Đang tải... (xem toàn văn)
Khoa học kĩ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là sự phát triển không ngừng đa ngành của các ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hơn hầu hết các ngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh thiết của các hóa chất. Có rất nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, cô đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù hợp để đạt hiệu quả cao. Bộ môn quá trình thiết bị cũng như đồ án 1 là một trong những môn học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học. Bởi nó giúp phần nào các kĩ sư thực phẩm trong tương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể: công nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu và nguyên lí làm việc của một thiết bị trong quá trình sản xuất hóa thực phẩm.
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỒN 1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn 1.1.2 Tính chất ứng dụng cồn 1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN 1.2.1 Khái quát công nghệ cồn etanol 1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn 1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất 1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 10 1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm .15 1.2.6 Lưu ý kỹ thuật .25 1.2.7 Một số yêu cầu kỹ thuật khác 27 1.2.8 Bố trí dịng chảy thiết bị 29 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 30 2.1 TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT 30 2.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình .31 2.1.2 Xác định hệ số dẫn nhiệt phía nước 32 2.1.3 Tính tổng nhiệt trở 34 2.1.4 Hệ số cấp nhiệt phía 35 2.1.5 Nhiệt tải riêng q1 (W/m2) 35 2.2 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .38 2.2.1 Số ống truyền nhiệt 38 2.2.2 Chia ngăn thiết bị 39 2.2.3 Cách xếp vỉ ống 39 2.2.4 Đường kính thiết bị 40 2.2.5 Xác định độ dày vỏ thiết bị .40 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I 2.3 TÍNH TỐN CÁC BỘ PHẬN KHÁC 40 2.3.1 Mặt bích 40 2.3.2 Đáy nắp thiết bị 41 2.3.3 Kích thước ống dẫn nước 43 2.3.4 Ống dẫn cồn vào 43 2.3.5 Đường kính ống cồn lỏng .43 2.3.6 Ống tháo khí khơng ngưng 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kĩ thuật phát triển với phát triển khơng ngừng đa ngành ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hầu hết ngành muốn đạt hiệu cao độ tinh thiết hóa chất Có nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù hợp để đạt hiệu cao Bộ mơn q trình thiết bị đồ án môn học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học Bởi giúp phần kĩ sư thực phẩm tương lai giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể: cơng nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu ngun lí làm việc thiết bị q trình sản xuất hóa thực phẩm Dưới hướng dẫn thầy Phan Minh Thụy, em hoàn thành đề tài “Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 30000kg/ngày” Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn Trong ngành sản xuất rượu cồn, giai đoạn ngưng tụ cồn giai đoạn quan trọng để có sản phẩm cồn nguyên chất Đa số nhà máy sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng ống chum nằm ngang với ưu điểm có khoảng áp dụng rộng, gần công suất điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp cho tất dạng lưu thể nhiệt độ, áp suất khác phía ngồi ống Trong q trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng kiến thức chun mơn cịn chưa sâu, việc khảo sát thực tế khơng có, bên cạnh cịn hạn chế tài liệu nên khó thể tránh khỏi sai sót Vì em mong góp ý thầy bạn bè để thân rút kinh nghiệm củng cố thêm kiến thức để hoàn thiện đồ án cách tốt ĐỒ ÁN QTTB CNTP I CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cồn 1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn Cồn rượu người xem sản phẩm thực phẩm lại sản phẩm có nguy độc hại thể người Tuy nhiên, sản lượng cồn rượu mà giới sản xuất hàng năm ngày tăng thêm Chứng tỏ sản phẩm cồn chiếm vai trò quan trọng tất ngành công nghiệp khác nhau, công nghiệp thực phẩm Hầu giới dùng cồn để pha chế rượu cho nhu cầu khác như: y tế (VD: sát trùng, sát khuẩn dụng cụ y tế,vệ sinh, ), nhiên liệu nguyên liệu cho ngành công nghiệp khác(VD: nhiên liệu cho động cơ, xăng sinh học, sản xuất cồn khô, làm dung môi, sản xuất nước hoa, giấm ăn, …) Tùy theo tình hình phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật khác nước mà ứng dụng sản phẩm cồn dùng ngành đa dạng khác Rượu – sản phẩm quen thuộc với tất người sản phẩm chiếm vị trí đáng kể ngành công nghiệp thực phẩm Chúng đa dạng, tùy theo truyền thống thị hiếu người tiêu dùng mà nhà sản xuất làm nhiều loại rượu mang tên khác Tuy nhiên chia rượu thành loại chính: rượu mạnh cao có nồng độ 30 %V, rượu thơng thường có nồng độ từ 15 đến 30 %V rượu nhẹ có nồng độ 15%V Ở nước có cơng nghiệp rượu vang phát triển Italia, Pháp, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, … cồn sử dụng để tăng thêm nồng độ rượu Một lượng lớn cồn sử dụng để pha chế loại rượu mạnh, cao độ Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum, … đồng quanh năm Nghề nấu rượu thủ cơng có từ ngàn đời xưa chưa có tài liệu cho ta biết xác điểm khởi đầu Từ nguyên liệu gạo, ngô, … qua trình nấu cơm, ủ men, chưng thu sản phẩm cho chai rượu đậm chất làng quê Việt Nam Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng rượu thủ công nguyên liệu gạo nếp hay gạo tẻ, hay ngô, khoai, sắn, … nấu chín thành “cơm rượu” bị khơ hay nhão, men tốt hay xấu, nhiệt độ ủ lên men nào, cách tiến hành chưng thư sản phẩm Quan trọng ĐỒ ÁN QTTB CNTP I men giống – nguyên liệu cách làm men giống đa dạng Mỗi nơi, vùng có thuốc làm men khác Đồng bào dân tộc đưa loại rừng vào làm men giống Tất kinh nghiệm “cha truyền, nối” hương vị rượu vùng miền để lại ấn tượng khác cho ngườ thưởng rượu Sản phẩm rượu thủ công nấu theo phương pháp cổ truyền xuất phát điểm từ người nông dân mang tên “rượu nút chuối khô” “rượu quốc lủi” nhỏ manh mún, chưa thể đạt tiêu chuẩn chất lượng hương vị khơng thua loại rượu giới Martin, Whisky, Sake, … Sản xuất cồn rượu theo quy mô công nghiệp nước ta năm 1989 người Pháp thiết kế xây dựng Trước cách mạng Tháng Tám nước ta có xây dựng nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán, … Tất sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo Sau có xây dựng thêm nhà máy khác sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu tận dụng từ nhà máy sản xuất đường Hiện rượu Việt Nam đạt TCVN-71 cồn rượu nhiên TCVN-71 cồn rượu thuộc loại thấp so sánh với tiêu chuẩn giới cồn rượu Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát” theo đề nghị chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu loại tương đương, khoảng 50 triệu lít cồn tinh thiết Muốn có cơng tinh thiết chất lượng cao phải biết áp công cơng nghệ khoa học kĩ thuật, phải có hệ thống chưng luyện, ngưng tụ tốt biết cách sử dụng Ngày sản xuất cồn thị yếu thị trường ngồi nước dần thay nguyên liệu xăng hầu giới 1.1.2 Tính chất ứng dụng cồn Cồn etanol có cơng thức cấu tạo CH3CH2OH (khối lượng phân tử 46,07 g/mol), biết đến rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc …, hợp chất hữu cơ, nằm dãy đồng đẳng methanol Cồn etanol chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ nước (khối lượng riêng 789kg/m3), dễ bay (sơi nhiệt độ 78,39℃), hóa rắn -114,15℃, tan vô hạn nước vài chất hữu khác theo tỉ lệ Tan ete clorofom, hút ẩm, dễ cháy, cháy khơng có khói lửa có màu xanh da trời Sở dĩ cồn etanol tan vô hạn nước có nhiệt độ sơi cao ĐỒ ÁN QTTB CNTP I nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ tạo thành liên kết hydro phân tử rượu với với nước Cồn dùng để điều chế số hợp chất hữu axit axetic, dietyl ete, etyl axetat, Do có khả hịa tan tốt số hợp chất hữu nên etanol dùng để pha vecni, dược phẩm, nước hoa, Trong đời sống hàng ngày etanol dùng để pha chế loại đồ uống với độ cồn khác Ngoài cồn cịn dung cơng nghiệp để làm chất đốt, cao su tổng hợp, sát trùng, sản xuất, chữa bệnh, chế biến thức ăn, chế biến loại hương hoa quả, … Cồn nói chung có nhiều ứng dụng thực tế nhiên không sản phẩm thực phẩm mà ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống Tuy cồn coi sản phẩm có nguy độc hại cao sức khỏe thể người Vì phải biết khai thác sử dụng có mục đích hợp lý 1.2 Quy trình sản xuất cồn 1.2.1 Khái qt cơng nghệ cồn etanol Công nghệ cồn etanol khoa học phương pháp trình chế biến nguyên liệu chứa tinh bột đường, cellulose, ethene thành sản phẩm etanol Công nghệ sản xuất cồn thực phẩm sử dụng kiến thức lý hóa học, hóa keo, hóa cơng hóa sinh vi sinh vật học Quy trình cơng nghệ sản xuất cồn etanol chia thành cơng đoạn gồm: chuẩn bị dịch đường lên men, gây men giống, lên men dịch đường xử lý dịch lên men Chuẩn bị dịch lên men: Nếu ngun liệu chứa tinh bột cơng đoạn gồm nghiền, nấu, đường hóa làm lạnh đến nhiệt độ lên men Nếu nguyên liệu mật rỉ chuẩn bị dịch lên men gồm pha lỗng sơ bộ, xử lí mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn pha loãng tới nồng độ gây men lên men Gây men giống lên men: Muốn lên men trước hết cần phát triển men giống tới chất lượng số lượng cần thiết, thường 10% thể tích thùng lên men Sau đưa men giống dịch đường vào thùng lên men khống chế điều kiện xác định để nấm men chuyển hóa đường thành rượu CO2 Dịch nhận sau lên men gọi giấm chín ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Xử lý dịch lên men: Công đoạn có liên quan tới kiến thức lý học thiết bị công nghệ sử dụng (thiết bị chuyển khối) Thực chất dung hệ thống chưng luyện phù hợp để tách rượu chất dễ bay khỏi dấm chín, sau đem tinh luyện để nhận cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu chuẩn yêu cầu tiêu dùng Sản phẩm thu sau xử lý bao gồm cồn thực phẩm, cồn dầu, dầu fusel alcol cao phân tử Ngoài sản phẩm kể thu nhận nhiều sản phẩm phụ khác trình sản xuất cồn Đó ngun liệu cho chu trình sản xuất sản phẩm từ phụ phẩm công nghệ sản xuất cồn rượu Điều cần nghiên cứu định hướng sản phẩm mới, giảm tối thiểu phụ phẩm công nghệ sản xuất, nâng cao giá trị kinh tế sản phẩm đổi quy trình sản xuất để tránh lãng phí trình sản xuất sản phẩm rượu cồn ĐỒ ÁN QTTB CNTP I 1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn Chú thích: Thùng chứa hỗn hợp dầu Thiết bị làm sản phẩm đỉnh Bơm Thùng chứa sản phẩm đỉnh Thùng cao vị Thiết bị gia nhiệt đáy tháp Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 Thùng chứa sản phẩm đáy Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất Hỗn hợp cồn – nước nồng độ thấp chứa thùng chứa (1) bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao thấp thùng cao vị khống chế chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị tự đun nóng hỗn hợp đầu (4) trình theo dõi đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (sử dụng dùng nước bão hịa) gia nhiệt tới nhiệt độ sơi, sau đạt nhiệt độ hỗn hợp đưa vào đĩa tiếp liệu tháp chưng luyện loại tháp đệm (5) Trong tháp từ lên tiếp xúc với chất lỏng từ tên xuống, xảy trình bốc ngưng tụ nhiều lần Trên đĩa xảy trình chuyển khối pha lỏng pha hơi, phần cấu tử dễ bay chuyển từ pha lỏng vào pha phần chuyển từ pha vào pha lỏng Theo chiều cao tháp lên cao nhiệt độ thấp nên phần cấu tử có nhiệt độ bay cao Trên đỉnh ta thu hỗn hợp gồm etanol chiếm tỷ lệ cao Hơi vào thiết bị bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh nước với nhiệt độ vào 20 - 30℃ nhiệt độ 40- 50℃ Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội (7) phần hồi lưu tháp chưng luyện đĩa Chất lỏng từ xuống gặp có nhiệt độ cao hơn, phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp: etanol bốc nồng độ cấu tử khó bay chất lỏng ngày tăng, đáy tháp hầu hết thu hầu hết chất lỏng nước Dung dịch lỏng khỏi đáy tháp phần đưa vào thiết bị nồi để đun bốc cung cấp cho tháp qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9), phần qua thiết bị làm nguội sau đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (10), nước ngưng cấc thiết bị gia nhiệt tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (11) Hệ thống chưng luyện làm việc liên tục cho etanol đỉnh tháp thu sản phẩm cồn etanol thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Cồn etanol thu có nồng độ theo yêu cầu ĐỒ ÁN QTTB CNTP I 1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.4.1 Vai trò Thiết bị trao đổi nhiệt phương tiện để tiến hành trình trao đổi nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác 1.2.4.2 Phân loại Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách (bề mặt truyền nhiệt) Dựa vào cấu tạo bề mặt truyền nhiệt, ta chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành loại sau: loại có vỏ bọc, loại ống, loại tấm, loại xoắn ốc loại ống gân Loại đệm: trình trao đổi nhiệt thực bề mặt vật rắn tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau: cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn đun nóng lên đến nhiệt độ cần thiết, ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh Loại trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc với Trong phần đề cập tới thiết bị trao đổi nhiệt loại gián tiếp thường sử dụng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động ưu, nhược điểm thiết bị Thiết bị gián tiếp thường sử dụng rộng rãi công nghiệp thực phẩm với nhiều ưu điểm: lưu thể không tiếp xúc với nhau, tiếp xúc qua bể mặt truyền nhiệt lưu thể, không bị giảm nồng độ (khi sử dụng nước trực tiếp), không bị bẩn, nhiễm tạp chất ( tiếp xúc với loại đệm), khả truyền nhiệt lớn, kết cấu thiết bị làm việc liên tục, không bị gián đoạn , dễ dàng tháo lắp thay có cố hay vệ sinh thiết bị, thích hợp cho nhiều loại lưu thể Cụ thể: a, Ống ruột gà 10 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Tăng thời gian phục vụ thiết bị cách bố trí nhiều thiết bị nối tiếp song song 1.2.8.4 Hệ số truyền nhiệt thấp Nếu lưu thể vốn có hệ số truyền nhiệt thấp (các chất khí áp suất thấp chất lỏng có độ nhớt cao) lưu thể thường bố trí chảy phía ngồi ống để số trường hợp sử dụng ống có cánh tăng cường bề mặt nhờ giảm kích thước thiết bị giá thành chế tạo CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ Bài toán: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng 30000kg/ngày Phương án: Thiết kế ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt Φ2,77x33,4mm, làm từ vật liệu SUS304 Chiều dài ống L= 2,2 m Tác nhân làm lạnh nước lạnh cơng nghiệp có nhiệt độ đầu vào t đ = 25℃, nhiệt độ đầu tc= 45℃ để ngưng tụ cồn 96% thành lỏng nhiệt độ ngưng tụ tng = 78,19℃ (tra Phụ lục VI trang 273 – Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic sau nội suy kết quả) Do kết cấu thiết bị ta cho cồn vào khoảng không gian bên ngồi ống, nước lạnh bên ống 2.1 Tính tốn truyền nhiệt Cách tính thiết bị truyền nhiệt theo trình tự sau: - Xác định lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân nhiệt: Q = G×C×∆t (G - khối lượng chất tải nhiệt, C - nhiệt dung riêng) - Xác định lượng chất tải cần đun nóng làm nguội ∆t - Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình α1, α2 - Tính hệ số cấp nhiệt 29 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I - Tính nhiệt tải riêng phía nước (q1 q2), sau xét tỷ số ta tính F, n, D Nếu giả thiết lại chênh lệch nhiệt độ cồn thành ống - Tính hệ số truyền nhiệt K - Xác định bề mặt truyền nhiệt F: - Kiểm tra nhiệt độ bề mặt nhiệt tải riêng - Khi tính α chất tải nhiệt lỏng khí ta ln phải chọn chế độ chảy rối (Re > 10 4) để đảm bảo α lớn, chọn chế độ dòng chảy rối (Re > 104) thuận tiện cho việc truyền nhiệt xảy - Ở thiết bị thiết bị làm nguội nước mát nhiệt độ cuối nước khơng q 40-50℃, nhiệt độ cao muối dễ kết tủa đóng cặn lại bề mặt truyền nhiệt, ngồi nhiệt độ cao cịn ảnh hương tới dãn nở vật liệu làm ống 2.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: Hiệu số truyền nhiệt trung bình cồn nước làm lạnh: Nhiệt độ trung bình nước thiết bị Lượng nhiệt bỏ để ngưng tụ hoàn tồn cồn thành lỏng là: Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ cồn (tra Phụ lục VI trang 273 – Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic sau nội suy kết quả) 30 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I N lưu lượng tính theo giây (Vì ngày thiết bị khơng thể làm việc liên tục 24h, trừ hao thời gian bảo dưỡng chuẩn bị nguyên liệu 12h) Suy Từ ta tính hệ số truyền nhiệt K là: 2.1.2 Xác định hệ số dẫn nhiệt phía nước Khối lượng riêng nước nhiệt độ 35.8℃ là: (tra Bảng I.5 trang 12 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Độ nhớt nước nhiệt độ 35.8℃ là: (tra Bảng I.102 trang 94 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Hệ số dẫn nhiệt nước nhiệt độ 35.8℃ là: (tra Bảng I.139 trang 133 Sổ tay QT&TB Công nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Nhiệt dung riêng nước nhiệt độ 35.8℃ là: (tra bảng I.149 trang 168 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Chuẩn số Prandlt nước là: Ta có: Trong đó: Là vận tốc nước chảy ống (m/s) V: lưu lượng (m3/s) n: Số ống thiết bị ống chùm f: tiết diện dòng chảy Gn: lượng nước lạnh cần cho trình ngưng tụ (kg/s) d: đường kính ống (m) ρ: khối lượng riêng nước (kg/m3) 31 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I µ: độ nhớt nước (kg/m.s) Chuẩn số Nusselt nước tính theo phương trình với nhiệt độ trung bình lưu thể: Trong Chọn chế độ dịng chảy thiết bị truyền nhiệt Re > 104 (chế độ chảy xoáy) Chọn Re= 11000 εk hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài ống đường kính ống Chọn εk = (tra Bảng V.2 trang 15 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập 2) Thay số liệu ta Từ cơng thức Hệ số cấp nhiệt phía nước α2 2.1.3 Tính tổng nhiệt trở Tổng trở nhiệt �r Trong đó: δ: chiều dày ống truyền nhiệt λ: hệ số dẫn nhiệt thành ống, λ = 16,85 W/độ.m (vật liệu sử dụng SUS304) r1, r2 - nhiệt trở cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía phía nước lạnh (m2.độ/W) Với nước lạnh cơng nghiệp r1 = 0,464×10−3 m2.độ/W (tra bảng V.I trang Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập 2) 32 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Với cồn r2 = 0,116×10−3 m2.độ/W (tra bảng V.I trang Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2) Suy m2.độ/W 2.1.4 Hệ số cấp nhiệt phía Trong trường hợp ống chùm nằm ngang dãy ống phía bị phủ lên lớp nước ngưng dày ống phía trên, đồng thời vận tốc bị giảm từ xuống phần bị ngưng tụ Vì vậy, hệ số cấp nhiệt giảm dần dãy phía Cơng thức: α1 = ɛtb × α Trong đó: d: đường kính ngồi ống, dn= 33,4 mm r: ẩn nhiệt ngưng tụ A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng cồn: ∆t = thc + tT1 chênh lệch nhiệt độ tường tT1: nhiệt độ tường phía hơi, ℃ thc: nhiệt độ ngưng tụ, ℃ ɛtb: hệ số phụ thuộc vào cách xếp ống số ống dãy 2.1.5 Nhiệt tải riêng q1 (W/m2) Nếu coi mát nhiệt truyền từ lưu thể sang lưu thể ko 5%, ta tính tốn nhiệt tải riêng q1 q2 chênh lệch không 5% Thực bước sau: Chọn nhiệt độ chênh lệch thành ống: Tính α1 q1 (nhiệt tải riêng phía hơi) Tính ∆t = tT1 −tT2 chênh lệch nhiệt độ hai bên thành ống: 33 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Từ suy tT2 nhiệt độ tường phía nước Tính chuẩn số Prandlt tường PrT theo nhiệt độ tT2 Tính α2 theo cơng thức xác định, từ tính So sánh q1 q2: phù hợp Tính qtb nhiệt tải riêng trung bình: Chọn ∆t1 =12,5℃, ta có: - Nhiệt độ màng cồn là: - Ở 71,94℃ màng cồn với: (tra bảng I.2 trang Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) (tra bảng I.130 trang 135 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) (tra bảng I.101 trang 92 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Hệ số cấp nhiệt phía là: Chọn cách xếp ống xen kẽ, số ống dãy đứng Suy ) Nhiệt tải riêng: Chênh lệch nhiệt độ hai thành ống: Nhiệt độ tường phía nước: 34 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Chênh lệch nhiệt độ thành ống ống nước: Tại (tra bảng I.102 trang 95 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) (tra bảng I.102 trang 168 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) (tra bảng I.129 trang 133 Sổ tay QT&TB Công nghệ hố chất - Tập sau nội suy kết quả) Vậy Khi hệ số cấp nhiệt phía nước Nhiệt tải riêng phía nước là: So sánh: | Vậy phù hợp - Tính qtb nhiệt tải riêng trung bình: - Hệ số truyền nhiệt K là: - Diện tích truyền nhiệt : - Lượng nước cần thiết cho q trình làm lạnh tính theo cơng thức 35 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Suy 2.2 Tính tốn thiết bị 2.2.1 Số ống truyền nhiệt Trong đó: Kết tính n= ống Trong thực tế khơng có thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm Do đó: Tra bảng V.11 trang 48 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất Tập 2: - Tổng số ống n = 169 ống - Xếp ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ) - Số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh: b = 15 ống - Chiều dài ống: L = 2,2 m 2.2.2 Chia ngăn thiết bị Vận tốc thực tế nước ống là: Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 11000 là: Ta thấy gt > tt nên phải chia ngăn thiết bị Số ngăn: m = = = 3,81 ngăn Tính lại chuẩn số Reynolds: n1 = Với m = 36 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I (Thỏa mãn ) Như với m=4 chế độ vận chuyển nước chế độ chảy xoáy 2.2.3 Cách xếp vỉ ống Chọn cách xếp vỉ ống theo ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ) có số ống xun tâm hình sáu cạnh Trong đó: dn: đường kính ngồi ống truyền nhiệt, t: bước ống, thường chọn Chọn 2.2.4 Đường kính thiết bị Khi đó: Lấy 2.2.5 Xác định độ dày vỏ ngồi thiết bị Theo sở tính tốn thiết bị thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày thiết bị tính theo cơng thức: Trong đó: P: áp suất bên vỏ, áp suất khí quyển: P=0.1 N/mm2 D: đường kính vỏ, ứng suất kéo cho phép thép �: hệ số bền mối hàn giáp mối máy C: Hệ số bổ sung Thay hệ số ta 37 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Để đảm bảo độ bền học đồng thiết kế thiết bị ta chọn độ dày vỏ ngồi thiết bị 2.3 Tính tốn phận khác 2.3.1 Mặt bích Sử dụng vỉ ống làm mặt bích ln cho thiết bị nên kích thước vỉ ống tra theo bảng XIII.26 trang 418 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất – Tập Sử dụng kiều bích liền có cổ: Bích liền ngồi kiểu (trang 417 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất – Tập 2) Áp suất Đường Kích thước ống nối Bu lơng Kiểu bích kính P Dt D Db Dl D0 db Z h H S1 N/mm2 mm mm mm mm mm mm mm mm Mm 0,1 900 1030 980 950 911 M20 24 20 40 2.3.2 Đáy nắp thiết bị Đáy nắp nối với thân cách ghép bích hàn Đáy nắp thường dùng thiết bị hóa chất có dạng cầu, elip, nón, … thiết bị làm việc áp 38 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I suất thường nên dùng đáy nắp thẳng chế tạo đơn giản giá rẻ, đáy nắp hình elip hợp lý thiết bị trụ hay nồi chế tạo phương pháp dập, dùng trường hợp áp suất dư không nhỏ 1N/m2 Tra trang 382-383 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập Thơng số Giá trị Đường kính thiết bị Dt = 900 mm Bán kính đáy nắp Rt = 900 mm Chiều cao đáy hb = 225 mm Chiều cao gờ đáy h = 25 mm Bề mặt đáy F = 0,95 m2 Thể tích đáy V = 111.10-3 m3 Khối lượng đáy nắp m = 30 kg Đường kính phơi đáy, nắp elip 1106 mm Bề dày đáy nắp S= mm Chú ý: thiết bị không chịu áp lực, nên chọn bề dày ống bé đến mức có thể, để đạt hiệu truyền nhiệt tốt nhất, giá thành rẻ, nhẹ… 39 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I 2.3.3 Kích thước ống dẫn nước Vận tốc nước vào thiết bị v= 2,2m/s Từ phương trình lưu lượng ta tính đường kính ống dẫn nước Ta lấy đường kính ống dẫn nước vào nước là: d1n = d2n = 0.07m Tra trang 412, Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập 2: Dy=70mm, D=160mm, D1=110mm, M12, cái, h=14mm 2.3.4 Ống dẫn cồn vào Chọn vận tốc vào thiết bị vh1=10 m/s với lưu lượng Gh1=0.35(kg/s) Khối lượng riêng cồn 96% vào t=78,19℃: Lượng vào ống Đường kính đường cồn vào Tra trang 414 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập Dt=200mm, D=290mm, D1=232mm M16, cái, h=16mm 2.3.5 Đường kính ống cồn lỏng Chọn vận tốc cồn 0.5m/s, lưu lượng G=0.35 kg/s, Tra trang 411 Sổ tay QT&TB Cơng nghệ hố chất - Tập Dy=40mm, D=130mm, D1=80mm, h=12mm, M12, 2.3.6 Ống tháo khí khơng ngưng Chọn theo tham khảo 40 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I Dy=40mm, D=130mm, D1=100mm, h=12mm, M12, Các thơng số: - Nhiệt độ tính tốn 35,78℃ - Áp suất tính tốn 0,1x106 N/m2 - Hệ số bền mối hàn 0,8 - Chiều dày thân thiết bị 4mm2 - Chiều dày đáy nắp thiết bị 4mm2 - Chế tạo bưng cách hàn lằm việc áp suất thấp Các ý: - Đảm bảo đường hàn ngắn tốt - Chỉ hàn giáp mối (giáp mối bên) - Bố trí đường hàn dọc cách 100mm - Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, đặt nằm ngang có đường kính D = 0,9m, chiều dài L=2,2m, số ống truyền nhiệt n = 169 ống, ống xếp theo hình cạnh (kiểu lục giác) Số ngăn thiết bị m = ngăn 41 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I KẾT LUẬN Như vậy, hiệu trao đổi nhiệt ổn định sử dụng ống chùm nằm ngang, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Cấu tạo chắn, gọn với suất tiêu hao kim loại nhỏ, hình dạng phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm dễ chế tạo, lắp đặt vệ sinh, bảo dưỡng vận hành, tuổi thọ cao Tốc độ ăn mòn diễn chậm thiết bị thường xuyên chứa nước nên không tiếp xúc với khơng khí u cầu vệ sinh thiết bị định kì nhằm nâng cao hiệu làm việc tránh hư hỏng khơng đáng có Khi lau thiết bị cần ý tránh làm trầy xước bề mặt bình dẫn đến việc khó lau cặn bẩn vào lần sau Cách chia ống kích thước thiết bị hợp lí, phù hợp với mục đích sủ dụng để đạt hiệu cao Thiết kế thiết bị trao đổi nhiêt dạng ống chùm để ngưng tụ cồn đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị Do sinh viên, người kinh nghiệm kiến thức hạn chế việc thiết kế thiết bị gặp khơng khó khăn Trong đồ án em hoàn thành yêu cầu thiết kế bao gồm: - Tổng quan chung cồn thiết bị truyền nhiệt - Tìm hiểu thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang - Tính tốn thiết bị khí Qua việc thiết kế đồ án giúp em nắm vững kiến thức mơn học, hiểu vai trị người thiết kế Cuối em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn ThS Phan Minh Thụy giúp đỡ bạn bè giúp em hoàn thành tốt đồ án 42 ĐỒ ÁN QTTB CNTP I TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hoá chất, Tập - Các tác giả - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất, Tập - Các tác giả - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối – Nguyễn Văn May, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic – PGS.TS Nguyễn Đình Thưởng TS Nguyễn Thanh Hằng – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 Tập Các trình thiết bị truyền nhiệt– PGS.TS Tôn Thất Minh (Chủ biên), Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tấn Thành – Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2015 Cơ sở tính tốn thiết kế máy thiết bị thực phẩm, PGS.TS Tôn Thất Minh - Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2012 Các q trình thiết bị cơng nghệ hố chất thực phẩm - Phạm Xuân Toản – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 43 ... thiết bị trao đổi nhiệt Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm Ống trao đổi nhiệt Là thành phần thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt chúng bề mặt truyền nhiệt hai lưu thể ống. .. nhiệt Có nhiều thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng để ngưng tụ cồn: ống chùm, ống lồng ống, dàn ống, … Tuy nhiên hiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dạng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi tất... ống chùm để ngưng tụ cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 30000kg/ngày” Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn Trong