Đồ án kỹ thuật Thực phẩm (Thiết kế nồi cô đặc đường mía). Đề tài: Thiết kế hệ cô đặc đường mía hai nồi xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài. (Nồng độ đầu là 10%, nồng độ cuối là 68% với nhập liệu 4000 kg.h1)

Hiện nay, đường đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống cũng như trong sản xuất. Vì thế, ngành công nghiệp sản xuất đường trên thế giới và ở nước ta không ngừng phát triển, các sản phẩm ngày càng đa dạng. Để nâng cao nồng độ của dung dịch đường theo yêu cầu sản xuất, người ta cần dùng các biện pháp tách bớt phần dung môi ra khỏi dung dịch đường. Phương pháp phổ biến là sử dụng thiết bị cô đặc giúp dung môi bị tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất rắn hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên theo yêu cầu nhà sản xuất mong muốn. Đề tài: Thiết kế hệ cô đặc đường mía hai nồi xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài. (Nồng độ đầu là 10%, nồng độ cuối là 68% với nhập liệu 4000 kg.h1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP

buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài.

(Nồng độ đầu là 10%, nồng độ cuối là 68% với nhập liệu 4000 kg.h-1)

 Giảng viên hướng dẫn:

MSSV: B1900675 Lớp: NN1908A2

Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, đường đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống cũng như trong sản xuất Vì thế, ngành công nghiệp sản xuất đường trên thế giới và ở nước ta không ngừng phát triển, các sản phẩm ngày càng đa dạng Để nâng cao nồng độ

của dung dịch đường theo yêu cầu sản xuất, người ta cần dùng các biện pháp tách bớt phần dung môi ra khỏi dung dịch đường Phương pháp phổ biến là sử dụng thiết bị cô đặc giúp dung môi bị tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất rắn hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng

dần lên theo yêu cầu nhà sản xuất mong muốn

Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến

Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất,

giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Chính vì vậy, đề tài “Thiết kế hệ cô đặc đường mía hai nồi xuôi chiều liên tục, buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài Nồng độ đầu là 10%,

nồng độ cuối là 68% với nhập liệu 4000 kg.h-1” đã được thực hiện

Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học là một môn học nhằm giúp sinh viên vân dụng các kiến thức vào việc thiết kế một thiết bị chính và một số thiết bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật Đồng thời, giúp sinh viên biết sử dụng tài liệu tham khảo, tra cứu số liệu, biểu bảng, cũng như kỹ năng trình bày, đọc hiểu bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống, giúp sinh viên có những kỹ năng cần thiết sau khi ra làm việc thực tế và làm quen với công việc của một kỹ sư

tương lai

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Văn Minh Nhựt, giảng viênBộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ, người đã giaođề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm thựctế trong cuộc sống mà Thầy có được Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, Thầy luôndành thời gian và tạo điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để giúp em có thể hoànthành đồ án Quá trình thiết bị theo đúng yêu cầu và thời gian đặt ra.

Bên cạnh đó, Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, đã truyền đạt những kiến thức cũng như kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình em học tập tại trường.

Trong quá trình thực hiện, em đã cố gắng tìm hiểu tài liệu và tìm hiểu từ thầy(Cô), bạn bè và dựa vào những kiến thức được học ở trường Với điều kiện thời giancũng như kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế đồ án không thể tránh được nhữngthiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và chỉ bảo tận tình của quýThầy (Cô).

Sinh viên thực hiện

1.2 Tổng quan về cây mía: 9

1.2.1 Hình thái cây mía 9

1.2.2 Các giống mía: 9

1.2.3 Sơ lược về Saccarozo: 11

1.2.4 Ứng dụng của đường Saccarozo: 12

1.2.5 Thông số kỹ thuật trong quá trình cô đặc mía đường: 12

1.2.6 Biến đổi của dung dịch mía đường trong quá trình cô đặc 13

1.3 Khái quát về cô đặc: 13

1.3.1 Khái niệm cô đặc: 13

1.3.2 Các phương pháp cô đặc 14

1.3.3 Phân loại thiết bị cô đặc: 14

1.3.4 Cấu tạo chính của thiết bị cô đặc: 16

1.3.5 Ứng dụng của thiết bị cô đặc 17

1.3.6 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 17

1.3.7 Lựa chọn phương án thiết kế 17

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 12

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 12

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 13

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 15

3.1 Tính cân bằng vật liệu 15

3.1.1 Xác định lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ Xđ đến Xc 15

3.2 Cân bằng nhiệt lượng 16

3.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi: 16

3.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất cho từng nồi 17

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 23

4.1 Tính truyền nhiệt 23

4.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp 23

4.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi: 24

4.5.2 Đường kính các ống dẫn dung dịch 35

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 38

5.2.1 Mặt bích nối nắp, thân buồng bốc 49

5.2.2 Mặt bích nối thân, đáy buồng đốt 49

5.2.3 Mặt bích ống nối dẫn 50

5,3, Tính vỉ ống: 51

5.3.1 Tính toán cho nồi 1 52

5.3.2 Tính toán cho nồi 2 53

5.4 Tính khối lượng 55

5.4.1 Khối lượng thép làm thân buồng đốt 55

5.4.2 Khối lượng thép làm thân buồng bốc 56

5.4.3 Khối lượng phần đáy elip buồng đốt: 56

5.4.4 Khối lượng phần nắp elip buồng bốc 57

5.4.5 Khối lượng ống truyền nhiệt 57

5.4.6 Khối lượng dung dịch 58

5.5 Chọn tai treo và kính quan sát 59

Trang 5

5.5.1 Tai treo 59

5.2.2 Kính quan sát 60

5.6 Tính cách nhiệt 60

5.6.1 Lớp cách nhiệt cho thân thiết bị 60

5.6.2 Chiều dày lớp cách nhiệt ống dẫn 61

CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ PHỤ 63

6.1 Thiết bị gia nhiệt 63

6.1.1 Sơ lược về thiết bị gia nhiệt ống chùm 63

6.1.2 Tính toán 63

6.1.3 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, nhiệt lượng cần cung cấp 64

6.1.4 Tính hệ số truyền nhiệt K 65

6.2 Thiết bị ngưng tụ Baromet 68

6.2.1 Đường kính của thiết bị ngưng tụ 69

6.2.2 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 70

6.2.3 Kích thước ống baromet 71

6.3 Bồn cao vị 73

6.4 Tính và chọn bơm 75

6.4.1 Bơm chân không 75

6.4.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 75

6.4.3 Bơm từ bể chứa nguyên liệu vào thiết bị gia nhiệt 75

6.4.4 Bơm tháo liệu 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Thành phần hóa học của mía và nước mía[1] 10

Bảng 3-1: Các thông số đầu vào 15

Bảng 3-2: Tóm tắt áp suất, nhiệt độ (giả thiết) của các dòng hơi 17

Bảng 3-3: Bảng tổn thất theo nồng độ ở áp suất thường 18

Bảng 3-4: Bảng nhiệt độ hơi thứ và hệ số hiệu chỉnh f 18

Bảng 3-5: Thông số tổn thất do áp suất thủy tĩnh gây ra 19

Bảng 3-6: Tóm tắt kết quả các thông số dòng hơi và dung dịch 22

Bảng 4-1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt 23

Bảng 4-2: Bảng giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ độ màng, trang 28, [7] 25

Bảng 4-3: Tóm tắt các thông số của nhiệt tải riêng phía hơi ngưng 25

Bảng 4-4: Thông số vật lí của nước ngưng 26

Bảng 4-5: Thông số vật lí của dung dịch đường 27

Bảng 4-6: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi 𝜶𝟐 28

Bảng 4-7: Nhiệt tải riêng của dung dịch sôi 28

Bảng 4-8: Bề mặt truyền nhiệt F(m2) 29

Bảng 4-9: Số ống truyền nhiệt của từng nồi 30

Bảng 4-10: Đường kính ống tuần hoàn ngoài 31

Bảng 4-11: Đường kính trong buồng đốt (m) 31

Bảng 4-12 Đường kính trong buồng bốc 31

Bảng 4-13: Chiều cao buồng bốc 32

Bảng 4-14: Đường kính và chiều cao đáy và nắp elip 33

Bảng 4-15: Kết quả tính toán đường kính ống dẫn hơi đốt 34

Bảng 4-16: Kết quả tính toán đường kính ống dẫn hơi thứ 35

Bảng 4-17: Các giá trị tính được của ống dẫn dung dịch vào thiết bị gia nhiệt 35

Bảng 4-18: Các giá trị tính được của ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 1 35

Bảng 4-19: Các giá trị tính được của ống dẫn từ nồi 1 vào nồi 2 36

Bảng 4-20: Các giá trị tính được của ống dẫn từ nồi 2 vào bồn chứa thành phẩm 36

Bảng 4-21: Các giá trị tính được của ống dẫn nước ngưng 36

Trang 7

Bảng 4-22: Kết quả tính toán đường kính các loại ống dẫn quy chuẩn [15] 37

Bảng 5-1: Tính chất vật liệu làm thiết bị 38

Bảng 5-2: Các giá trị của bích nối thân, nắp của buồng bốc 49

Bảng 5-3: Các giá trị của bích nối thân, nắp của buồng đốt 49

Bảng 5-4: Các giá trị của bích nối ống dẫn hơi đốt nồi 1 50

Bảng 5-5: Các giá trị của bích nối ống dẫn hơi thứ nồi 1, hơi đốt nồi 2 51

Bảng 5-6: Các giá trị của bích nối ống dẫn dung dịch của thiết bị 51

Bảng 5-8: Bề dày vỉ ống phía trên buồng đốt 54

Bảng 5-9: Bề dày vỉ ống phía dưới buồng đốt 54

Bảng 5-10: Khối lượng của mỗi nồi 58

Bảng 5-11: Tải trọng cho phép ở mỗi tai treo 59

Bảng 5-12: Tai treo thiết bị thẳng đứng 60

Bảng 5-13: Kết quả tính toán độ dày lớp cách nhiệt của thiết bị 61

Bảng 5-14: Thông số cách nhiệt các đường ống dẫn hơi 62

Bảng 5-15: Thông số cách nhiệt các đường ống dẫn dung dịch 62

Bảng 6-1: Các thông số ban đầu của dung dịch khi vào thiết bị gia nhiệt 63

Bảng 6-2: Bảng giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ độ màng, trang 28, [7] 66

Bảng 6-3: Hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, chuẩn số Re, Pr, Nu 67

Bảng 6-4 Kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ Baromet 72

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Hình thái cây mía 9

Hình 2-1: Sơ đồ quy trình công nghệ thiết bị cô đặc 2 nồi, buồng đốt trong 12

Hình 5-1: Kiểu bích nối các bộ phận của thiết bị 48

Hình 5-2: Kiểu bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn [14] 50

Trang 9

Hình 1-1: Hình thái cây mía

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ:

Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch đường ba nồi xuôi chiều, buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm

Số liệu đề cho:

Nồng độ đầu vào: 10% Nồng độ cuối: 68%

Năng suất nhập liệu: 4000 kg.h-1

1.2 Tổng quan về cây mía: 1.2.1 Hình thái cây mía

Cây mía gồm các phần chủ yếu: rễ, thân, lá và hoa Hiểu rõ đặc điểm của từng thành phần giúp cho việc kiểm soát chất lượng nguồn nguyên liệu và hiệu quả tái tạo đường được tốt hơn[1]

1.2.2 Các giống mía:

Giống mía đóng vai trò quan trọng có vai trò quan trọng trong việc sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp chế biến đường Các giống mía có thời gian sinh trưởng

khác nhau (chín sớm, chín trung bình, chín muộn) góp phần hình thành cơ cấu giống

mía, nhằm rải vụ trồng và kéo dài thời gian chế biến cho các nhà máy đường[1] Mía là tên gọi chung của một số loài thuộc chi mía (Saccharum), chúng thuộc

tông Andropogoneae của họ Hòa thảo (Poacae) Phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới

và cận nhiệt đới Cây mía Mía được chia thành 3 nhóm chính:

- Nhóm saccharum officinarum: là giống thường gặp, được trồng nhiều nhất

trên thế giới và ở Việt Nam

- Nhóm saccharum violaceum: lá màu tím, thân ngắn cứng và không trổ cờ - Nhóm saccharum simense: cây nhỏ cứng, thân màu nâu nhạt, được trồng

nhiều ở Trung Quốc

Ngoài ra còn có nhóm saccharum barberi, saccharum bengalense, saccharumedule nhưng những nhóm này ít phổ biến

Thành phần hóa học trong cây mía có thể thay đổi theo điều kiện trồng ở mỗi

vùng, theo giống mía,… trong mía có thành phần chủ yếu là nước và đường

sacharose, và phần nhỏ những hợp chất không đường như các chất hữu cơ, chất sáp, acid hữu cơ,…

Bảng 1-1: Thành phần hóa học của mía và nước mía[1]

Muối axit vô cơ 1.5 – 4.5 Muối axit hữu cơ 1 - 3 Axit hữu cơ tự do 0.5 – 2.5

Trang 11

1.2.3 Sơ lược về Saccarozo:

Là loại đường phổ biến nhất, có nhiều trong các loại động vật, thực vật

Saccarozo còn được gọi với một số tên như: Đường kính (đường có độ tinh khiết cao),đường ăn,đường cát,đường trắng,đường nâu (đường có lẫn tạp chất màu), đường mía (đường trong thân cây mía), đường phèn (đường ở dạng kết tinh), đường củ cải (đường trong củ cải đường), đường thốt nốt (đường trong cây thốt nốt)

a, Tính chất vật lý:

Saccarozo là chất kết tinh không màu Có vị ngọt, dễ tan trong nước, đặc biệt tan nhiều trong nước nóng

b, Tính chất hóa học của saccarozo

Công thức phân tử C12H22O11 là một disaccarit, cấu tạo từ hai đường đơn là gốc 𝛽-glucose và gốc 𝛾-fructose liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxi Vì không có nhóm chức andehit (-CH=O) nên saccarozo không có tính khử như glucozo (không có phản ứng tráng bạc) Saccarozơ chỉ có tính chất của ancol đa chức và có phản ứng của đisaccarit

Một số phản ứng chủ yếu của saccharose:

+ Phản ứng ancol đa chức: Dung dịch saccarose phản ứng với Cu(OH)2 tạo thành dung dịch phức đồng có màu xanh thẫm

2C12H22O11 + Cu(OH)2 → (C12H22O11)2Cu + 2H2O

+ Phản ứng thủy phân: Khi saccharose được đun nóng với dung dịch acid hay có xúc tác tác enzym (invertaza) thì sacharose bị thủy phân thành glucose và fructose

C12H22O11 → C6H12O6 + C6H12O6

+ Saccarozơ bị thủy phân thành glucozơ và fructozơ khi: Đun nóng với dung dịch axit và có xúc tác enzim trong hệ tiêu hóa của người

Phản ứng caramen hóa: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, đường saccarozo bị mất nước tạo thành caramen là sản phẩm có màu như caramenlan, caramenlen, caramenlin(hợp chất humin) Nếu trong môi trường kiềm saccharose bị phân hủy thành lactose, glucose, fructose và các đường khác, dung dịch được đun nóng trong thời gian dài ở độ pH từ 8 đến 9 thì sacchrose sẽ bị phân hủy thành các hợp chất màu vàng hay nâu Tốc độ phân hủy sẽ tăng theo độ pH, ví dụ cùng ở nhiệt độ sôi đun trong một giờ thì với độ pH từ 8 đến 9 thì saccharose chỉ bị phân hủy 0,05%, nhưng nếu tăng độ pH lên 12 thì sự phân hủy tăng 0,5%

1.2.4 Ứng dụng của đường Saccarozo:

Saccarozơ được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, để sản xuất bánh kẹo,nước giải khát Trong công nghiệp dược phẩm để pha chế thuốc Đường giữ một vai trò rất quan trọng trong khầu phần ăn hàng ngày của con người, là nguyên liệu cho công nghiệp thực phẩm, pha chế thuốc, dùng trong sản xuất bánh kẹo, … là nhu cầu không thể thiếu trong đời sống xã hội

1.2.5 Thông số kỹ thuật trong quá trình cô đặc mía đường:

Quá trình cô đặc thực phẩm có 3 thông số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sảnphẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc hơi[1]

a, Nhiệt độ sôi:

Khi tiến hành một quá trình cô đặc mía đường người ta đun nóng dung dịch mía đường tới nhiệt độ sôi Nước trong dung dịch bốc hơi cho đến khi nồng độ đường(chất hòa tan) đã đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho dung dịch ra khỏi thiết bị.Nhiệt độ sôi của dung dịch đường phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độchất hòa tan và thành phần của dung dịch đường mía.Khi áp suất hơi trên bề mặt của dung dịch đường mía càng thấp thì nhiệt độ sôicủa dung dịch đường mía càng thấp và ngược lại Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của dung dịch đường mía Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi độ chân không.Trong quá trình cô đặc, nồng độ đường tăng dần nên nhiệt độ sôi của dung dịch đường cũng tăng dần.Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của dung dịch đường mía ít bị biến đổi như thành phần ít bị tổn thất, màu sắc bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi Nhiệt độ sôi thấp còn làm kéo dài thời gian bền của vật liệu làm thiết bị cô đặc

b, Thời gian cô đặc:

Là thời gian lưu lại của dung dịch mía đường trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến nồng độ yêu cầu[1]

Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của dung dịch mía đường Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn

c, Cường độ bốc hơi:

Cường độ bốc hơi của dung dịch mía đường phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao

Trang 13

1.2.6 Biến đổi của dung dịch mía đường trong quá trình cô đặc

Dưới tác dụng của nhiệt độ, sacaroza có thể bị chuyển hóa thành glucoza và fructoza Khi nhiệt độ tăng 10 ℃ thì tốc độ chuyển hóa tăng 2 - 3 lần Ngoài ra, trong điều kiện nhiệt độ cao đường sacaroza bị mất nước tạo thành caramen là sản phẩm có màu như caramenlan, caramenlen, caramenlin Chất màu caramen được coi như hợp chất humin (C12H8O4)n Đó là sự polyme hóa ở mức độ khác nhau của β-anhidrit[1]

Các hợp chất màu đã chứa sẵn trong cây mía Khi ép mía những nhân tố này hòa lẫn vào nước mía ngoài ra, trong quá trình sản xuất, sản sinh một số chất màu

mới do kết quả phản ứng hóa học giữa các chất không đường và tuy hàm lượng rất nhỏ nhưng cường độ màu ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng nước mía và ngoại hình của đường cát trắng

Chất màu có trong cây mía:

Diệp lục tố có trong bản thân cây mía gồm diệp lục tố a (C55H72O5N4Mg) và diệp lục tố b (C55H70O4N4Mg), xantophin (C40H55O2 và carotene (C40H56),… Trong nước mía chúng hỗn hợp với các loại chất béo mà tồn tại phân tán thành những hạt huyền phù Khi gia nhiệt nước mía cùng ngưng kết với anbumin Chúng cùng với các loại vật chất nổi khác ngưng kết Trong sản xuất đường, nếu xử lý làm sạch tốt, phần lớn bị loại và đi vào nước bùn Nếu làm sạch không tốt, nước mía trong bị đục, có một phần cùng các loại chất béo khác phân tán trong nước mía, ảnh hưởng không tốtđến sản xuất

Chất màu mới sinh ra trong quá trình sản xuất đường Trong tổ chức tế bào mía, có rất nhiều vật chất nguyên là không màu, nhưng cùng các hợp chất khác kết hợp,

sau khi phản ứng hoặc phân hủy tạo thành chất màu, chủ yếu là poliphenon, hợp chất

amin và caramen đường Poliphenon kết hợp sắt tạo thành hợp chất màu nâu đậm Axit amin kết hợp với đường khử theo phản ứng Maillard tạo thành chất màu

melanoidin có màu nâu xẩm Ở nhiệt độ cao khoảng 200oC đường mất nước tạo thành dạng keo Chúng là những chất có hại cho sản xuất đường[1]

Đường sacaroza bị chuyển hóa làm giảm sản lượng đường, giảm hiệu suất thu hồi đường Đó là một tổn thất rất nghiêm trọng cho công đoạn nấu đường phía sau, do đó cần có những biện pháp làm giảm hoặc tránh tổn thất đến mức tối thiểu

1.3 Khái quát về cô đặc: 1.3.1 Khái niệm cô đặc:

Cô đặc là phương pháp thường dùng để tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử, với mục đích[2]:

Làm tăng nồng độ chất tan

Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh) Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Quá trình cô đặc của một dung dịch lỏng – rắn hay một dung dịch lỏng– lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi Tùy theo tính chất của cấu tử (khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình đó), có thể sử dụng phương pháp đun nóng bốc hơi hay làm lạnh kết tinh để tách một phần dung môi (thành phần dễ bay hơi) trong dung dịch[3]

Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch trong hệ thống cô đặc

Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc đem đun một thiết bị khác trong hệ thống cô

Phương pháp nhiệt (đun nóng), dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi) để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng hay thường ở áp suất chân không Đó là phương pháp cô đặc chân không[3]

Với phương pháp nhiệt, nó là quá trình ngược với quá trình hòa tan: nếu quá trình hòa tan là quá trình thu nhiệt thì trong quá trình cô đặc là tỏa nhiệt (phải tải nhiệt đi bằng một chất tải nhiệt thích hợp) và ngược lại nếu quá trình hòa tan là quá trình tỏa nhiệt thì trong quá trình cô đặc là thu nhiệt tức phải cấp thêm nhiệt nhiệt do dung dịch tỏa ra hay thu vào trong quá trình cô đặc gọi là nhiệt cô đặc Tùy theo loại dung dịch nhiệt cô đặc có thể là âm (tỏa nhiệt như dung dịch (NH4)2SO4, NaNO3, NH4NO3…), dương (thu nhiệt như dung dịch NaOH, KOH, CaCl2, K2CO3…) hay bằng không (như dung dịch đường)[3]

Trong 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 Tuỳ 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[3]

1.3.3 Phân loại thiết bị cô đặc:

a Phân loại theo cấu tạo

Trang 15

Có nhiều cách phân loại thiết bị cô đặc khác nhau nhưng tổng quát lại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng nhất

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 tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm: Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc) có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)[3] 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 và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm: Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài[3]

Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một làn 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[3]

b Phân loại theo phương thức thực hiện quá trình:

- Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi tại mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống cô đặc thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Quá trình cô đặc có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc (thường là hơi nước) được gọi là “hơi thứ”, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc khác hoặc thiết bị khác ở trong quy trình Nếu “hơi thứ” được sử dụng để đun nóng cho một thiết bị ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”[2]

- 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 dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

- 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 ra cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục, có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa, ) Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường

- Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác

- Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng chưa có thiết bị cảm biến đủ tin cậy, trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục

- Cô đặc một nồi: chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt trong đun nóng

- 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 hoặc có thể áp dụng cả hai phương pháp, đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

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 Tuỳ 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

1.3.4 Cấu tạo chính của thiết bị cô đặc:

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm có hai thành phần chính là buồng đốt và buồng bốc:

• Bộ phận đun sôi dung dịch (buồng đốt): được bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch

Bộ phận bốc hơi (buồng bốc): là một khoảng không gian trống bên trong thiết bị, ở đây hơi thứ được tách ra khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dùng dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có buồng đốt) Tùy theo mức đọ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo

Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý tới các yêu cầu sau:

 Thiết bị phải đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, dễ sửa chữa, dễ lắp ráp, các chi tiết phải tuân theo quy chuẩn, giá thành rẻ

 Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật: chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, vệ sinh thiết bị, dễ điều chỉnh và bảo trì thiết bị

Trang 17

 Cường độ truyền nhiệt lớn (hệ số truyền nhiệt K lớn)

1.3.5 Ứng dụng của thiết bị cô đặc

Phương pháp cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm Trong sản xuất hóa chất, dùng cô đặc dung dịch NaOH, KOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Trong sản xuất lương thực, thực phẩm, dùng để cô đặc đường, bột ngọt, nước trái cây…

1.3.6 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

Thiết bị chính:

- 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:

- Bơm

- Bể chứa nguyên liệu - Thiết bị gia nhiệt - Lưu lượng kế - Nồi hơi

- Bể chứa nước ngưng

- Bơm dung dịch từ nồi 1 sang nồi 2

1.3.7 Lựa chọn phương án thiết kế

Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch đường mía

Chọn là thiết bị cô đặc hai nồi liên tục xuôi chiều ở áp suất chân không, buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

Ưu điểm của việc lựa chọn thiết bị cô đặc hai nồi: tiết kiệm được chi phí hơi đốt do tận dụng hơi thứ của nồi trước (hơi thứ này sẽ được sử dụng làm hơi đốt cho nồi sau)

Liên tục: thiết bị hoạt động ổn định, nguyên liệu được nạp liên tục không bị gián đoạn Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van để tháo sản phẩm ra

Ưu điểm của thiết bị:

+ Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch + Hệ số truyền nhiệt K khá lớn

+ Ống tuần hoàn ngoài: dòng lưu chất đối lưu tốt hơn, ống tuần hoàn ngoài không bị đốt nóng như ống tuần hoàn trung tâm nên khả năng truyền nhiệt, tốc độ tuần hoàn tốt hơn trung tâm

Nhược điểm của thiết bị: Cô đặc các dung dịch dễ đóng cặn, phải thường

xuyên vệ sinh.

Trang 12

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Chú thích

1 Bồn chứa nguyên liệu đầu 2 Bơm nguyên liệu

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Nhập liệu đầu vào là dung dịch mía đường 10% Dung dịch được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị Dung dịch từ bồn cao vị chảy vào thiết bị gia nhiệt nằm đứng và được đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt nằm dọc, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo hình lục giác đều Các đầu ống được cố định bởi các vỉ ống trên và vỉ ống dưới và được hàn vào thân Nguồn cấp nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất 1,4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ trên xuống dưới bên trong ống Hơi nước bão hòa đi mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào nồi 1 thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn qua bẫy hơi đi ra ngoài

Phần dưới của thiết bị cô đặc là buồng đốt, gồm các ống truyền nhiệt và được gắn một ống tuần hoàn ngoài Dung dịch đi trong ống, còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi ở khoảng không gian ngoài ống Dung dịch đi trong ống chiều từ trên xuống dưới và nhận nhiệt do hơi đốt cung cấp để sôi, làm hóa hơi một phần dung môi

Lực tạo ra sự chuyển động tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong thiết bị gây nên là do độ chênh khối lượng riêng của dung dịch đưa vào (chưa đốt nóng) và của dung dịch được đốt nóng (hỗn hợp hơi và lỏng), từ đó tạo nên độ chênh áp suất ∆𝑃

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 đẩy từ dưới lên trên miệng ống Do đường kính ống truyền nhiệt nhỏ hơn nhiều so với ống tuần hoàn ngoài nên lượng dung dịch tiếp xúc diện tích bề mặt truyền nhiệt của ống truyền nhiệt nhiều hơn, nhiệt độ dung dịch trong ống truyền nhiệt cao hơn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt

Trang 14

lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng- hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ống truyền nhiệt và hỗn hợp được đẩy xuống dưới

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng- hơi thành hai dòng Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt, tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi thứ tiếp tục đi lên và làm hơi đốt cho nồi cô đặc 2 Dung dich ở nồi 1 sau khi đạt nồng độ 17.63% tiếp tục chảy qua nồi cô đặc 2 để cô đặc dung dịch lên 68% Dung dich ở nồi 2 sau khi đạt nồng độ 68% được bơm ra ngoài theo ống tháo liệu sản phẩm nồi 2 vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm Hơi thứ phía trên buồng bốc nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn từ dưới lên Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống dưới bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phân 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 baromet là thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài 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

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Tính cân bằng vật liệu

3.1.1 Xác định lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ Xđ đến Xc

Bảng 3-1: Các thông số đầu vào

Loại thiết bị: Hai nồi làm việc liên tục, buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài

Gđ: Khối lượng nguyên liệu (kg.h-1) Gc: khối lượng sản phẩm (kg.h-1) W: lượng hơi thứ (kg.h-1)

Xđ: nồng độ chất khô trong nguyên liệu (% khối lượng) Xc: nồng độ chất khô trong sản phẩm (% khối lượng) Bảo toàn khối lượng: Gđ = GC + W (1) Bảo toàn chất khô: Gđ Xđ = Gc Xc (2)

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

Gọi W1,W2 lần lượt là lượng hơi thứ của nồi 1 và nồi 2 Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1, 2 là:

Trang 16

W2= 1680,6724 kg.h-1

Tính lượng dung dịch ở mỗi nồi:

Gọi G1, G2 lần lượt là lượng dung dịch ở mỗi nồi, kg.h-1

3.2 Cân bằng nhiệt lượng

3.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi:

Áp suất mỗi nồi

Gọi P1, P2, Pnt lần lượt là áp suất nồi 1, 2 và thiết bị ngưng tụ

tđ1, tđ2, tntlần lượt là nhiệt độ hơi đốt vào nồi 1, 2 và thiết bị ngưng tụ

tw1, tw2lần lượt là nhiệt độ hới thứ ra khỏi nồi 1, 2 Giả sử thất thoát nhiệt Δ = 1ºC

Giả sử :

𝛥𝑃2 = 𝑃1−𝑃2

Chọn áp suất hơi đốt: Phđ1 = P1 = 1,232 at , ứng với nhiệt độ hơi đốt Thđ1=105ºC Áp suất ngưng tụ: Pngưng = 0,25 at, ứng với nhiệt độ ngưng tụ Tngưng=64.2 ºC Độ chênh lệch áp suất của cả hệ thống cô đặc:

∆P = Phđ1− Pnt =1,232 − 0.25 = 0.982 at (1) Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi

Áp suất ngưng tụ: 𝑃ngưng = 𝑃2 – ∆𝑃2 = 0.741 – 0.491= 0.25 at

Xác định nhiệt độ của mỗi nồi:

Thường dựa theo các giá trị áp suất để tra các nhiệt độ tương ứng trong các sổ tay chuyên môn Cần lưu ý rằng: nhiệt độ hơi đốt của nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ của nồi trước trừ đi 1℃ (1℃ chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1℃

Đặt:

tđ1, tđ2, tnt lần lượt là nhiệt độ hơi đốt vào nồi 1, 2 và thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 lần lượt là nhiệt độ hới thứ ra khỏi nồi 1, 2

Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống giữa các nồi là 1oC

thđ2 = tht1 - 1 tht2 = tnt + 1

Tra bảng I.250 (Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ), trang 312, [6] và bảng I.251, (Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất) trang 314 [6]:

Bảng 3-2: Tóm tắt áp suất, nhiệt độ (giả thiết) của các dòng hơi

3.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất cho từng nồi

a Tổn thất do nồng độ gây ra:

Theo công thức Tisencô VI.10, trang 59, [7]

P, at T, oC P, at T, oC P, at T, oC Hơi đốt 1.232 105 0.741 90.817 0.25 64.2

Trang 18

∆′= ∆0’ × f, ᴼC Trong đó:

∆0’: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển), tra bảng VI.2, trang 60, [7]

f: Hệ số hiệu chỉnh, tra bảng VI.1, trang 59, [7]

Bảng 3-3: Bảng tổn thất theo nồng độ ở áp suất thường

Tổn thất nhiệt ∆0’ (oC) 0.26 4.425

Bảng 3-4: Bảng nhiệt độ hơi thứ và hệ số hiệu chỉnh f

c Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh gây ra

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc được tính theo công

Có được giá trị áp suất trung bình ta tra bảng 16/98 [3] được nhiệt độ trung bình

Nhiệt độ tổn thất do áp suất thủy tĩnh ở các nồi bằng hiệu số giữa nhiệt độ trung bình của nhiệt độ của dung dịch trên mặt thoáng (bằng với nhiệt độ hơi thứ):

Δ"1 = Ttb1 - Tmt1

Δ"2 = Ttb2 - Tmt2

Với:

∆": Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh

Tmt, Tht: Nhiệt độ dung dịch trên mặt thoáng hay nhiệt độ hơi thứ (oC) P’: Áp suất hơi trên bề mặt dung dịch hay áp suất của hơi thứ (N.m-2) ∆P : Áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống (N.m-2)

h1: Chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch (m) Ta chọn chọn h1 = 0,3 m cho cả hai nồi hơi

h2: Chiều cao của dung dịch trong ống truyền nhiệt (m) Chọn h2 = 2,2 m cho cả hai nồi hơi

ρ𝑠: Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (Kg.m-3), ta có:

d Tổn thất nhiệt độ do sức cản thủy lực trong các ống dẫn (∆′′′)

Tổn thất nhiệt trên các ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi kia, và nồi hai đến thiết bị ngưng tụ, thường chấp nhận tổn thất từ 1 đến 1,5ºC [7]

Ta chọn tổn thất:

∆′′′= ∆′′′1 + ∆′′′2 = 2 (℃)

Trang 20

Nhiệt độ dung dịch sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích Ta có công thức tính nhiệt độ sôi của dung dịch như sau:

Vậy tổng nhiệt độ hữu ích là Σ∆thi = 25.569(℃)

Tính nhiệt dung riêng, nhiệt lượng riêng

* Tính cho hơi đốt, hơi thứ:

Gọi ihđ, iht, Cn lần lượt là nhiệt lượng riêng của hơi đốt, hơi thứ và nhiệt dung

riêng của nước ngưng nồi Các giá trị này được tra trong bảng I-250/312 [6]

* Tính nhiệt dung riêng của dung dịch

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường được tính theo công thức (I-50), trang 153, [6] như sau:

C = 4190 – (2514 – 7,542t).x, J.kg-1 độ-1

Trong đó:

- t là nhiệt độ của dung dịch, ℃

- x là nồng độ của dung dịch đường, phần khối lượng Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

- D1, D2: lượng hơi đốt vào nồi 1, 2 kg h-1

- Gđ, Gc :lượng dung dịch đầu, cuối, kg h-1

- W, W1, W2 lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi, kg h-1

- i, i1, i2 : hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ ở nồi 1, nồi 2 J kg-1

- Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J.kg-1.độ-1

- C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch nồi 1, nồi 2, J.kg-1.độ-1

- θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, ℃

- Cn1, Cn2 :nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, J.kg-1.độ-1

- Qxq1, Qxq2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, 2, W - tđ, ts1, ts2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 của dung dịch,℃

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho các nồi cô đặc trong hệ thống được thiết lập dựa trên nguyên tắc tổng nhiệt đi vào bằng tổng nhiệt đi ra:

Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:

Sau khi tính được lượng hơi thứ của các nồi, tiến hành kiểm tra bằng cách so sánh kết quả tính toán được với giả thiết ban đầu của từng nồi Nếu chênh lệch giữa tính toán và giả thiết nhỏ hơn 1% là được, còn nếu lớn hơn 1% thì phải giả thiết lại và tính lại từ đầu Công thức so sánh cho từng nồi:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

4.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp được tính theo công thức (VI.6a), trang 57,[7]:

r ,kg.s-1

Tra bảng I.251, trang 314, [6] ta được ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt:

Bảng 4-1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt

Áp suất, at Ẩn nhiệt hóa hơi, kJ.kg-1

Q1: lượng nhiệt cung cấp, W

D1: Lượng hơi đốt tiêu tốn cho nồi 1, kg h-1

r1: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt trong nồi 1, J kg-1

Nồi 2:

Q2 = D2×r2

3600 =1725.361×2282720

Q2: lượng nhiệt cung cấp, W

D2: Lượng hơi đốt tiêu tốn cho nồi 2, kg h-1

r2: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt trong nồi 2, J kg-1

α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W.m-2.độ-1

α2: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W.m-2.độ-1

Σr: Tổng nhiệt trở của thành ống đốt, W.m-2.độ-1

qtb: Nhiệt tải trung bình, W/m2, có công thức tính như sau: qtb =q1+q2

q1: Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ, W.m-2

q2: Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W.m-2

a Tính tổng nhiệt trở của thành đốt

𝑟2 = 3,87 × 10-4 m-2.độ.W1 nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám lên thành ống, tra bảng VI, trang 313, [7]

λ = 16,2 W.m-1 độ-1 hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm thành ống

δ: bề dày thành ống đốt, chọn δ = 3.9 mm (theo tiêu chuẩn ống thép không gỉ)

b Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng được tính theo công thức V.101, trang 28, [7] 𝛼1 = 2.04 × 𝐴 × √ 𝑟

, W m-2.độ-1

Trong đó, r: ẩn nhiệt ngưng tụ, J.kg-1

H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 2.2 m

∆𝑡1 = 𝑡hđ – 𝑡T : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ bão hòa) và nhiệt độ phía

mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng

𝑇𝑚= 0,5 × (𝑡T + 𝑡hđ) : nhiệt độ màng A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng T

Bảng 4-2: Bảng giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ độ màng, trang 28, [7]

Được tính theo công thức VI.27/71

𝜌 : Khối lượng riêng, Kg.𝑚3 C : Nhiệt dung riêng, J/kg.độ 𝜇 : Độ nhớt động học, m.Pa.s

p: Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng hay bằng với áp suất hơi thứ, at

Tính thông số vật lí của nước ngưng:

Tra bảng I.249/310, [6], ta được các thông số vật lí của của nước, trình bày

Tính thông số vật lí của dung dịch sôi:

Khối lượng riêng của dung dịch đường tra bảng I.86/58

Tính độ nhớt động học của dung dịch theo công thức Paplov I.17/85 𝑡𝜇1−𝑡𝜇2

𝜃𝜇1−𝜃𝜇2 = 𝐾 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Trong đó:

tμ1, tμ2: Nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt µ1, µ2

θμ1, θμ2: Nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt µ1, µ2

Chọn chất chuẩn là nước:

Ta có: 𝐾 = 𝑡𝜇1−𝑡𝜇2

𝜃𝜇1−𝜃𝜇2 = 60−70

31.93−39.2= 1,376

Với nhiệt độ sôi của dung dịch đường là 𝑡𝑠1 = 94.626 ℃, ta tính được độ nhớt của dung dịch đường như sau:

𝜃𝜇 =𝑡𝑠2−𝑡𝜇2

𝐾 + 𝜃𝜇2 =75,55−70

1,376 + 39,2 = 57.1℃ Suy ra: µdd1 = 0.49 × 10-3 Pa.s (Bảng I 102, trang 94, [6])

- Nồi 2: 𝑥 = 68%, ts2= 75,55 => µdd2 = 14,753 × 10-3 Pa.s (sugartech.co.za)

Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ta có công thức sau:

Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J.kg-1 độ-1

M: khối lượng mol của chất lỏng

ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg.m-3

Từ các số liệu ở trên ta tính được hệ số cấp nhiệt và nhiệt tải riêng của dungdịch sôi, kết quả được thể hiện trong bảng sau:

Nhiệt tải trung bình

Nhiệt tải trung bình của mỗi nồi:

𝑞𝑡𝑏2 =𝑞12+𝑞22

2 =6407,565+6398,04

2 = 6402,803 W.m-2.độ-1

Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi

Hệ số truyền nhiệt được xác định theo công thức (III.21, trang 118, [6])

* Tính số ống truyền nhiệt theo công thức sau, rồi tra bảng V.II/48 [3], để quy chuẩn và xác định số ống trên đường viên phân, kết quả tính trong bảng 2-17 Ta bố trí các ống truyền nhiệt theo hình sáu cạnh.

𝑛 = 𝐹

𝜋.𝑑𝑡.𝐻 Với:

𝐹: bề mặt truyền nhiệt, m2

𝑑𝑡: đường kính trong ống truyền nhiệt, m 𝐻: chiều cao ống truyền nhiệt, 𝐻 =2,2 (m)

Bảng 4-9: Số ống truyền nhiệt của từng nồi

NồiSố hình 6 cạch Số ống trên đường

4.2.2 Tính đường kính ống tuần hoàn ngoài:

+ Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt các ống truyền nhiệt: 𝐹𝑡 = 𝑛.𝜋.𝑑2

+ Tiết diện bề mặt ống tuần hoàn ngoài 𝐹𝑡ℎ (m2), thường chọn 𝐹𝑡ℎ=30%𝐹𝑡

+ Đường kính ống tuần hoàn ngoài 𝐷𝑡ℎ(m) ⇒ 𝐷𝑡ℎ = √4.𝐹𝑡ℎ

𝜋

Bảng 4-10: Đường kính ống tuần hoàn ngoài

Nồi 𝑭𝒕(𝒎𝟐) 𝑭𝒕𝒉 (𝒎𝟐) Đường kính ống tuần

b: số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh d: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, m

Bảng 4-11: Đường kính trong buồng đốt (m)

Ta sẽ chọn Dbb sau đó tính Hkgh Thường đường kính buồng bốc lớn hơn buồng kính buồng đốt không quá 0.6m

𝑈𝑝: cường độ bốc hơi cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích hơi nước bốc lên trên một đơn vị diện tích của không gian hơi trên một đơn vị thời gian),(m3.m

-3.h-1) Được tính theo công thức VI.33/72: 𝑈𝑝 =fb Ut

Ut: cường độ bốc hơi thể tích (m3.m-3.h-1), tính toán gần đúng ta chọn Ut=1700 (m3.m3.h-1 )

W: lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (kg.h-1)

b: hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị VI.3/72, [7] Từ các số liệu trên ta có bảng kết quả:

Bảng 4-13: Chiều cao buồng bốc

Nồi Pht, atm 𝝆𝒉

Kg.m-3 𝐟𝐛 𝑼𝒑 𝑽𝒌𝒈𝒉, 𝒎𝟑 𝑯𝒌𝒈𝒉𝒎

1 0,768 0,452 1,2 2040 1,871 0,352

2 0,258 0,163 1,47 2499 4,14 1,089 Chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nồi hơi là Hb = 1,8 m

4.4 Tính kích thước đáy, nắp

Chọn vật liệu làm đáy, nắp của buồng đốt và buồng bốc là thép không gỉ SUS304

Chọn kiểu đáy và nắp là kiểu elip tiêu chuẩn

Chọn đường kính trong của đáy và nắp bằng đường kính trong của thân buồng đốt và buồng bốc

Đối với đáy, nắp hình elip tiêu chuẩn ta có:

𝑑𝑡 = 0,25