Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, đường saccharoze ($C_{12}H_{22}O_{11}$) giữ vai trò là chất tạo ngọt dinh dưỡng và là nguồn nguyên liệu cho các ngành chế biến bánh kẹo, đồ hộp, nước giải khát, sữa và dược phẩm. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất mía đường có truyền thống lâu đời và đang từng bước chuyển đổi từ các lò đường thủ công quy mô nhỏ sang các quy trình công nghiệp cơ giới hóa và tự động hóa. Trong quy trình chế biến, nước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô hòa tan còn thấp, đòi hỏi phải trải qua quá trình làm bay hơi nước để đưa nồng độ dung dịch lên giá trị thích hợp phục vụ cho quá trình kết tinh hoặc bảo quản.
Đề tài "Thiết kế và tính toán phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch đường" được thực hiện bởi sinh viên Lê Văn Đồng dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thế Hữu tại Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2023). Bản đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật nhằm chuyển hóa dung dịch đường loãng thành dung dịch đậm đặc với các mục tiêu và thông số kỹ thuật cụ thể:
- Năng suất tính theo dung dịch đầu: $G_đ = 3,97\text{ tấn/h}$ (tương đương $3970\text{ kg/h}$).
- Nồng độ chất tan ban đầu của dung dịch: $x_đ = 13,2%$ khối lượng.
- Nồng độ chất tan cuối của dung dịch: $x_c = 32,5%$ khối lượng.
- Áp suất hơi đốt cấp vào nồi 1: $P_{hđ} = 4\text{ at}$.
- Áp suất hơi tại thiết bị ngưng tụ: $P_{ng} = 0,29\text{ at}$.
- Chiều cao ống truyền nhiệt quy chuẩn: $H = 4\text{ m}$.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cô đặc hai nồi làm việc xuôi chiều sử dụng thiết bị cô đặc tuần hoàn có buồng đốt ngoài đặt thẳng đứng. Phạm vi tính toán bao gồm cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định kích thước bề mặt truyền nhiệt của thiết bị chính, kết hợp tính toán các thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt sơ bộ, thiết bị ngưng tụ Baromet) phục vụ trực tiếp cho phân xưởng sản xuất dung dịch đường.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đặc tính công nghệ của dung dịch đường saccharoze
Saccharoze là hợp chất carbohydrate có công thức phân tử $C_{12}H_{22}O_{11}$, phân tử khối $M = 342$, tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng, không mùi, tan nhiều trong nước (độ hòa tan đạt $211\text{ g}/100\text{ g nước}$ ở $20^\circ\text{C}$), nhiệt độ nóng chảy $186^\circ\text{C}$. Độ nhớt của dung dịch đường tăng tỷ lệ thuận với nồng độ và giảm khi nhiệt độ tăng.
Về mặt hóa học, saccharoze có các phản ứng đặc thù cần kiểm soát nghiêm ngặt trong quá trình gia nhiệt:
- Dưới tác dụng của môi trường acid và nhiệt độ cao, saccharoze bị thủy phân thành hỗn hợp đường khử gồm glucoza và fructoza (hiện tượng chuyển hóa đường). Thời gian tiếp nhiệt càng dài và pH càng thấp thì lượng đường chuyển hóa sinh ra càng lớn, làm tổn thất đường và cản trở quá trình kết tinh.
- Trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc nồng độ kiềm đậm đặc, saccharoze bị phân hủy tạo thành các hợp chất aldehyt, axeton, acid hữu cơ cùng các tạp chất màu vàng nâu.
- Khi tác dụng với ion kim loại kiềm thổ, đường tạo thành hợp chất sacarat làm tăng độ nhớt dung dịch và gây tổn thất nguyên liệu.
- Ở nhiệt độ vượt quá $200^\circ\text{C}$, saccharoze bị mất nước tạo thành hợp chất caramel có màu biến thiên từ vàng đến nâu đen, làm giảm phẩm cấp sản phẩm và khó tẩy màu.
Do đặc tính mẫn cảm với nhiệt, quá trình cô đặc dung dịch đường phải được tiến hành ở chế độ chân không tại các nồi sau nhằm hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch, rút ngắn thời gian lưu nhiệt và hạn chế tối đa các phản ứng phân hủy nhiệt.
Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
Quá trình cô đặc là phương pháp tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi. Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều vận hành trên nguyên lý sử dụng hơi thứ sinh ra từ nồi trước để làm hơi đốt cho buồng đốt của nồi tiếp theo. Điều kiện động học để quá trình truyền nhiệt diễn ra liên tục là phải duy trì độ chênh lệch nhiệt độ và áp suất giảm dần giữa các nồi ($P_1 > P_2 > P_{ng}$).
Ưu điểm nổi bật của hệ thống xuôi chiều là dung dịch tự động di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất chân không mà không cần sử dụng bơm vận chuyển trung gian. Nhiệt độ sôi của nồi sau thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi trước, giúp dung dịch khi đi vào nồi sau có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi tại áp suất làm việc của nồi đó, tạo ra hiện tượng tự bốc hơi bổ sung. Nhược điểm của sơ đồ này là nhiệt độ dung dịch giảm dần trong khi nồng độ chất tan tăng cao, dẫn đến độ nhớt tăng nhanh và làm suy giảm hệ số truyền nhiệt ở nồi cuối.
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu tra cứu
Tác giả sử dụng phương pháp tính toán kỹ thuật hóa chất và thiết bị truyền nhiệt truyền thống, bao gồm:
- Lập hệ phương trình cân bằng vật chất để xác định lưu lượng dung dịch, lượng hơi thứ bốc lên ở từng nồi và nồng độ trung gian.
- Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng nhằm tính toán lượng hơi đốt tiêu thụ, nhiệt lượng tổn thất và phân bố chênh lệch nhiệt độ hữu ích.
- Phương pháp tính toán truyền nhiệt: xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng ($\alpha_1$), hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi ($\alpha_2$), nhiệt trở qua lớp cáu bẩn và thành ống kim loại, hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$).
- Nguồn số liệu nhiệt động, khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi được trích xuất từ các tài liệu chuẩn: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2) cùng giáo trình Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học.
Thiết kế quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị
Sơ đồ dây chuyền và nguyên tắc vận hành
Hệ thống phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài được bố trí liên hoàn với các cụm thiết bị: thùng chứa nguyên liệu (1), bơm dung dịch (2), thùng cao vị (3), thiết bị đo lưu lượng (4), thiết bị gia nhiệt sơ bộ kiểu ống chùm (5), nồi cô đặc thứ nhất (6), nồi cô đặc thứ hai (7), thùng chứa nước ngưng (8), thùng chứa sản phẩm (9), thiết bị ngưng tụ Baromet (10), thiết bị thu hồi bọt (11) và bơm chân không (12).
Dung dịch đường nguyên liệu từ thùng chứa (1) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3) để ổn định áp lực dòng chảy. Dung dịch sau đó tự chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ (5), tại đây dung dịch được nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ sôi trước khi cấp vào nồi cô đặc I (6).
Tại nồi I, hơi đốt bão hòa có áp suất $4\text{ at}$ đi vào buồng đốt phía ngoài ống truyền nhiệt để đun sôi dung dịch đang chuyển động bên trong ống. Dung dịch sôi bốc hơi tạo thành hỗn hợp lỏng - hơi di chuyển lên buồng bốc; hơi thứ thoát ra trên đỉnh được dẫn sang làm hơi đốt cho nồi cô đặc II (7). Nước ngưng từ buồng đốt được xả qua cửa tháo nước ngưng, khí không ngưng được thải qua cửa thoát khí chuyên dụng.
Do áp suất làm việc tại nồi II thấp hơn nồi I, dung dịch đường sau khi cô đặc sơ bộ tại nồi I tự động chảy sang nồi II. Tại đây, dung dịch tiếp tục sôi nhờ nhiệt lượng của hơi thứ nồi I và tự bốc hơi thêm một phần do giảm áp suất. Dung dịch đạt nồng độ cuối $32,5%$ được bơm tháo liệu đưa về bể chứa thành phẩm (9). Toàn bộ hơi thứ và khí không ngưng của nồi II được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10). Thiết bị này sử dụng nước lạnh phun tia trực tiếp để ngưng tụ hơi thứ, nước ngưng cùng nước làm lạnh chảy xuống bồn chứa qua ống Baromet, khí không ngưng đi qua bình thu hồi bọt (11) rồi được bơm chân không (12) hút thải ra ngoài.
Đặc điểm cấu tạo thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài
Thiết bị chính sử dụng kiểu buồng đốt ngoài đặt thẳng đứng, bao gồm buồng đốt dạng ống chùm, buồng bốc hơi tách lỏng và ống tuần hoàn ngoài nối đáy buồng bốc với đáy buồng đốt. Dung dịch chuyển động đối lưu tự nhiên: dòng dung dịch sôi trong các ống truyền nhiệt có khối lượng riêng giảm, dâng lên buồng bốc rồi quay trở lại đáy buồng đốt qua ống tuần hoàn lớn không bị gia nhiệt. Cấu tạo buồng đốt tách rời buồng bốc giúp tăng vận tốc tuần hoàn, hạn chế hiện tượng bám cặn đường trên bề mặt truyền nhiệt, đồng thời thuận tiện cho công tác kiểm tra, vệ sinh cơ học và sửa chữa ống truyền nhiệt.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
Chương này trình bày tổng quan về lý thuyết quá trình cô đặc, phân loại các phương pháp bốc hơi (phương pháp nhiệt, cô đặc chân không, cô đặc áp suất thường, cô đặc áp suất dư và phương pháp lạnh). Tác giả phân loại chi tiết các dạng thiết bị cô đặc công nghiệp:
- Nhóm tuần hoàn tự nhiên: thiết bị có buồng đốt trong (đồng trục), buồng đốt ngoài (không đồng trục), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
- Nhóm tuần hoàn cưỡng bức: sử dụng bơm tuần hoàn dung dịch qua buồng đốt trong hoặc buồng đốt ngoài.
- Nhóm màng: dung dịch chảy màng mỏng cuộn lên hoặc chảy xuôi theo thành ống.
Chương I cũng so sánh hiệu quả kinh tế về mặt tiêu hao hơi đốt của các hệ thống nhiều nồi. Theo số liệu tổng hợp trong văn bản, lượng hơi đốt tiêu thụ để làm bốc hơi $1\text{ kg}$ hơi thứ giảm rõ rệt khi tăng số nồi:
| Số lượng nồi trong hệ thống |
Suất tiêu hao hơi đốt ($\text{kg hơi đốt}/\text{kg hơi thứ}$) |
Tỷ lệ giảm tiêu hao hơi đốt so với cấp trước |
| Hệ thống cô đặc 1 nồi |
1,10 |
- |
| Hệ thống cô đặc 2 nồi |
0,57 |
Giảm 48,2% |
| Hệ thống cô đặc 3 nồi |
0,40 |
Giảm 29,8% |
| Hệ thống cô đặc 4 nồi |
0,30 |
Giảm 25,0% |
| Hệ thống cô đặc 5 nồi |
0,27 |
Giảm 10,0% |
Văn bản chỉ ra rằng việc tăng số nồi từ 4 lên 5 chỉ giảm được $10%$ lượng hơi đốt, và từ nồi 10 lên nồi 11 mức giảm không quá $1%$. Đồng thời, tăng số nồi làm suy giảm hiệu số nhiệt độ có ích của từng nồi, đòi hỏi diện tích bề mặt truyền nhiệt phải tăng cao. Do đó, việc lựa chọn hệ thống 2 nồi xuôi chiều là giải pháp cân đối giữa chi phí đầu tư thiết bị và hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Phần cuối chương trình bày chi tiết về tính chất vật lý, hóa học của dung dịch đường mía saccharoze và bản vẽ sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ.
Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong đồ án, bao gồm toàn bộ các bước tính toán công nghệ cho hệ cô đặc 2 nồi.
1. Cân bằng vật liệu
Tổng lượng hơi thứ cần bốc ra khỏi hệ thống được xác định qua phương trình cân bằng vật chất:
$$W = G_đ \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 3970 \times \left(1 - \frac{0,132}{0,325}\right) = 2358\text{ kg/h}$$
Giả thiết tỷ lệ phân phối lượng hơi thứ bốc ra giữa hai nồi là $W_1 : W_2 = 1 : 1,1$, giải hệ phương trình thu được:
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: $W_1 = 1123\text{ kg/h}$.
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: $W_2 = 1235\text{ kg/h}$.
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: $x_1 = \frac{3970 \times 0,132}{3970 - 1123} = 18,4%$.
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2: $x_2 = \frac{3970 \times 0,132}{3970 - (1123 + 1235)} = 32,5%$ (trùng khớp nồng độ cuối $x_c$).
2. Cân bằng áp suất và nhiệt độ
Chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống:
$$\Delta P = P_1 - P_{ng} = 4 - 0,3 = 3,7\text{ at}$$
Giả thiết tỷ lệ chênh lệch áp suất giữa 2 nồi là $\frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = 1,5$, suy ra $\Delta P_1 = 2,22\text{ at}$ và $\Delta P_2 = 1,48\text{ at}$. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt tương ứng:
- Nồi 1: $P_1 = 4\text{ at} \rightarrow T_1 = 142,9^\circ\text{C}$; nhiệt lượng riêng $i_1 = 2744\text{ kJ/kg}$; ẩn nhiệt hóa hơi $r_1 = 2141\text{ kJ/kg}$.
- Nồi 2: $P_2 = P_1 - \Delta P_1 = 1,78\text{ at} \rightarrow T_2 = 116,3^\circ\text{C}$; $i_2 = 2708,4\text{ kJ/kg}$; $r_2 = 2218\text{ kJ/kg}$.
- Áp suất thiết bị ngưng tụ: $P_{ng} = 0,29\text{ at} \rightarrow T_{ng} = 67,8^\circ\text{C}$ (chọn tính toán $68,7^\circ\text{C}$).
Với tổn thất nhiệt do trở lực đường ống chọn sơ bộ $\Delta_{m1} = \Delta_{m2} = 1^\circ\text{C}$, nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:
- Nồi 1: $t'_1 = 117,3^\circ\text{C} \rightarrow P'_1 = 1,86\text{ at}$; $i'_1 = 2709,3\text{ kJ/kg}$; $r'_1 = 2214,3\text{ kJ/kg}$.
- Nồi 2: $t'_2 = 69,7^\circ\text{C} \rightarrow P'_2 = 0,32\text{ at}$; $i'_2 = 2621,97\text{ kJ/kg}$; $r'_2 = 2333\text{ kJ/kg}$.
3. Xác định các tổn thất nhiệt độ
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống ($\sum \Delta$) được tổng hợp từ ba nguyên nhân:
- Tổn thất do nồng độ tăng cao ($\Delta'$): Tính theo công thức Lisenco qua nồng độ phân tử gam và hằng số nghiệm sôi $K_s$. Nồi 1 có $\Delta'_1 = 0,95^\circ\text{C}$; nồi 2 có $\Delta'_2 = 1,23^\circ\text{C}$. Tổng tổn thất nồng độ $\sum \Delta' = 2,21^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh tăng cao ($\Delta''$): Xét với chiều cao lớp dung dịch sôi trên miệng ống $h_1 = 1\text{ m}$ (hoặc $0,5\text{ m}$ theo sơ bộ) và chiều cao ống truyền nhiệt $h_2 = 4\text{ m}$. Khối lượng riêng dung dịch sôi lấy gần đúng bằng $1/2$ khối lượng riêng ở $20^\circ\text{C}$ ($P_{dds1} = 592,7\text{ kg/m}^3$; $P_{dds2} = 651,79\text{ kg/m}^3$). Tính toán thu được tổn thất áp suất thủy tĩnh: nồi 1 là $\Delta''_1 = 1,805^\circ\text{C}$; nồi 2 là $\Delta''_2 = 11,2^\circ\text{C}$. Tổng tổn thất thủy tĩnh $\sum \Delta'' = 13,005^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi ($\Delta'''$): Quy chuẩn $\Delta'''_1 = 1^\circ\text{C}$; $\Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$. Tổng tổn thất $\sum \Delta''' = 2^\circ\text{C}$.
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống:
$$\sum \Delta = 2,21 + 13,005 + 2 = 15,215^\circ\text{C}$$
Hiệu số nhiệt độ chung của hệ thống:
$$\Delta t_{ch} = T_1 - T_{nt} = 142,9 - 68,7 = 74,2^\circ\text{C}$$
Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:
$$\Delta t_{hi} = \Delta t_{ch} - \sum \Delta = 74,2 - 15,215 = 58,985^\circ\text{C}$$
Nhiệt độ sôi của dung dịch trong các nồi:
- Nồi 1: $t_{s1} = t'_1 + \Delta'_1 + \Delta''_1 = 117,3 + 0,95 + 1,805 = 120,055^\circ\text{C}$.
- Nồi 2: $t_{s2} = t'_2 + \Delta'_2 + \Delta''_2 = 69,7 + 1,23 + 11,2 = 82,13^\circ\text{C}$.
Hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi:
- Nồi 1: $\Delta T_1 = T_1 - t_{s1} = 142,9 - 120,055 = 22,845^\circ\text{C}$.
- Nồi 2: $\Delta T_2 = T_2 - t_{s2} = 116,3 - 82,13 = 34,17^\circ\text{C}$.
Kiểm tra độ sai lệch phân bố nhiệt độ hữu ích:
$$\varepsilon = \frac{|\Delta T_1 - \Delta t_{hi}/2|}{\Delta t_{hi}/2} = \frac{|22,845 - 29,4925|}{29,4925} = 1,7% < 5%$$
Số liệu giả thiết hoàn toàn thỏa mãn giới hạn kỹ thuật.
4. Cân bằng nhiệt lượng và tính toán truyền nhiệt
Tác giả lập phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi có xét đến nhiệt do hơi mang vào, nhiệt do dung dịch mang vào, nhiệt thất thoát ra môi trường ($5%$) và nhiệt do nước ngưng mang ra. Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt ($\theta_1 = 142,9^\circ\text{C}$; $\theta_2 = 116,3^\circ\text{C}$). Kiểm tra lại phân phối hơi thứ sau cân bằng nhiệt đạt tỷ lệ $W_1 : W_2 = 1 : 1,02$ với sai số nhỏ hơn $5%$ so với cân bằng vật liệu.
Về tính toán hệ số truyền nhiệt:
- Ống truyền nhiệt chế tạo bằng thép không gỉ $X18H10T$, chiều dày thành ống $\delta = 2\text{ mm} = 0,002\text{ m}$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 16,3\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
- Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ: $q_{11} = 25772,48\text{ W/m}^2$; $q_{12} = 19763,30\text{ W/m}^2$.
- Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi: $q_{21} = 39934,89\text{ W/m}^2$; $q_{22} = 45622,96\text{ W/m}^2$.
- Nhiệt tải trung bình: nồi 1 đạt $q_{tb1} = 32848,68\text{ W/m}^2$; nồi 2 đạt $q_{tb2} = 32693,13\text{ W/m}^2$.
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán và quy chuẩn theo thiết kế hai nồi có diện tích bằng nhau:
$$F_1 = F_2 = 9,57\text{ m}^2$$
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp ban đầu:
- Dạng thiết bị: Trao đổi nhiệt kiểu ống chùm đặt đứng, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa. Dung dịch đường có lưu lượng $G = 2170\text{ kg/h}$ đi trong không gian trong ống truyền nhiệt (do áp lực cao hơn và dễ tạo cặn bẩn cần vệ sinh cơ học), hơi nước bão hòa ngưng tụ ở khoảng không gian ngoài ống.
- Nhiệt độ dung dịch nâng từ nhiệt độ ban đầu $t_f = 25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $t_{s1} = 120,205^\circ\text{C}$ (tác giả giả thiết sơ bộ $t_{so} = 142,9^\circ\text{C}$).
- Nhiệt lượng trao đổi $Q$ được xác định dựa trên lưu lượng, biến thiên nhiệt độ và nhiệt dung riêng của dung dịch ($C_p = 3586,8\text{ J/kg}\cdot\text{độ}$).
- Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích trung bình logarit giữa hai lưu thể và hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng với chiều cao ống truyền nhiệt $H = 4\text{ m}$, độ chênh nhiệt độ giả thiết $\Delta t_1 = 6,05^\circ\text{C}$, nhiệt độ màng nước ngưng $t_m = 139,875^\circ\text{C}$, hằng số $A = 193,9625$, nhiệt tải riêng tính toán đạt $q_1 = 6824,145\text{ W/m}^2$.
Kết quả và thông số kỹ thuật thiết kế
Dựa trên toàn bộ các chu trình tính toán nhiệt động và thủy lực, đồ án đã xác lập hệ thống thông số thiết kế cho phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều dung dịch đường saccharoze:
| Hạng mục thông số |
Nồi cô đặc I |
Nồi cô đặc II |
Thiết bị gia nhiệt đầu |
| Áp suất hơi đốt ($P$) |
$4,00\text{ at}$ |
$1,78\text{ at}$ |
Hơi nước bão hòa ($4\text{ at}$) |
| Nhiệt độ hơi đốt ($T$) |
$142,9^\circ\text{C}$ |
$116,3^\circ\text{C}$ |
$142,9^\circ\text{C}$ |
| Áp suất hơi thứ ($P'$) |
$1,86\text{ at}$ |
$0,32\text{ at}$ |
- |
| Nhiệt độ hơi thứ ($t'$) |
$117,3^\circ\text{C}$ |
$69,7^\circ\text{C}$ |
- |
| Tổn thất nồng độ ($\Delta'$) |
$0,95^\circ\text{C}$ |
$1,23^\circ\text{C}$ |
- |
| Tổn thất thủy tĩnh ($\Delta''$) |
$1,805^\circ\text{C}$ |
$11,20^\circ\text{C}$ |
- |
| Tổn thất trở lực ống ($\Delta'''$) |
$1,00^\circ\text{C}$ |
$1,00^\circ\text{C}$ |
- |
| Nhiệt độ sôi dung dịch ($t_s$) |
$120,055^\circ\text{C}$ |
$82,13^\circ\text{C}$ |
Đun từ $25^\circ\text{C} \rightarrow 120,2^\circ\text{C}$ |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta T$) |
$22,845^\circ\text{C}$ |
$34,17^\circ\text{C}$ |
$\Delta t_{tb} = 57,86^\circ\text{C}$ |
| Lượng hơi thứ bốc hơi ($W$) |
$1123\text{ kg/h}$ |
$1235\text{ kg/h}$ |
Tổng bốc hơi: $2358\text{ kg/h}$ |
| Nồng độ dung dịch ra ($x$) |
$18,4%$ |
$32,5%$ |
Ban đầu: $13,2%$ |
| Diện tích truyền nhiệt ($F$) |
$9,57\text{ m}^2$ |
$9,57\text{ m}^2$ |
Ống chùm đứng $H = 4\text{ m}$ |
| Vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt |
Thép không gỉ $X18H10T$ |
Thép không gỉ $X18H10T$ |
Thép không gỉ |
Giải pháp kỹ thuật của đồ án đã tận dụng triệt để lượng hơi thứ sinh ra từ nồi I để cấp nhiệt hoàn toàn cho nồi II, đồng thời khai thác cơ chế tự bốc hơi khi dung dịch chuyển từ vùng áp suất cao sang vùng áp suất chân không. Thiết kế quy chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt hai nồi đồng nhất ($F_1 = F_2 = 9,57\text{ m}^2$) giúp đơn giản hóa việc chế tạo, lắp đặt và dự phòng phụ tùng thay thế trong nhà máy.
Hạn chế và phạm vi hoàn thiện
Dựa trên nội dung được trình bày trong thuyết minh đồ án, một số hạn chế kỹ thuật và phạm vi cần hoàn thiện bao gồm:
- Tác giả tự nhận định do kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án khó tránh khỏi các thiếu sót trong quá trình tính toán và biên soạn.
- Tồn tại một số điểm số liệu chưa thống nhất hoàn toàn giữa các đoạn văn bản: chiều cao ống truyền nhiệt ban đầu đề ra $4\text{ m}$, nhưng trong phần tính toán cấp nhiệt ngưng tụ lại giả thiết $H = 3\text{ m}$ hoặc $H = 2\text{ m}$; lưu lượng dung dịch đầu dùng tính thiết bị gia nhiệt sơ bộ ở Chương 3 ghi nhận giá trị $2170\text{ kg/h}$ (thay vì $3970\text{ kg/h}$ như đề bài); tên vật liệu thép không gỉ có chỗ viết nhầm ký hiệu thành $X18H10000T$ (thay vì $X18H10T$).
- Đồ án mới dừng lại ở bước tính toán nhiệt động, xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt và kích thước thiết bị gia nhiệt sơ bộ; chưa hoàn thiện đầy đủ các chương tiếp theo về tính toán cơ khí chi tiết (bề dày vỏ, đáy, nắp, mặt bích, tai treo), tính toán thủy lực bơm và thiết bị ngưng tụ Baromet hoàn chỉnh.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Máy và Thiết bị Công nghiệp thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm.
- Các kỹ sư công nghệ cần tham khảo quy trình tính toán cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lượng và phương pháp phân bổ hiệu số nhiệt độ hữu ích cho hệ cô đặc hai nồi làm việc xuôi chiều.
- Phần đáng tham khảo nhất là các bước chi tiết xác định ba dạng tổn thất nhiệt độ (tổn thất nồng độ theo Lisenco, tổn thất cột áp suất thủy tĩnh và tổn thất đường ống) cùng phương pháp lập hệ phương trình kiểm tra sai số phân bố hơi thứ và nhiệt tải riêng bề mặt.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thay vì ngược chiều hay một nồi?
Hệ thống một nồi tiêu tốn lượng hơi đốt lớn ($1,1\text{ kg hơi đốt}/\text{kg hơi thứ}$), trong khi hệ hai nồi giảm lượng hơi đốt tiêu thụ xuống còn $0,57\text{ kg/kg}$. Chọn sơ đồ xuôi chiều giúp dung dịch tự chuyển động giữa hai nồi nhờ chênh lệch áp suất chân không mà không cần bơm, đồng thời dung dịch vào nồi sau có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi nên sinh ra hiện tượng tự bốc hơi, tiết kiệm thêm nhiệt lượng.
2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống là bao nhiêu và được phân phối như thế nào?
Tổng lượng hơi thứ bốc ra của cả hệ thống là $2358\text{ kg/h}$ (đáp ứng yêu cầu cô đặc từ $3970\text{ kg/h}$ dung dịch $13,2%$ lên $32,5%$). Lượng hơi thứ được phân phối qua hai nồi: nồi 1 bốc ra $1123\text{ kg/h}$ (đưa nồng độ lên $18,4%$) và nồi 2 bốc ra $1235\text{ kg/h}$ (đưa nồng độ đạt $32,5%$).
3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống bằng bao nhiêu và do những nguyên nhân nào cấu thành?
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là $15,215^\circ\text{C}$, cấu thành từ:
- Tổn thất do tăng nồng độ ($\sum \Delta'$): $2,21^\circ\text{C}$ (nồi 1 là $0,95^\circ\text{C}$, nồi 2 là $1,23^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\sum \Delta''$): $13,005^\circ\text{C}$ (nồi 1 là $1,805^\circ\text{C}$, nồi 2 là $11,2^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do trở lực đường ống ($\sum \Delta'''$): $2^\circ\text{C}$ ($1^\circ\text{C}$ cho mỗi nồi).
4. Thiết bị chính sử dụng loại vật liệu gì và diện tích bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn là bao nhiêu?
Ống truyền nhiệt của thiết bị chính sử dụng vật liệu thép không gỉ $X18H10T$ có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 16,3\text{ W/m}\cdot\text{K}$, chiều dày thành ống $\delta = 2\text{ mm}$. Diện tích bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn tính toán cho cả hai nồi bằng nhau là $F_1 = F_2 = 9,57\text{ m}^2$.
5. Vì sao dung dịch đường saccharoze phải được cô đặc trong điều kiện chân không ở nồi 2?
Saccharoze dễ bị thủy phân tạo thành đường nghịch đảo khi gặp nhiệt độ cao và bị caramel hóa tạo màu tối khó tách khi nhiệt độ vượt quá $200^\circ\text{C}$. Cô đặc chân không ở nồi 2 giúp hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống còn $82,13^\circ\text{C}$ (áp suất hơi thứ $0,32\text{ at}$), vừa bảo vệ phẩm chất đường vừa làm tăng độ chênh nhiệt độ hữu ích giữa hơi đốt và dung dịch.
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Lê Văn Đồng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán công nghệ cho phân xưởng cô đặc dung dịch đường saccharoze năng suất $3,97\text{ tấn/h}$ từ nồng độ $13,2%$ lên $32,5%$. Hệ thống sử dụng thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài đặt đứng hai nồi xuôi chiều với diện tích bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi đạt $9,57\text{ m}^2$, hoạt động an toàn và tiết kiệm năng lượng nhờ tận dụng hơi thứ và cơ chế tự bốc hơi chân không. Công trình cung cấp các dẫn liệu tính toán nhiệt động, cân bằng vật chất và thông số thủy lực cụ thể, đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho công tác đào tạo và thiết kế thiết bị trong ngành công nghệ hóa học và thực phẩm.
