Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp mía đường giữ vị trí quan trọng trong nền kinh tế nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam. Sản phẩm đường saccarozo là nguồn nguyên liệu thiết yếu cho nhiều ngành công nghiệp sản xuất bánh kẹo, đồ uống, sữa, đồng thời các phụ phẩm từ quá trình chế biến (như mật rỉ) còn là nguồn nguyên liệu giá trị cho công nghiệp lên men và sản xuất cồn. Tuy nhiên, nhiều cơ sở sản xuất đường truyền thống ở quy mô nhỏ lẻ thường có năng suất thấp, tiêu tốn nhiều năng lượng và thiếu sự liên kết đồng bộ.

Về mặt sinh học và hóa lý, cây mía sau khi thu hoạch có đặc tính tự nhiên là hàm lượng đường suy giảm nhanh chóng nếu không được chế biến kịp thời. Trong quá trình cô đặc, việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian lưu của dung dịch đóng vai trò then chốt nhằm hạn chế sự chuyển hóa và phân hủy của đường (saccarozo có nhiệt độ nóng chảy và phân hủy ở $186^\circ\text{C}$). Dung dịch nước mía sau công đoạn làm sạch có nồng độ chất khô ban đầu thấp (khoảng 8% đến 15%), cần phải trải qua quá trình cô đặc bốc hơi nước để đạt nồng độ cao trước khi đưa vào nồi nấu đường kết tinh, tránh hiện tượng dung dịch quá loãng gây kéo dài thời gian nấu hoặc quá đặc gây kết tinh sớm làm nghẹt đường ống truyền nhiệt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi làm việc liên tục, xuôi chiều, sử dụng buồng đốt dạng ống chùm thẳng đứng có ống tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch đường mía.
  2. Đạt năng suất nhập liệu $G_đ = 5200\text{ kg/h}$ tính theo dung dịch đầu vào, nâng nồng độ chất tan từ $x_đ = 8%$ lên nồng độ sản phẩm cuối $x_c = 40%$ (theo phần trăm khối lượng).
  3. Sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $P = 2\text{ at}$ làm nguồn cấp nhiệt cho nồi thứ nhất; tận dụng hơi thứ sinh ra từ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiệt năng.
  4. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng để xác định lượng hơi thứ, lượng hơi đốt, phân bố áp suất và nhiệt độ trong từng nồi.
  5. Tính toán kích thước hình học và kiểm tra độ bền cơ khí cho các thiết bị chính (buồng đốt, buồng bốc, ống truyền nhiệt, ống tuần hoàn trung tâm, đáy nón, nắp elip, mặt bích, tai treo) và các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị gia nhiệt, bồn cao vị, hệ thống bơm).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án môn học Kỹ thuật Thực phẩm tại Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 12 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

  • Bản chất của quá trình cô đặc: Dựa trên thuyết động học phân tử, cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi bằng phương pháp nhiệt. Quá trình bay hơi xảy ra khi tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng thắng được lực liên kết pha lỏng và áp suất ngoài, tạo thành các bọt khí chuyển động liên tục và đối lưu tuần hoàn tự nhiên trong lòng chất lỏng nhờ chênh lệch khối lượng riêng.
  • Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Hệ thống sử dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi tiếp theo. Điều kiện để quá trình truyền nhiệt diễn ra liên tục là phải tồn tại sự chênh lệch áp suất và chênh lệch nhiệt độ hữu ích giữa hơi đốt và dung dịch sôi trong từng nồi, áp suất làm việc giảm dần từ nồi 1 (làm việc ở áp suất dư $2\text{ at}$) đến nồi 3 (nối với thiết bị ngưng tụ chân không $P_c = 0,24\text{ at}$).
  • Lý thuyết tổn thất nhiệt độ: Tổng tổn thất nhiệt độ trong từng nồi ($\Delta_i$) được xác định bằng tổng các thành phần:
    • Tổn thất do nồng độ tăng cao ($\Delta'_i$): Tính theo công thức Babo - Tishtsenko ($\Delta'i = \Delta'{0i} \cdot f_i$).
    • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''_i$): Gây ra bởi trọng lượng của cột chất lỏng trong ống truyền nhiệt làm tăng áp suất tại đáy buồng đốt.
    • Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi thứ ($\Delta'''_i$): Tổn thất nhiệt độ do giảm áp suất khi hơi thứ lưu thông giữa các nồi.

Phương pháp tính toán và thiết kế

  • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng và cân bằng nhiệt lượng ($\Sigma Q_{vào} = \Sigma Q_{ra}$) cho từng nồi theo quy trình truyền nhiệt liên tục, giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp đúng dần để triệt tiêu sai số giữa lượng hơi thứ giả thiết và lượng hơi thứ tính toán.
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán độ bền thiết bị hóa chất - thực phẩm để tính chiều dày thân chịu áp suất trong/ngoài, ứng suất cho phép của vật liệu thép cacbon CT3, ứng suất thử thủy lực, kích thước mặt bích và tải trọng phân bố lên tai treo.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số vật lý nhiệt của dung dịch đường, nước mía, hơi nước bão hòa, nước ngưng và các hệ số thực nghiệm được trích xuất từ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ dây chuyền sản xuất liên tục 3 nồi xuôi chiều:

  • Dòng nguyên liệu: Dung dịch đường mía từ bể chứa nguyên liệu được bơm ly tâm đẩy lên bồn cao vị nhằm ổn định lưu lượng, sau đó đi qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt ống chùm để nâng nhiệt độ lên đến nhiệt độ sôi trước khi nạp vào đáy buồng đốt nồi 1. Dung dịch tự chảy lần lượt qua nồi 2 và nồi 3 nhờ độ chênh áp suất chân không giữa các nồi, nồng độ tăng dần từ 8% lên 40%. Sản phẩm ra khỏi nồi 3 được bơm ly tâm vận chuyển về bể chứa thành phẩm.
  • Dòng nhiệt và hơi: Hơi đốt sơ cấp (hơi nước bão hòa $P = 2\text{ at}$) đi vào khoảng không gian ngoài ống của buồng đốt nồi 1, ngưng tụ nhả nhiệt cho dung dịch đi trong ống và thoát ra ngoài qua bẫy hơi. Hơi thứ bốc lên từ buồng bốc nồi 1 đi qua bộ phận tách giọt rồi dẫn sang làm nguồn cấp nhiệt cho buồng đốt nồi 2. Tương tự, hơi thứ nồi 2 cấp nhiệt cho nồi 3. Hơi thứ sinh ra ở nồi 3 cùng với khí không ngưng được dẫn vào đỉnh thiết bị ngưng tụ Baromet.
  • Hệ thống tạo chân không: Thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu trực tiếp ngược dòng sử dụng nước lạnh phun từ trên xuống qua hệ thống tấm chắn để ngưng tụ toàn bộ hơi thứ từ nồi 3. Nước ngưng tự chảy ra bể chứa qua ống Baromet đặt ở độ cao chân không quy định. Khí không ngưng đi qua bình tách giọt và được bơm chân không hút liên tục ra ngoài nhằm duy trì áp suất chân không ổn định cho hệ thống ($P_{ck} = 0,76\text{ at}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về nguồn nguyên liệu mía đường, lý thuyết quá trình cô đặc và cơ sở lựa chọn phương án công nghệ:

  • Dung dịch đường mía sau làm sạch có nồng độ chất khô từ 12% đến 15%, cần cô đặc đạt khoảng 65% để nấu đường; đề tài thiết kế công đoạn cô đặc sơ bộ từ $8%$ lên $40%$ với năng suất nhập liệu $5200\text{ kg/h}$.
  • Lựa chọn thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm thuộc nhóm tuần hoàn tự nhiên, thích hợp với dung dịch có độ nhớt thấp và giảm thiểu hiện tượng đóng cặn bám trên bề mặt ống truyền nhiệt.
  • Phân loại và xác định danh mục thiết bị chính (ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, buồng đốt, buồng bốc, nắp, đáy) và thiết bị phụ (thiết bị gia nhiệt ống chùm, thiết bị ngưng tụ Baromet, bồn cao vị, bơm chân không, bơm ly tâm).

Chương II: Quy trình công nghệ

Chương II thuyết minh chi tiết nguyên lý làm việc của sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc 3 nồi xuôi chiều:

  • Mô tả chuyển động của dòng pha lỏng và pha hơi qua từng thiết bị. Dung dịch đi bên trong ống truyền nhiệt từ dưới lên, sôi và tràn vào buồng bốc; tại đây hỗn hợp lỏng - hơi tách pha dựa trên sự chênh lệch khối lượng riêng.
  • Phần lỏng có khối lượng riêng lớn lắng xuống đáy nón và đi xuống theo ống tuần hoàn trung tâm để tiếp tục vòng tuần hoàn hoặc tháo sang nồi kế tiếp. Phần hơi thứ bay lên qua bộ phận tách giọt để sang nồi sau hoặc vào bình ngưng.
  • Thuyết minh nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp và chức năng của bơm chân không trong việc loại bỏ khí không ngưng nhằm tránh hiện tượng tăng áp suất làm dội nước ngược về nồi cô đặc.

Chương III: Cân bằng vật chất và năng lượng

Chương III tập trung vào các phép tính toán công nghệ truyền khối và truyền nhiệt:

  • Cân bằng vật chất:
    • Lượng sản phẩm cô đặc thu được: $G_c = G_đ \cdot \frac{x_đ}{x_c} = 5200 \cdot \frac{0,08}{0,40} = 1040\text{ kg/h}$.
    • Tổng lượng hơi thứ bốc ra của cả hệ thống: $W = G_đ - G_c = 5200 - 1040 = 4160\text{ kg/h}$.
    • Tỷ lệ phân bố hơi thứ giả thiết qua 3 nồi: $W_1 : W_2 : W_3 = 1 : 1,1 : 1,2$.
  • Phân bố áp suất và nhiệt độ:
    • Áp suất hơi đốt: Nồi 1 ($P_{hđ1} = 2\text{ at}$), Nồi 2 ($P_{hđ2} = 1,2866\text{ at}$), Nồi 3 ($P_{hđ3} = 0,9299\text{ at}$).
    • Áp suất hơi thứ: Nồi 1 ($P_{ht1} = 0,1456\text{ at}$), Nồi 2 ($P_{ht2} = 0,1057\text{ at}$), Nồi 3 ($P_{ht3} = 0,0784\text{ at}$).
    • Nhiệt độ hơi đốt: Nồi 1 ($121,212^\circ\text{C}$), Nồi 2 ($77,9757^\circ\text{C}$), Nồi 3 ($56,3575^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt độ hơi thứ: Nồi 1 ($78,9757^\circ\text{C}$), Nồi 2 ($57,3575^\circ\text{C}$), Nồi 3 ($42,54^\circ\text{C}$).
  • Tính toán tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất do nồng độ: $\Delta'_1 = 0,1045^\circ\text{C}$; $\Delta'_2 = 0,3925^\circ\text{C}$; $\Delta'_3 = 1,5196^\circ\text{C}$ $\rightarrow \Sigma \Delta' = 2,0166^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh: $\Delta''_1 = 1,28^\circ\text{C}$; $\Delta''_2 = 0,3125^\circ\text{C}$; $\Delta''_3 = 3,3^\circ\text{C}$ $\rightarrow \Sigma \Delta'' = 4,892^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất trên đường ống hơi thứ: $\Delta'''_1 = \Delta'''_2 = \Delta'''_3 = 1^\circ\text{C}$ $\rightarrow \Sigma \Delta''' = 3^\circ\text{C}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt toàn hệ thống: $\Sigma \Delta = 9,9091^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta T_1 = 40,018^\circ\text{C}$; $\Delta T_2 = 19,91^\circ\text{C}$; $\Delta T_3 = 8,9979^\circ\text{C}$.
  • Cân bằng nhiệt lượng và kiểm tra sai số: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho từng nồi có tính đến tổn thất nhiệt ra môi trường ($Q_{tt} = 5%$).
Thông số Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nhiệt dung riêng dung dịch $C$ $(\text{J/kg}\cdot\text{độ})$ 3687,866 3369,730 3461,892
Hàm nhiệt nước ngưng $i_l$ $(\text{kJ/kg})$ 502,40 445,357 406,718
Nhiệt độ nước ngưng $\theta$ $(^\circ\text{C})$ 119,60 106,14 96,50
Lượng hơi thứ giả thiết $W_{gt}$ $(\text{kg/h})$ 1260,60 1386,70 1512,70
Lượng hơi thứ tính toán $W_{tt}$ $(\text{kg/h})$ 1261,556 1388,475 1514,829
Sai số tương đối $(%)$ 0,956 1,775 2,129

Lượng hơi đốt cần cung cấp cho nồi 1 tính được là $D_1 = 1631,4\text{ kg/h}$.

Chương IV: Tính toán thiết kế thiết bị chính

Chương IV trình bày các bước tính toán kích thước kết cấu và độ bền cơ học của thân nồi cô đặc:

  • Kích thước buồng đốt và bố trí ống truyền nhiệt:
    • Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt chọn: $F = 150\text{ m}^2$.
    • Ống truyền nhiệt: Sử dụng ống thép loại $\varnothing 64 \times 7\text{ mm}$ (đường kính ngoài $d_n = 64\text{ mm}$, đường kính trong $d_{tr} = 50\text{ mm}$), chiều dài ống $l = 2\text{ m}$ (hoặc $4\text{ m}$ theo phương án tính toán), bố trí theo hình lục giác đều gồm 11 hình 6 cạnh đồng tâm (23 ống trên đường xuyên tâm). Tổng số ống truyền nhiệt quy chuẩn là $n = 439\text{ ống}$.
    • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính trong $d_{th} = 0,39\text{ m}$, đường kính ngoài $d_n = 0,41\text{ m}$, bề dày $\delta = 13\text{ mm}$; diện tích tiết diện $F_{th} = 0,1194\text{ m}^2$, chiếm $31,09%$ tổng tiết diện các ống truyền nhiệt (nằm trong giới hạn tiêu chuẩn từ 25% đến 35%).
    • Đường kính trong buồng đốt: $D_{tr} = 1,7\text{ m}$ ($1700\text{ mm}$).
    • Bề dày thân buồng đốt: Làm bằng thép CT3, tính toán chịu áp suất làm việc $2\text{ at}$, kiểm tra bền theo ứng suất thử thủy lực, chọn bề dày $S = 10\text{ mm}$.
    • Đáy buồng đốt: Dạng hình nón có gờ với góc đáy $60^\circ$, bề dày chọn $S_{đáy} = 30\text{ mm}$.
  • Kích thước buồng bốc và nắp thiết bị:
    • Thể tích buồng bốc tính theo nồi 3 ($W_3 = 1512,7\text{ kg/h}$, khối lượng riêng hơi thứ $\rho_{ht3} = 0,0784\text{ kg/m}^3$, cường độ bốc hơi thể tích $U_{tt} = 1624\text{ m}^3/\text{m}^3\cdot\text{h}$).
    • Đường kính trong buồng bốc: $D_{tr.bb} = 1,8\text{ m}$ ($1800\text{ mm}$).
    • Bề dày thân buồng bốc: Thép CT3, tính toán ra $7\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $S = 10\text{ mm}$ để đồng bộ với buồng đốt.
    • Nắp buồng bốc: Dạng elip có gờ bằng thép cacbon, chiều cao phần lồi $h_b = 0,45\text{ m}$, bề dày chọn $S_{nắp} = 10\text{ mm}$.
    • Cửa làm vệ sinh và sửa chữa: Đường kính $\varnothing 0,5\text{ m}$.
  • Đường kính các ống dẫn và phụ kiện:
    • Đường kính ống dẫn hơi đốt vào nồi 1: $d = 0,2\text{ m}$ (vận tốc hơi $w = 20\text{ m/s}$).
    • Đường kính ống dẫn dung dịch vào: $d = 0,1\text{ m}$.
    • Đường kính ống dẫn hơi thứ ra khỏi nồi 1: $d = 0,15\text{ m}$ (quy chuẩn bích hơi thứ $250\text{ mm}$).
    • Đường kính ống dẫn dung dịch ra: $d = 0,1\text{ m}$.
    • Đường kính ống tháo nước ngưng: $d_{tr} = 0,1\text{ m}$, $d_{ng} = 0,108\text{ m}$.
  • Mặt bích và cơ cấu đỡ:
    • Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp: Bích liền bằng thép, bu lông M30, số lượng 40 bu lông.
    • Tai treo: Bố trí 4 tai treo bằng thép CT3 cho một thân thiết bị. Tổng khối lượng buồng đốt (gồm thân, ống truyền nhiệt, vỉ ống, nắp, đáy, mặt bích, dung dịch và hơi) là $G = 152.486,8\text{ N}$. Tải trọng tác dụng lên mỗi tai treo $G_1 = 38.121,7\text{ N}$; chọn tai treo tiêu chuẩn có tải trọng cho phép $0,5 \cdot 10^5\text{ N}$ ($50.000\text{ N}$).

Chương V: Tính toán thiết kế thiết bị phụ

Chương V tính toán các thiết bị phụ trợ phục vụ dây chuyền:

  • Thiết bị ngưng tụ Baromet:
    • Lượng không khí và khí không ngưng cần bơm chân không hút ra khỏi thiết bị: $G_{kk} = 15,79\text{ kg/h}$.
    • Xác định đường kính thiết bị ngưng tụ dựa trên lưu lượng hơi $W = 0,42\text{ kg/s}$, khối lượng riêng hơi $\rho_h = 0,1637\text{ kg/m}^3$ và tốc độ hơi $\omega_h = 35\text{ m/s}$ (lấy hệ số dự phòng năng suất 1,5).
    • Tính toán kích thước các tấm chắn ngăn nước, chiều cao thân thiết bị ngưng tụ và chiều cao ống Baromet để đảm bảo cột nước tự tháo ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
  • Các thiết bị phụ trợ khác:
    • Thiết bị gia nhiệt dung dịch đầu vào: Dạng ống chùm thẳng đứng, tính toán hệ số truyền nhiệt, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, số ống truyền nhiệt và đường kính thiết bị.
    • Bồn cao vị tạo áp lực thủy tĩnh ổn định dòng nhập liệu; bơm ly tâm vận chuyển nguyên liệu và tháo sản phẩm; bơm chân không hút khí không ngưng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Hệ thống thiết kế đã xác lập đầy đủ chuỗi thông số công nghệ và kết cấu hình học đáp ứng yêu cầu kỹ thuật:

Hạng mục thông số Giá trị xác định
Năng suất nhập liệu ($G_đ$) $5200\text{ kg/h}$
Nồng độ ban đầu ($x_đ$) / Nồng độ cuối ($x_c$) $8%$ / $40%$ khối lượng
Lượng sản phẩm cô đặc ($G_c$) $1040\text{ kg/h}$
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi ($W$) $4160\text{ kg/h}$
Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu thụ tại nồi 1 ($D_1$) $1631,4\text{ kg/h}$
Áp suất làm việc hơi đốt ($P_{hđ1} / P_{hđ2} / P_{hđ3}$) $2,0000\text{ at} / 1,2866\text{ at} / 0,9299\text{ at}$
Áp suất hơi thứ ($P_{ht1} / P_{ht2} / P_{ht3}$) $0,1456\text{ at} / 0,1057\text{ at} / 0,0784\text{ at}$
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống ($\Sigma \Delta$) $9,9091^\circ\text{C}$
Đường kính trong buồng đốt ($D_{tr}$) $1,7\text{ m}$ ($1700\text{ mm}$)
Đường kính trong buồng bốc ($D_{tr.bb}$) $1,8\text{ m}$ ($1800\text{ mm}$)
Số lượng ống truyền nhiệt quy chuẩn ($n$) 439 ống ($\varnothing 64 \times 7\text{ mm}$)
Kích thước ống tuần hoàn trung tâm ($d_{th}$) $0,39\text{ m}$ (chiếm $31,09%$ diện tích ống)
Chiều dày thân buồng đốt / buồng bốc / nắp / đáy $10\text{ mm} / 10\text{ mm} / 10\text{ mm} / 30\text{ mm}$ (Thép CT3)
Lượng khí không ngưng cần hút ($G_{kk}$) $15,79\text{ kg/h}$

Đóng góp của đồ án

  • Xây dựng quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống cô đặc 3 nồi liên tục xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm, đảm bảo độ chính xác nhiệt lượng với sai số lặp giữa các nồi đều dưới $2,2%$.
  • Cung cấp cơ sở tính toán chi tiết về kích thước cơ khí, kiểm tra bền thân hình trụ, đáy nón và nắp elip chịu áp suất làm việc kết hợp kiểm tra ứng suất thử thủy lực theo tiêu chuẩn ngành chế tạo thiết bị hóa chất - thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Trong quá trình tính toán tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$), do chưa xác định chính xác nhiệt độ sôi thực tế nên khối lượng riêng của dung dịch phải lấy giả thiết ở $20^\circ\text{C}$. Bên cạnh đó, đồ thị tra cứu hệ số điều chỉnh cường độ bốc hơi thể tích không gian hơi ($f$) có độ chính xác bị hạn chế ở vùng áp suất chân không sâu ($P < 1\text{ at}$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thiết lập mô hình mô phỏng tự động hóa quá trình điều khiển nhiệt độ, lưu lượng nạp liệu và độ chân không của hệ thống; mở rộng tính toán các phương án tận dụng nhiệt thứ cấp từ dòng nước ngưng để gia nhiệt sơ bộ dung dịch nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng của toàn nhà máy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất - Thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết bị cô đặc nhiều nồi.
  • Kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy chế biến đường mía, thực phẩm lỏng cần tài liệu tham khảo về các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng lặp đúng dần và quy chuẩn kích thước cơ khí thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và chế độ làm việc của hệ thống cô đặc được thiết kế như thế nào?

Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $5200\text{ kg/h}$ dung dịch đường mía ở nồng độ ban đầu $8%$, làm việc theo phương thức bốc hơi liên tục qua 3 nồi xuôi chiều để đạt nồng độ sản phẩm cuối là $40%$, tương ứng với lượng sản phẩm ra là $1040\text{ kg/h}$ và tổng lượng nước bốc hơi là $4160\text{ kg/h}$.

2. Vì sao đồ án lựa chọn kiểu thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm?

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm tạo ra vòng tuần hoàn tự nhiên nhờ chênh lệch khối lượng riêng giữa dung dịch sôi trong các ống truyền nhiệt (pha lỏng - hơi có khối lượng riêng nhỏ) và dung dịch trong ống trung tâm (ít bọt khí, khối lượng riêng lớn hơn). Kết cấu này phù hợp với dung dịch đường mía có độ nhớt thấp, tăng cường hệ số truyền nhiệt và hạn chế hiện tượng đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt.

3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là bao nhiêu và bao gồm những thành phần nào?

Tổng tổn thất nhiệt độ của cả 3 nồi là $9,9091^\circ\text{C}$, bao gồm: tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao $\Sigma \Delta' = 2,0166^\circ\text{C}$; tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng $\Sigma \Delta'' = 4,892^\circ\text{C}$; và tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống dẫn hơi thứ $\Sigma \Delta''' = 3^\circ\text{C}$ (chọn $1^\circ\text{C}$ cho mỗi chặng ống dẫn giữa các nồi).

4. Kết cấu và vật liệu của buồng đốt và buồng bốc được quy chuẩn ra sao?

Thân buồng đốt và buồng bốc được chế tạo bằng thép CT3. Buồng đốt có đường kính trong $D_{tr} = 1,7\text{ m}$, bề dày thân $10\text{ mm}$, gồm 439 ống truyền nhiệt $\varnothing 64 \times 7\text{ mm}$ và ống tuần hoàn trung tâm đường kính trong $0,39\text{ m}$, đáy nón dày $30\text{ mm}$. Buồng bốc có đường kính trong $D_{tr.bb} = 1,8\text{ m}$, bề dày thân $10\text{ mm}$ và nắp elip dày $10\text{ mm}$.

5. Thiết bị ngưng tụ Baromet có nhiệm vụ gì và lượng khí không ngưng cần hút là bao nhiêu?

Thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu trực tiếp ngược dòng có nhiệm vụ làm ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 3 bằng nước lạnh, tạo ra và duy trì độ chân không $P_{ck} = 0,76\text{ at}$ cho hệ thống, với lượng khí không ngưng và không khí cần được bơm chân không hút ra liên tục là $15,79\text{ kg/h}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho hệ thống thiết bị cô đặc 3 nồi liên tục xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng cho dung dịch đường mía năng suất $5200\text{ kg/h}$. Các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng được giải quyết chặt chẽ với sai số kiểm tra nhiệt lượng đều dưới $2,2%$, xác định chính xác lượng tiêu thụ hơi đốt nồi 1 là $1631,4\text{ kg/h}$. Kết quả thiết kế cơ khí đã quy chuẩn toàn diện kích thước buồng đốt, buồng bốc, hệ thống ống truyền nhiệt và các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị gia nhiệt, hệ thống bồn và bơm), tạo cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc chế tạo và vận hành thực tế.