Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều dung dịch NaCl - ĐH Nông Lâm Huế

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều buồng đốt treo dung dịch NaCl tại ĐH Nông Lâm Huế, tính toán công nghệ, thiết bị chính và phụ chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thuần
• Người hướng dẫn: Tống Thị Quỳnh Anh
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm Huế
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều buồng đốt treo cô đặc dung dịch NaCl
• Loại tài liệu: Đồ án thiết bị
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều dung dịch NaCl

Quá trình cô đặc dung dịch natri clorua (NaCl) đóng vai trò then chốt trong ngành công nghệ thực phẩm và hóa chất. Đồ án tại Đại học Nông Lâm Huế tập trung vào bài toán nâng nồng độ dung dịch muối ăn từ 12% lên 25%. Năng suất xử lý ban đầu đạt 18 tấn nguyên liệu mỗi giờ. Hệ thống ba nồi làm việc liên tục ở chế độ áp suất giảm dần từ nồi đầu đến nồi cuối. Hơi đốt sơ cấp cấp vào buồng đốt nồi một có áp suất tuyệt đối 4 at. Áp suất buồng ngưng tụ duy trì ở mức 0,3 at bằng thiết bị ngưng baromet. Sơ đồ dòng ngược chiều điều hướng dung dịch đi từ nồi ba qua nồi hai rồi đến nồi một. Ngược lại, hơi thứ sinh ra từ nồi trước lại làm hơi đốt cho nồi tiếp theo. Cách bố trí này giúp dung dịch có nồng độ cao nhất gặp hơi đốt có nhiệt độ cao nhất. Độ nhớt của dung dịch đậm đặc giảm mạnh khi nhiệt độ tăng cao. Hiệu quả truyền nhiệt tại nồi một vì thế được bảo đảm tối đa. Thiết bị lựa chọn là dạng buồng đốt treo với ống truyền nhiệt thẳng đứng. Dạng kết cấu này tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh bề mặt ống truyền nhiệt.

1.1. Đặc tính lý hóa và yêu cầu cô đặc dung dịch NaCl

Dung dịch natri clorua sở hữu độ hòa tan biến đổi ít theo nhiệt độ. Khi nồng độ tăng từ 12% lên 25%, khối lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng đều tăng theo. Sự gia tăng nồng độ làm tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi. Hiện tượng này dẫn đến tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra. Tính chất ăn mòn kim loại của muối đòi hỏi vật liệu chế tạo phải chịu lực và chống rỉ sét tốt. Quá trình cô đặc diễn ra liên tục nhằm ngăn chặn kết tinh sớm trong thiết bị. Nồi ba tiếp nhận dung dịch loãng ở nhiệt độ sôi thấp nhất. Nồi một chứa dung dịch đậm đặc nhất nhưng vận hành ở nhiệt độ cao nhất. Nhiệt độ cao giữ cho dung dịch linh động và truyền nhiệt hiệu quả.

1.2. Nguyên lý vận hành của thiết bị cô đặc buồng đốt treo

Thiết bị cô đặc buồng đốt treo gồm chùm ống truyền nhiệt đặt lơ lửng bên trong thân hình trụ. Khoảng không gian hình vành khăn giữa vỏ buồng đốt và thân vỏ đóng vai trò làm ống tuần hoàn ngoài. Dung dịch trong ống nhận nhiệt từ hơi đốt, sôi mãnh liệt và giảm khối lượng riêng. Hỗn hợp dâng lên không gian buồng bốc để tách hơi thứ hoàn toàn. Dòng lỏng quay lại qua khe hở vành khăn để tiếp tục vòng tuần hoàn mới. Thiết kế treo cho phép tháo cụm ống ra ngoài khi cần tẩy rửa cáu cặn muối kết tinh. Chênh lệch khối lượng riêng tạo nên lực tuần hoàn tự nhiên ổn định. Cơ chế này hạn chế đóng cặn trên thành ống và bảo toàn hệ số truyền nhiệt.

II. Phân tích bài toán cô đặc 3 nồi ngược chiều dung dịch NaCl

Nhiệm vụ tính toán hệ thống cô đặc đặt ra các bài toán phức tạp về cân bằng vật chất và năng lượng. Lưu lượng dung dịch NaCl ban đầu đạt 18 tấn/h tương đương 5 kg/s với nồng độ 12%. Nồng độ sản phẩm đầu ra yêu cầu đạt mức 25%. Quá trình bay hơi làm giảm khối lượng dòng lỏng và làm thay đổi mạnh mẽ các thông số nhiệt động. Sự phân bố hơi thứ và nồng độ qua từng nồi phải đảm bảo tính liên tục và ổn định. Hiện tượng tổn thất nhiệt độ xuất hiện do ba nguyên nhân chính gây nên. Thứ nhất là tổn thất do nồng độ sôi của dung dịch muối cao hơn nước tinh khiết. Thứ hai là tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh của chất lỏng trong ống sôi. Thứ ba là tổn thất do trở lực ma sát trên đường ống dẫn hơi thứ giữa các nồi. Tổng tổn thất nhiệt độ làm sụt giảm nghiêm trọng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống. Áp suất hơi đốt nồi một duy trì ở 4 at trong khi áp suất buồng ngưng đạt 0,3 at. Sự phân chia chênh lệch áp suất không đồng đều ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ bay hơi. Việc xác định chính xác các đại lượng này quyết định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết.

2.1. Cân bằng vật chất và xác định lượng hơi thứ bốc hơi

Phương trình cân bằng vật chất xác định lượng dung dịch đầu ra và lượng hơi bốc ra toàn hệ thống. Với lưu lượng ban đầu 18.000 kg/h ở nồng độ 12%, lượng muối nguyên chất đạt 2.160 kg/h. Nồng độ sản phẩm yêu cầu 25% tương ứng lượng dung dịch ra đạt 8.640 kg/h. Lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn hệ thống đạt 9.360 kg/h. Dòng hơi thứ phân bổ vào từng nồi theo tỷ lệ bốc hơi tương đối. Nồi ba bốc hơi dung dịch loãng ở áp suất chân không sâu. Nồi hai làm bay hơi phần dung dịch trung gian. Nồi một hoàn tất chu trình và tháo sản phẩm đạt chuẩn. Cân bằng vật liệu chính xác là cơ sở để thiết lập phương trình nhiệt lượng.

2.2. Phân tích tổn thất nhiệt độ và hiệu số nhiệt độ hữu ích

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là động lực nhiệt thúc đẩy quá trình truyền nhiệt qua thành ống. Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích bằng hiệu số nhiệt độ toàn hệ thống trừ đi tổng các tổn thất. Tổn thất do nồng độ tăng dần khi dung dịch chuyển từ nồi ba về nồi một. Nồng độ muối cao làm giảm áp suất hơi bão hòa trên mặt thoáng chất lỏng. Tổn thất áp suất thủy tĩnh phát sinh do cột chất lỏng trong ống sôi. Hiện tượng ma sát trên đường ống dẫn hơi thứ cũng gây giảm áp suất và nhiệt độ hơi bão hòa. Các yếu tố này làm thu hẹp hiệu số nhiệt độ hữu ích. Phân bố hiệu số nhiệt độ hợp lý giúp cân bằng bề mặt truyền nhiệt giữa các nồi.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều NaCl

Giải pháp kỹ thuật tập trung vào việc tính toán kích thước buồng đốt và kiểm nghiệm cơ khí thiết bị. Bề mặt truyền nhiệt của từng nồi được xác định thông qua hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và phía dung dịch sôi. Cấu tạo buồng đốt treo gồm chùm ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ được bố trí so le theo hình tam giác đều. Cách bố trí này tạo mật độ truyền nhiệt cao và thuận tiện cho luồng hơi quét đều bề mặt ống. Đường kính thân buồng đốt và buồng bốc hơi được tính toán dựa trên vận tốc giới hạn của hơi thứ. Vận tốc hơi thứ qua buồng bốc phải đủ nhỏ nhằm ngăn ngừa hiện tượng lôi cuốn hạt lỏng theo hơi. Chiều dày vỏ thiết bị được tính toán theo tiêu chuẩn chế tạo bình chịu áp lực. Thành nồi một chịu áp lực làm việc cao nhất nên có chiều dày tính toán lớn nhất. Chiều dày vỏ nồi một chọn 6 mm sau khi cộng thêm dung sai ăn mòn kim loại. Vỏ nồi hai và nồi ba làm việc ở mức áp suất thấp hơn nên chọn chiều dày 4 mm. Toàn bộ thông số đều vượt qua kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy tĩnh.

3.1. Tính toán kích thước ống truyền nhiệt và buồng bốc

Số lượng ống truyền nhiệt trong buồng đốt treo được tính toán dựa trên tổng diện tích trao đổi nhiệt. Kích thước ống chọn theo đường kính tiêu chuẩn nhằm tối ưu bề mặt truyền nhiệt. Việc bố trí ống theo đỉnh tam giác đều giúp tăng mật độ ống trên mặt sàng. Đường kính buồng đốt xác định từ số ống và bước ống tiêu chuẩn. Không gian buồng bốc phía trên có đường kính mở rộng để giảm vận tốc dòng hơi. Vận tốc hơi bốc thấp giúp phân tách hoàn toàn các giọt lỏng muối bị lôi cuốn. Chiều cao buồng bốc đảm bảo không gian phân ly giọt lỏng trước khi hơi thứ đi vào ống dẫn. Giải pháp này bảo vệ đường ống và buồng đốt nồi sau không bị bám cặn.

3.2. Tính toán cơ khí và kiểm nghiệm độ bền vỏ thiết bị

Tính toán cơ khí bảo đảm thiết bị vận hành an toàn dưới mọi cấp áp suất làm việc. Chiều dày thân vỏ chịu áp lực được tính theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất. Hệ số bền mối hàn dọc thành hình trụ chọn giá trị 0,95. Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học tính toán đầy đủ nhằm chống xâm thực muối. Vỏ buồng đốt nồi một chịu áp lực hơi đốt 4 at có chiều dày chọn 6 mm. Vỏ buồng đốt nồi hai và nồi ba chịu áp suất thấp hơn nên chọn bề dày 4 mm. Toàn bộ thân nồi đều được kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy tĩnh tiêu chuẩn. Ứng suất thực tế đều nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu thép. Kết cấu thân vỏ đảm bảo độ bền cơ học vững chắc.

IV. Kết luận ứng dụng hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều NaCl

Đề tài thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều dung dịch NaCl tại Đại học Nông Lâm Huế khẳng định tính ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp chế biến. Dây chuyền giải quyết bài toán nâng nồng độ dung dịch muối ăn từ 12% lên 25% với năng suất lớn 18 tấn/h. Sơ đồ công nghệ dòng ngược chiều chứng minh ưu thế vượt trội về mặt kinh tế nhiệt. Nhiệt lượng từ hơi đốt sơ cấp được tái sử dụng liên hoàn qua các cấp hơi thứ. Tiêu hao năng lượng riêng tính trên một kilôgam nước bốc hơi giảm xuống mức tối thiểu. Giải pháp thiết bị cô đặc buồng đốt treo đáp ứng hoàn hảo các đặc tính nhiệt động của muối ăn. Thiết bị duy trì dòng tuần hoàn tự nhiên ổn định và chống bám cặn hiệu quả. Các thông số cơ khí về đường kính, chiều cao buồng bốc và bề dày thân vỏ bảo đảm an toàn vận hành. Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ giảng dạy chuyên ngành công nghệ thực phẩm. Kết quả tính toán mở ra khả năng triển khai mô hình vào thực tế chế biến muối tinh khiết quy mô công nghiệp.

4.1. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của chu trình ngược chiều

Sơ đồ 3 nồi ngược chiều mang lại lợi ích năng lượng to lớn nhờ tận dụng hơi thứ bốc hơi từ các nồi trước. Nồi một tiêu thụ hơi sơ cấp nhưng tạo ra hơi thứ có nhiệt độ cao để cấp tiếp cho nồi hai. Nồi ba tiếp nhận hơi thứ từ nồi hai để đun sôi dung dịch loãng ở môi trường chân không. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và chất lỏng duy trì động lực trao đổi nhiệt cao. Dung dịch đậm đặc nhất ở nồi một gặp nguồn nhiệt cao nhất, giúp giảm độ nhớt và tăng hệ số truyền nhiệt. Nhờ nguyên lý ngược chiều, hệ thống tiết kiệm được gần hai phần ba lượng hơi đốt so với hệ thống cô đặc một nồi đơn lẻ. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí vận hành công nghiệp.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghệ thực phẩm

Kết quả thiết kế mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi tại các cơ sở chế biến thực phẩm và hóa chất. Dung dịch muối ăn sau cô đặc đạt nồng độ 25% là nguyên liệu lý tưởng cho các công đoạn kết tinh muối hạt hoặc bảo quản nông sản. Hệ thống thiết bị phụ trợ gồm bơm chân không, thiết bị ngưng tụ baromet và bơm dịch được lựa chọn đồng bộ. Các thiết bị phụ trợ bảo đảm duy trì độ chân không 0,3 at và luân chuyển dung dịch liên tục. Quy trình ngược chiều thích hợp với các dung dịch có độ nhớt tăng cao theo nồng độ. Mô hình thiết kế tại Đại học Nông Lâm Huế có độ tin cậy kỹ thuật cao. Dây chuyền sẵn sàng chuyển giao cho các nhà máy sản xuất thực phẩm quy mô lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1. GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sử dụng từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi. Natri clorua với công thức hóa học NaCl, là một trong những hóa chất thông dụng với nhiều ứng dụng tực tiễn, hiện nay NaCl đang được sản xuất ngày càng lớn. Tính chất vật lý cơ bản của NaCl - NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành các ion.

- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày 3 - Khối lượng riêng dung dịch tại 25% là 1136,52 (kg/m ) - Muối có vị mặn, vị của muối là một trong những vị cơ bản. - Muối ăn cần thiết cho mọi sự sống của mọi cơ thể sống. Muối ăn tham gia vào chức năng điều chỉnh độ chứa nước của cơ thể ( cân bằng lỏng) - Muối còn được dùng làm chất bảo quản thực phẩm (ướp thịt, cá tránh bị - ươn …) hay dùng làm chất phụ gia thục phẩm. Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất.

- Có rất nhiều dạng muối ăn: muối thô, muối tinh, muối Iôt. Nó thu nhận được từ mỏ muối hay từ nước biển. CƠ SỞ CỦA LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 1. Định nghĩa: Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan.

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể. - Thu dung môi ở dạng nguyên chất. Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó: Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho 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. 6 Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế. Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục.