975.2 1129.0 2.156 0.438 3582.9 4190 0.310 0.664 35% 975.2 1153.3 2.861 0.438 3481.7 4190 0.296 0.664 40% 975.2 1178.5 3.567 0.438 3380.5 4190 0.285 0.664 45% 975.2 1204.7 4.785 0.438 3279.3 4190 0.275 0.664 50% 975.2 1231.7 6.003 0.438 3178.1 4190 0.266 0.664 55% 975.2 1259.8 7.222 0.438 3076.9 4190 0.258 0.664 60% 975.2 1288.7 8.440 0.438 2975.7 4190 0.250 0.664 65% 975.2 1318.7 9.658 0.438 2874.5 4190 0.243 0.664 70% 975.2 1349.6 10.877 0.438 2773.4 4190 0.237 0.664 75% 975.2 1381.4 12.095 0.438 2672.2 4190 0.230 0.664 Ghi chú:  Các thông số của dung dịch:  Cdd = 4190 – ( 2514 –7,52*t )*x, J/kg.K  dd: tra bảng phục lục.   dd: tra bảng I.86 sổ tay tập 1 trang 58  dd: theo công thức ( I.32 ) sổ tay tập 1 trang 123:  dd  dd  3 , 58 . 10  8 *  dd * 3 , W / mK M dd  Các thông số của nước tra bảng 39 trang 427 và bảng 57 trang 447 sổ tay tập 2. 3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv): Theo BT và VD tập 10: tv1  tv2 qv =  r v  tv = tv1 -tv2 = rv*qv = 0,836.10-3* qv (3) Trong đó: rv - tổng trở vách. rv = r1 + / + r2 = ( 0,464 + 3,5/17,5 + 0,172 )*10-3 = 0,836.10-3 W/m2K với SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -16-
r1 - nhiệt trở màng nước, r1 = 0,464.10-3 m2 oK / W. r2 - nhiệt trở lớp cặn, r2 = 0,172.10-3 m2 oK / W.  - bề dày ống,  =( do - dt ) / 2 = ( 57 – 50 )/ 2 = 3,5 mm  - hệ số dẫn nhiệt của ống,  = 17,5 m2 oK / W (với ống là thép không gỉ ) tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, tv = tv1 - tv2, oK 4. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc: Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt: 1 K  1 1   rv  1  2 Với: 1 = q1 / tv1 2 = q2 / tv2 rv = 0,836.10-3 W/m2 oK. 5. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng: Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định: q1 = q2 = qv (4) tv1 = tD - tv1 (5) tv =tv1 - tv2 (6) t2 = tv2 - tsoitb (7) Dùng phương pháp số ta lần lượt tính theo các bước sau:  Bước 1: Chọn nồng độ dung dịch, từ đó tra được các thông số bảng 2  Bước 2: Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: tv1, tính được t1 theo (5) với tD = 132,9oC.  Bước 3: Tính được q1 theo (1).  Bước 4:Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm 2 theo (2)  Bước 5: Tính tv theo (3). Tính được tv2 = tv + tv1  Bước 6: Tính  t2 theo (7) với tsoitb tra ở bảng 2 theo nồng độ.  Bước 7: Tính được q2 theo công thức: q2 = 2 *  t2  Bước 8: So sánh sai số giữa q1 và qtb, với qtb = (q1 + q2) / 2. Đặt giá trị đó là ss:  Nếu ss lớn thì quay về bước 2 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ t1: t1(mới] = (1 - ss)* t1, từ đó tính lại được tv1 = tD - t1.  Nếu ss nhỏ thì ngừng. Phép lặp sẽ có ss hội tụ về 0. Do đó với số lần lặp lớn ta sẽ có kết quả q1, q2 và qv sẽ cùng tiến về hằng số đó chính là giá trị cần tìm. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -17-
6. Kết quả tính toán: Phía hơi Nồng Lần Phía dung dịch Vách T A ngưng qtb 1 2 K ss% độ tính sdd q1 tD t1 tv1 tv tv2 t2 q2 1 80.79 191.1 41445 132.9 4.90 128.00 34.65 93.35 12.56 36018 38732 7.01 8% 2 80.79 191.2 39258 132.9 4.56 128.34 32.82 95.52 14.73 40672 39965 1.77 3 80.79 191.2 39776 132.9 4.64 128.26 33.25 95.01 14.22 39617 39696 8577 2786 762 0.20 1 81.21 191.1 41445 132.9 4.90 128.00 34.65 93.35 12.14 24987 33216 24.77 15% 2 81.21 191.3 33509 132.9 3.69 129.21 28.01 101.20 19.99 35450 34480 2.82 3 81.21 191.3 34211 132.9 3.79 129.11 28.60 100.51 19.30 34726 34468 9027 1799 666 0.75 1 81.53 191.1 41445 132.9 4.90 128.00 34.65 93.35 11.82 22722 32084 29.18 20% 2 81.53 191.3 32032 132.9 3.47 129.43 26.78 102.65 21.12 33901 32967 2.83 3 81.53 191.3 32708 132.9 3.57 129.33 27.34 101.99 20.45 33320 33014 9165 1629 641 0.93 1 81.88 191.4 28729 132.9 3.00 129.90 24.02 105.88 24.00 26060 27394 4.87 25% 2 81.88 191.4 27676 132.9 2.85 130.05 23.14 106.91 25.03 26473 27075 2.22 3 81.88 191.5 27215 132.9 2.79 130.11 22.75 107.36 25.48 26633 26924 9753 1045 528 1.08 1 64.43 191.3 33942 132.9 3.75 129.15 28.38 100.77 36.34 28452 31197 8.80 30% 2 64.43 191.4 31685 132.9 3.42 129.48 26.49 102.99 38.56 28768 30226 4.83 3 64.43 191.4 30535 132.9 3.25 129.65 25.53 104.12 39.69 28852 29693 9381 727 431 2.83 1 64.76 191.4 28729 132.9 3.00 129.90 24.02 105.88 41.13 24963 26846 7.01 35% 2 64.76 191.5 27208 132.9 2.79 130.11 22.75 107.36 42.61 24897 26053 4.44 3 64.76 191.5 26300 132.9 2.67 130.23 21.99 108.25 43.49 24816 25558 9866 571 372 2.90 1 65.10 191.5 24313 132.9 2.40 130.50 20.33 110.17 45.07 21857 23085 5.32 40% 2 65.10 191.5 23339 132.9 2.27 130.63 19.51 111.12 46.01 21684 22511 3.68 3 65.10 191.5 22694 132.9 2.19 130.71 18.97 111.74 46.63 21550 22122 10368 462 323 2.58 1 65.48 191.6 19604 132.9 1.80 131.10 16.39 114.71 49.23 17898 18751 4.55 45% 2 65.48 191.6 18932 132.9 1.72 131.18 15.83 115.35 49.87 17695 18314 3.38 3 65.48 191.6 18451 132.9 1.66 131.24 15.43 115.81 50.33 17539 17995 11115 348 263 2.53 1 65.88 191.7 16241 132.9 1.40 131.50 13.58 117.92 52.04 14907 15574 4.28 50% 2 65.88 191.7 15717 132.9 1.34 131.56 13.14 118.42 52.54 14709 15213 3.32 3 65.88 191.7 15325 132.9 1.30 131.60 12.81 118.79 52.91 14553 14939 11829 275 219 2.58 1 66.31 191.7 13557 132.9 1.10 131.80 11.33 120.47 54.16 12530 13044 3.94 55% 2 66.31 191.7 13155 132.9 1.06 131.84 11.00 120.85 54.54 12355 12755 3.14 3 66.31 191.7 12845 132.9 1.02 131.88 10.74 121.14 54.83 12215 12530 12549 223 185 2.51 1 66.77 191.7 11665 132.9 0.90 132.00 9.75 122.25 55.48 10734 11199 4.16 60% 2 66.77 191.7 11299 132.9 0.86 132.04 9.45 122.59 55.82 10562 10931 3.37 3 66.77 191.7 11013 132.9 0.83 132.07 9.21 122.86 56.09 10424 10718 13212 186 159 2.75 1 67.26 191.8 9868 132.9 0.72 132.18 8.25 123.93 56.67 9150 9509 3.78 65% 2 67.26 191.8 9588 132.9 0.69 132.21 8.02 124.19 56.94 9008 9298 3.12 3 67.26 191.8 9363 132.9 0.67 132.23 7.83 124.40 57.15 8892 9127 13949 156 136 2.58 1 67.78 191.8 8608 132.9 0.60 132.30 7.20 125.10 57.33 7948 8278 3.99 70% 2 67.78 191.8 8350 132.9 0.58 132.32 6.98 125.34 57.57 7813 8081 3.32 3 67.78 191.8 8141 132.9 0.56 132.34 6.81 125.54 57.76 7701 7921 14617 133 119 2.77 1 68.33 191.8 7508 132.9 0.50 132.40 6.28 126.12 57.79 6919 7214 4.08 75% 2 68.33 191.8 7277 132.9 0.48 132.42 6.08 126.34 58.00 6794 7036 3.43 3 68.33 191.8 7089 132.9 0.46 132.44 5.93 126.51 58.18 6691 6890 15308 115 104 2.89 SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -18-
II. Tính cách nhiệt cho thiết bị: 1. Chiều dày lớp cách nhiệt buồng đốt: Theo công thức sau (V.137), trang 41, sổ tay tập 2: d 11, 2 .1, 35 t t12, 3   2 ,8 . q1 , 5 1 1216 1, 2. 0 ,1372 1, 35 . 129 1, 3  2 ,8 .  64 mm 422 1, 5 trong đó: d2 – đường kính ngoài buồng đốt, d2 = 1216 mm  - hệ số cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt, chọn vật liệu cách nhiệt là amiang :  = 0,1372 W/ m0K tt2 – nhiệt độ mặt ngoài của buồng đốt, tt2 = 1290C q1 – nhiệt độ tổn thất trên 1 m2 bề mặt theo bảng V.7 : q1 = 422 W/ m2 2. Chiều dày lớp cách nhiệt buồng bốc: Theo công thức sau (V.137), trang 41, sổ tay tập 2: d 11, 2 .1, 35 t t12, 3   2 ,8 . q1 , 5 1 2028 1, 2. 0 ,1372 1, 35 . 82 ,51, 3  2 ,8 .  58 mm 450 1, 5 trong đó: d2 – đường kính ngoài buồng bốc, d2 = 2028 mm  - hệ số cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt, chọn vật liệu cách nhiệt là amiang :  = 0,1372 W/ m0K tt2 – nhiệt độ mặt ngoài của buồng đốt, tt2 = 82,50C q1 – nhiệt độ tổn thất trên 1 m2 bề mặt theo bảng V.7 : q1 = 450 W/ m2 3. Chiều dày lớp cách nhiệt của nắp và đáy: Chọn chiều dày lớp cách nhiệt của nắp bằng chiều dày lớp cách nhiệt của buồng bốc, chọn chiều dày lớp cách nhiệt của đáy bằng chiều dày lớp cách nhiệt của buồng đốt. SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -19-
III. Thời gian cô đặc: 1. Thời gian cô đặc dung dịch đường: Theo QT và TBTN tập 5: Q dQ    K * F * (T  t ) ,s Qd Trong đó: Qđ – lượngnhiệt do quá trình đun nóng nguyên liệu trước khi nhập vào nồi cô đặc, J Q - tổng nhiệt cung cấp cho cô đặc, J t - nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, t = tstb T- nhiệt độ hơi đốt, T = 132,9oC F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 39,74 m2 K - hệ số truyền nhiệt, K thay đổi theo nồng độ 2. Tính toán tại các nồng độ khác nhau và lập thành bảng số liệu: Nồng độ W, kg Q*10 - 9, J T-t, oK F, m2 K,W/m2 oK 1/(KF(T-t)).106, 1/W Thời gian, s 8% 0 2.88 52.11 50.89 762 0.4946 0 15% 4375 10.04 51.69 50.89 666 0.5712 3817 20% 5625 12.91 51.37 50.89 641 0.5964 1671 25% 6375 14.62 51.02 50.89 528 0.7299 1136 30% 6875 16.09 68.47 50.89 431 0.6653 1028 35% 7232 16.92 68.14 50.89 372 0.7757 597 40% 7500 17.54 67.80 50.89 323 0.8975 517 45% 7708 18.02 67.42 50.89 263 1.1063 478 50% 7875 18.39 67.02 50.89 219 1.3359 463 55% 8011 18.70 66.59 47.50 185 1.7085 467 60% 8125 18.95 66.13 42.48 159 2.2400 499 65% 8221 19.16 65.64 38.36 136 2.9126 542 70% 8304 19.34 65.12 34.76 119 3.7128 587 75% 8375 19.49 64.57 31.71 104 4.6870 632 SVTH:Trần Thanh Tuấn Trang -20-