Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp mía đường tại Việt Nam giữ vai trò then chốt trong việc cung cấp nguyên liệu đường cho các ngành sản xuất chế biến thực phẩm như bánh kẹo, sữa, đồng thời tạo ra nguồn phụ phẩm có giá trị cho công nghiệp sản xuất cồn, rượu và ván ép. Tuy nhiên, theo khảo sát thực tiễn của tác giả, hoạt động sản xuất tại các vùng mía đường trọng điểm (như Bình Dương, Quảng Ngãi, Tây Ninh) phần lớn còn phân tán, quy mô nhỏ, công nghệ và dây chuyền thiết bị lạc hậu. Cây mía sau khi thu hoạch có đặc tính suy giảm hàm lượng đường saccaroze rất nhanh nếu không được đưa vào chế biến kịp thời. Trong dây chuyền sản xuất đường, công đoạn cô đặc là khâu trung gian nhưng có tính chất quyết định đến việc nâng cao nồng độ chất khô trước khi đưa vào kết tinh, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cảm quan và mức độ tiêu hao năng lượng của toàn nhà máy. Vì vậy, việc tính toán và thiết kế hệ thống cô đặc nước mía một nồi liên tục ở quy mô công nghiệp là một yêu cầu kỹ thuật cấp bách.

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về nguyên liệu nước mía, các biến đổi hóa lý, hóa sinh trong quá trình cô đặc và phân loại các thiết bị cô đặc công nghiệp.
  2. Lựa chọn sơ đồ công nghệ, nguyên lý hoạt động và quy trình vận hành hệ thống cô đặc một nồi liên tục làm việc ở áp suất chân không có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của hệ thống nhằm xác định suất lượng dòng sản phẩm, lượng hơi thứ bốc lên và lượng hơi đốt bão hòa tiêu tốn.
  4. Tính toán truyền nhiệt để xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát, nhiệt tải riêng và diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu.
  5. Xác định kích thước hình học chi tiết của thiết bị chính bao gồm buồng đốt, ống truyền nhiệt, ống tuần hoàn trung tâm, buồng bốc, đáy nón, nắp elip và hệ thống ống dẫn lưu chất.
  6. Tính toán kiểm nghiệm độ bền cơ khí của các chi tiết chịu áp lực (thân buồng đốt, thân buồng bốc, đường kính lỗ không cần tăng cứng) bằng vật liệu thép không gỉ.
  7. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ bao gồm thiết bị ngưng tụ baromet, bồn cao vị, bơm nhập liệu và bơm nước làm mát.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Dung dịch nước mía có nồng độ chất khô ban đầu $x_đ = 18%$ khối lượng, được cô đặc đến nồng độ sản phẩm đạt yêu cầu kết tinh $x_c = 40%$ khối lượng. Năng suất nhập liệu đạt $G_đ = 8000\text{ kg/h}$ (tương đương 8 tấn/h).
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Thiết kế kỹ thuật thiết bị cô đặc ống chùm dạng đứng, một nồi làm việc liên tục ở áp suất chân không, có buồng đốt trong đồng trục với buồng bốc và trang bị ống tuần hoàn trung tâm.
  • Phạm vi thời gian và thông số vận hành: Nhiệt độ nhập liệu ban đầu được chọn là $t_đ = 30^\circ\text{C}$ (sau đó được gia nhiệt sơ bộ lên nhiệt độ sôi $66,98^\circ\text{C}$); nguồn cung cấp nhiệt là hơi nước bão hòa ở áp suất dư $1,5\text{ at}$ (áp suất tuyệt đối $P_d = 2,5\text{ at}$, tương ứng nhiệt độ $126,07^\circ\text{C}$); áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ duy trì ở mức $P_{ck} = 0,74\text{ at}$ (tương đương áp suất tuyệt đối $P_c = 0,26\text{ at}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án ứng dụng các nguyên lý truyền khối và truyền nhiệt trong kỹ thuật hóa chất kết hợp với hệ thống phương pháp tính toán cơ khí thiết bị công nghiệp:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
    • Định luật bảo toàn khối lượng (cân bằng vật chất chất khô) để xác định lượng bốc hơi và lượng sản phẩm ra khỏi hệ thống.
    • Phương trình cân bằng nhiệt lượng tổng quát nhằm xác định nhiệt lượng tiêu tốn cho việc đun nóng dung dịch, làm bốc hơi dung môi và tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
    • Mô hình xác định tổn thất nhiệt độ tổng cộng gồm tổn thất do nồng độ tăng cao ($\Delta'$ theo công thức Tishenko), tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh của lớp chất lỏng sôi ($\Delta''$) và tổn thất nhiệt trở thủy lực trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$).
    • Lý thuyết ngưng tụ màng của hơi nước bão hòa trên bề mặt ngoài ống đứng (xác định hệ số cấp nhiệt $\alpha_1$) và quy luật cấp nhiệt khi dung dịch sôi sủi bọt tuần hoàn tự nhiên bên trong ống truyền nhiệt (xác định hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ có xét đến hệ số hiệu chỉnh đặc tính hóa lý của dung dịch đường 40%).
    • Phương pháp lặp nhiệt tải riêng ($q_1, q_2, q_v$) nhằm hội tụ nhiệt độ vách truyền nhiệt với sai số cho phép dưới $5%$.
    • Tiêu chuẩn tính toán bền cơ khí của thiết bị vỏ mỏng chịu áp lực trong và áp lực ngoài (chân không) để xác định chiều dày thân buồng đốt, thân buồng bốc và kiểm tra đường kính lỗ khoét cho các ống nhánh.
  • Văn bản và tài liệu kỹ thuật tra cứu: Đồ án sử dụng các hệ số, biểu đồ và công thức quy chuẩn từ bộ tài liệu "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1 và Tập 2) của các tác giả Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên; "Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt" (Tập 5) của Bùi Hải, Hà Đặng Hải; "Tính toán và Thiết kế Thiết bị Hóa chất" (Tập 10: Ví dụ và Bài tập) của Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh.
  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Toàn bộ thông số hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, ẩn nhiệt hóa hơi của dung dịch đường mía và hơi nước bão hòa) được nội suy chính xác theo áp suất và nồng độ từ các bảng số liệu nhiệt động lực học tiêu chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cô đặc mía đường

Chương này tập trung trình bày bản chất công nghệ và lựa chọn phương án thiết bị:

  • Đặc điểm nguyên liệu và sản phẩm: Nguyên liệu cô đặc là nước mía đã qua làm sạch, có nồng độ chất khô hòa tan $18%$ khối lượng, thành phần chất tan chủ yếu là đường saccaroze, xem như không bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt. Sản phẩm sau cô đặc đạt nồng độ $40%$ khối lượng dạng lỏng nhớt.
  • Các biến đổi công nghệ:
    • Biến đổi vật lý: Thời gian và nồng độ tăng làm giảm hệ số dẫn nhiệt, giảm nhiệt dung riêng, giảm hệ số cấp nhiệt; ngược lại làm tăng khối lượng riêng, tăng độ nhớt, tăng tổn thất nhiệt độ và tăng điểm sôi của dung dịch.
    • Biến đổi hóa học: Xảy ra phản ứng phân hủy amit (như asparagin) làm giảm nhẹ pH; kết tủa một số muối $Ca^{2+}$ ít tan gây đóng cặn trên bề mặt ống truyền nhiệt; phản ứng caramen hóa và phản ứng giữa đường khử với acid amin làm dung dịch sẫm màu.
    • Biến đổi sinh học: Nhiệt độ sôi trong nồi hỗ trợ tiêu diệt và ức chế hoàn toàn hoạt động của vi sinh vật.
  • So sánh và lựa chọn phương án: Phân tích 3 nhóm thiết bị theo cơ chế đối lưu (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, chảy màng) và các chế độ áp suất (thường, chân không, nhiều nồi). Tác giả lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Giải pháp này giúp hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch xuống dưới $70^\circ\text{C}$, ngăn ngừa hiện tượng phân hủy nhiệt của đường và bảo toàn các hợp chất cảm quan quý, đồng thời kết cấu thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và vệ sinh bề mặt truyền nhiệt.

Chương 2: Hệ thống cô đặc nước mía 1 nồi liên tục

Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ, nguyên lý vận hành động học và các thao tác kỹ thuật của hệ thống:

  • Sơ đồ dòng lưu chất: Nước mía từ bể chứa được bơm ly tâm đưa lên bồn cao vị để ổn định áp suất thủy tĩnh. Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế định lượng, tiến vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ dạng ống chùm (sử dụng hơi nước bão hòa $3\text{ at}$ ở phía vỏ) để nâng nhiệt độ từ $30^\circ\text{C}$ lên sát điểm sôi ($66,98^\circ\text{C}$) trước khi cấp vào thân nồi cô đặc.
  • Cơ chế tuần hoàn tự nhiên: Trong buồng đốt, dung dịch đi trong các ống truyền nhiệt nhỏ còn hơi đốt bão hòa đi ngoài ống. Quá trình sôi mãnh liệt tạo ra hỗn hợp bọt lỏng - hơi có khối lượng riêng giảm rõ rệt, bị lực đẩy nổi đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Tại ống tuần hoàn trung tâm, do tỷ lệ diện tích bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch nhỏ hơn nhiều so với chùm ống nhỏ, lượng hơi sinh ra rất ít khiến khối lượng riêng của khối lỏng lớn hơn. Sự chênh lệch khối lượng riêng giữa hai khu vực thiết lập một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín: dòng lỏng - hơi đi lên trong ống truyền nhiệt và dung dịch lỏng quay xuống dưới qua ống tuần hoàn trung tâm.
  • Hệ thống xử lý hơi thứ và chân không: Hơi thứ bốc lên không gian buồng bốc, đi qua bộ phận tách giọt để thu hồi các hạt lỏng bị cuốn theo trước khi dẫn sang thiết bị ngưng tụ baromet kiểu trực tiếp ngược chiều loại khô. Dòng hơi thứ tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát phun từ trên xuống, ngưng tụ thành lỏng và tự chảy ra ngoài khí quyển theo ống baromet chân cao. Khí không ngưng tiếp tục đi qua bình tách giọt phụ và được bơm chân không hút xả ra ngoài, giúp duy trì áp suất chân không ổn định cho toàn bộ chu trình.
  • Quy trình thao tác: Thiết lập tuần tự các bước từ kiểm tra độ kín, khởi động bơm chân không và bơm nước làm mát baromet, cấp nguyên liệu ban đầu đạt thể tích $2,5\text{ m}^3$, mở van hơi đốt từ từ, theo dõi các đồng hồ đo áp suất - nhiệt độ, hiệu chỉnh lưu lượng cấp liệu liên tục và tháo sản phẩm bằng bơm ly tâm.

Chương 3: Tính toán và thiết kế thiết bị chính

Đây là chương trọng tâm của đồ án, chứa toàn bộ các bước tính toán công nghệ, tính truyền nhiệt, định cỡ hình học và kiểm tra độ bền cơ khí:

1. Cân bằng vật chất và xác định tổn thất nhiệt độ

  • Dữ kiện ban đầu: $G_đ = 8000\text{ kg/h}$, $x_đ = 18%$, $x_c = 40%$, $P_{ck} = 0,74\text{ at} \rightarrow P_c = 0,26\text{ at}$, áp suất hơi đốt bão hòa $P_d = 2,5\text{ at}$ ($t_D = 126,07^\circ\text{C}$).
  • Cân bằng vật chất: Áp dụng phương trình bảo toàn chất khô: $$G_c = \frac{G_đ \cdot x_đ}{x_c} = \frac{8000 \cdot 18}{40} = 3600\text{ kg/h}$$ Lượng hơi thứ bốc lên: $$W = G_đ - G_c = 8000 - 3600 = 4400\text{ kg/h} \quad (1,222\text{ kg/s})$$
  • Các tổn thất nhiệt độ:
    • Áp suất tại thiết bị ngưng tụ $p_c = 0,26\text{ at} \rightarrow t_c = 64,95^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1^\circ\text{C} \rightarrow$ nhiệt độ sôi của dung môi tại mặt thoáng buồng bốc là $t_{sdm}(P_0) = 65,95^\circ\text{C}$, tương ứng áp suất hơi thứ $P_0 = 0,266\text{ at}$.
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng: tính theo hệ số hiệu chỉnh $f = 0,7913$ và $\Delta'_0 = 1,3^\circ\text{C}$, xác định được $\Delta' = 1,029^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: với chiều cao ống truyền nhiệt $h_0 = 1,5\text{ m}$, áp suất thủy tĩnh trung bình $p_{tb} = 0,2899\text{ at}$, nhiệt độ sôi của dung môi ở $p_{tb}$ là $67,73^\circ\text{C} \rightarrow \Delta'' = 1,76^\circ\text{C}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt độ: $\Sigma\Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 1,029 + 1,76 + 1 = 3,789^\circ\text{C}$.
    • Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: $$\Delta t_{hi} = t_D - (t_c + \Sigma\Delta) = 126,07 - (64,95 + 3,789) = 56,33^\circ\text{C}$$

2. Cân bằng năng lượng

  • Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía: $C_đ = 3778,207\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ (ở $18%$), $C_c = 3392,67\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ (ở $40%$).
  • Các thành phần nhiệt lượng:
    • Nhiệt lượng đun nóng dung dịch: $Q_đ = 1,034 \times 10^9\text{ J/h}$.
    • Nhiệt lượng bốc hơi dung môi: $Q_{bh} = 9,83 \times 10^9\text{ J/h}$ (với ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2343,46\text{ kJ/kg}$).
    • Nhiệt làm mất mát ra môi trường: $Q_{tt} = 4% \cdot Q_D = 131.300\text{ W}$.
    • Tổng nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc: $Q_D = 3.282.500\text{ W}$ ($3282,5\text{ kW}$).
    • Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến: $D = 1,378\text{ kg/s}$. Suất tiêu hao hơi riêng: $d = 1,26\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
Thông số cân bằng nhiệt và vật chất Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Năng suất nhập liệu $G_đ$ kg/h 8000
Năng suất tháo sản phẩm $G_c$ kg/h 3600
Suất lượng hơi thứ $W$ kg/h 4400
Nồng độ ban đầu / sản phẩm $x_đ / x_c$ % wt 18 / 40
Áp suất hơi đốt / Nhiệt độ hơi đốt $P_d / t_D$ at / $^\circ\text{C}$ 2,5 / 126,07
Áp suất buồng bốc / Nhiệt độ hơi thứ $P_0 / t_{sdm}$ at / $^\circ\text{C}$ 0,266 / 65,95
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ $\Delta'$ $^\circ\text{C}$ 1,029
Tổn thất do cột áp thủy tĩnh $\Delta''$ $^\circ\text{C}$ 1,760
Tổn thất trên đường ống $\Delta'''$ $^\circ\text{C}$ 1,000
Hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{hi}$ $^\circ\text{C}$ 56,33
Nhiệt lượng tiêu thụ cô đặc $Q_D$ W 3.282.500
Lượng hơi đốt tiêu hao biểu kiến $D$ kg/s 1,378
Suất tiêu hao riêng hơi đốt $d$ kg/kg 1,26

3. Tính toán truyền nhiệt và kích thước thiết bị chính

  • Tính nhiệt tải riêng vách: Chọn nhiệt độ vách phía hơi ngưng $t_{v1} = 121^\circ\text{C}$, độ chênh nhiệt độ $\Delta t_1 = 5,07^\circ\text{C}$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng: tính được $\alpha_1 = 8956,5\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)} \rightarrow q_1 = 45409,47\text{ W/m}^2$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: tính theo công thức hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch đường mía 40% ($\rho = 1179,4\text{ kg/m}^3, \mu = 1,6831\text{ cP}, \lambda = 0,536\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$) cho ra $q_2 = 45670,70\text{ W/m}^2$.
    • Sai số tương đối: $|q_2 - q_1| / q_2 = 0,572% < 5%$ (thỏa mãn điều kiện lặp).
    • Nhiệt tải trung bình: $q_{tb} = 45540,085\text{ W/m}^2$.
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt: $$F_{tt} = \frac{Q_D}{q_{tb}} = \frac{3282500}{45540,085} \approx 72,08\text{ m}^2 \quad \left(\text{tính theo } \frac{Q_D}{K \cdot \Delta t_{hi}} = 73,48\text{ m}^2\right)$$ Quy chuẩn diện tích truyền nhiệt chọn: $F = 80\text{ m}^2$.
  • Kích thước buồng đốt:
    • Chọn ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ đường kính $25 \times 2\text{ mm}$ ($d_{tr} = 25\text{ mm}, d_{ng} = 29\text{ mm}$), chiều dài ống $l = 1,5\text{ m}$.
    • Số ống truyền nhiệt lý thuyết: $n = 679,4\text{ ống}$. Bố trí theo đỉnh tam giác đều với bước ống $s = 40,6\text{ mm}$, số ống trên đường chéo hình lục giác đều là $m = 33\text{ ống}$, tương ứng tổng số ống phủ kín vỏ là 817 ống.
    • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính trong tính toán $378\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $D_{th} = 400\text{ mm}$ ($D_{nth} = 406\text{ mm}$). Kiểm tra tỷ lệ $D_{th} / d_t = 16 > 10$ (đảm bảo điều kiện tuần hoàn tự nhiên).
    • Ống tuần hoàn chiếm chỗ của $m' = 11\text{ ống}$ trên đường chéo, tương đương 91 ống truyền nhiệt nhỏ. Do đó số ống truyền nhiệt thực tế được lắp đặt là: $n_{thực} = 817 - 91 = 726\text{ ống}$ (tổng diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $85,5\text{ m}^2 > 80\text{ m}^2$).
    • Đường kính trong thân buồng đốt: $D_t = 1400\text{ mm}$ ($1,4\text{ m}$), chiều cao buồng đốt $H_d = 1500\text{ mm}$.
    • Đáy nón cụt của buồng đốt: Đường kính trong $1400\text{ mm}$, gờ cao $50\text{ mm}$, chiều cao nón $H_{nón} = 1269\text{ mm}$, diện tích bề mặt $F_t = 3,485\text{ m}^2$, thể tích đáy $V_đ = 0,832\text{ m}^3$.
  • Kích thước buồng bốc:
    • Lưu lượng thể tích hơi thứ: $V_{hơi} = 7,41\text{ m}^3\text{/s}$ (với khối lượng riêng hơi $\rho_h = 0,1649\text{ kg/m}^3$).
    • Vận tốc lắng trọng lực của giọt lỏng đường kính $d = 0,3\text{ mm}$: tính theo chuẩn số Reynolds $Re = 3,49$ nằm trong khoảng $0,2 < Re < 500$.
    • Đường kính buồng bốc tính toán chống cuốn giọt ($v_{hơi} \le 0,8 v_0$) cho ra $D_b = 2,69\text{ m}$, quy chuẩn chọn $D_b = 2700\text{ mm}$ ($2,7\text{ m}$).
    • Chiều cao buồng bốc: tính theo cường độ bốc hơi thể tích cho phép ($U_{tt} = 1600\text{ m}^3\text{/(m}^3\cdot\text{h)}$ ở áp suất khí quyển, hệ số hiệu chỉnh $f = 1,3$), chọn chiều cao buồng bốc $H_b = 2500\text{ mm}$ ($2,5\text{ m}$).
    • Nắp elip buồng bốc: Đường kính trong $2700\text{ mm}$, gờ cao $50\text{ mm}$, chiều cao nắp $2447\text{ mm}$, diện tích bề mặt $12,74\text{ m}^2$, thể tích $5,724\text{ m}^3$.
  • Đường kính các ống dẫn lưu chất:
Loại ống dẫn Vận tốc chọn (m/s) Đường kính tính (mm) Đường kính trong chọn (mm) Đường kính ngoài chọn (mm)
Ống dẫn hơi thứ 20 683,0 800 820
Ống dẫn hơi đốt 40 194,0 200 219
Ống xả nước ngưng 20 60,0 70 76
Ống xả khí không ngưng - 60,0 70 76
Ống nhập liệu 2 40,0 50 57
Ống tháo sản phẩm 1 36,3 32 38

4. Tính toán bền cơ khí

  • Vật liệu chế tạo: Thép không gỉ mác OX18H10T có bọc lớp cách nhiệt, bảo đảm độ bền cơ học và chống ăn mòn hóa học trong môi trường chế biến thực phẩm.
  • Tính bền buồng đốt (chịu áp lực trong):
    • Áp suất tính toán: $P_t = p_m + \rho g H = 0,152\text{ N/mm}^2$ (với áp suất dư hơi đốt bão hòa $1,5\text{ at}$).
    • Nhiệt độ tính toán: $t_{tt} = 126,07 + 20 = 146,07^\circ\text{C}$. Ứng suất cho phép của vật liệu $[\sigma] = 113,05\text{ N/mm}^2$, hệ số bền mối hàn $\varphi = 0,95$.
    • Chiều dày tối thiểu tính toán: $S' = 0,99\text{ mm}$. Quy định chiều dày tối thiểu theo đường kính là $S_{min} = 4\text{ mm}$.
    • Đại lượng bổ sung do ăn mòn và dung sai: $C = C_a + C_0 = 1 + 0,4 = 1,4\text{ mm}$.
    • Chiều dày thực tế buồng đốt được chọn: $S = 6\text{ mm}$. Áp suất tính toán cho phép của thân đạt $[P] = 0,76\text{ N/mm}^2 > P_t$, đảm bảo an toàn tuyệt đối. Đường kính ngoài buồng đốt là $D_n = 1412\text{ mm}$.
    • Kiểm tra lỗ khoét: Đường kính lỗ tối đa không cần hàn vành tăng cứng là $d_{max} = 322,4\text{ mm}$. Do các đường kính ống dẫn hơi đốt ($200\text{ mm}$), ống nước ngưng ($70\text{ mm}$), ống xả khí ($70\text{ mm}$) đều nhỏ hơn $d_{max}$ nên không cần thiết kế vành tăng cứng xung quanh các mối khoét.
  • Tính bền buồng bốc (chịu áp lực ngoài - chân không): Thân buồng bốc chịu áp suất ngoài tính toán $P_n = 0,177\text{ N/mm}^2$, nhiệt độ tính toán $85,95^\circ\text{C}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 118,75\text{ N/mm}^2$.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Báo cáo đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ thống cô đặc nước mía một nồi liên tục năng suất nhập liệu 8000 kg/h, đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác định đầy đủ các thông số cân bằng công nghệ: năng suất sản phẩm tháo liệu $3600\text{ kg/h}$ ($40%$ chất khô), lượng hơi bốc thoát $4400\text{ kg/h}$, lượng nhiệt năng tiêu thụ $3.282.500\text{ W}$, lượng hơi đốt bão hòa cần dùng $1,378\text{ kg/s}$ với suất tiêu hao riêng đạt $1,26\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
  • Thiết lập bộ thông số truyền nhiệt chính xác: tổng tổn thất nhiệt độ trong hệ thống là $3,789^\circ\text{C}$ (trong đó tổn thất do nồng độ $\Delta' = 1,029^\circ\text{C}$, cột thủy tĩnh $\Delta'' = 1,760^\circ\text{C}$, đường ống $\Delta''' = 1,0^\circ\text{C}$), hiệu số nhiệt độ hữu ích đạt $56,33^\circ\text{C}$, nhiệt tải riêng trung bình $45540,085\text{ W/m}^2$, diện tích bề mặt truyền nhiệt danh định chọn $80\text{ m}^2$.
  • Hoàn thiện kết cấu hình học và lựa chọn thiết bị: buồng đốt đường kính $1400\text{ mm}$ lắp 726 ống truyền nhiệt kích thước $25 \times 2\text{ mm}$ dài $1,5\text{ m}$ kết hợp một ống tuần hoàn trung tâm đường kính $400\text{ mm}$; buồng bốc đường kính $2700\text{ mm}$ cao $2,5\text{ m}$ bảo đảm không gian tách giọt lỏng; thân thiết bị làm bằng thép không gỉ OX18H10T có chiều dày vỏ buồng đốt $6\text{ mm}$.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã hiện thực hóa việc ứng dụng các nguyên lý Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất vào thiết kế cụ thể một hệ thống cô đặc chân không cho công nghiệp mía đường. Tác giả tự nêu việc lựa chọn dạng thiết bị buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc ở điều kiện áp suất chân không đã giúp giữ trọn vẹn phẩm chất của đường saccaroze (màu sắc, độ tinh khiết và hạn chế caramen hóa do nhiệt độ sôi thấp $66,98^\circ\text{C}$), tạo điều kiện cho quá trình vận hành liên tục và ổn định áp lực cấp liệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được nêu rõ trong văn bản bao gồm:

  • Thiết bị một nồi có hiệu quả sử dụng năng lượng nhiệt chưa tối ưu; suất tiêu hao hơi riêng còn cao ($1,26\text{ kg/kg}$) so với các hệ thống cô đặc nhiều nồi công nghiệp.
  • Ống tuần hoàn trung tâm đặt ngay bên trong buồng đốt nên vẫn chịu tác động gia nhiệt gián tiếp từ khối hơi đốt xung quanh, làm giảm một phần chênh lệch khối lượng riêng và hạn chế tốc độ tuần hoàn tự nhiên của dòng dung dịch.
  • Toàn bộ lượng hơi thứ bốc lên ở nhiệt độ thấp ($65,95^\circ\text{C}$) trong môi trường chân không chỉ được ngưng tụ thải bỏ tại thiết bị ngưng tụ baromet mà không thể tận dụng làm nguồn nhiệt thứ cấp cho các công đoạn công nghệ khác.
  • Hệ thống chân không đòi hỏi lắp đặt thiết bị ngưng tụ baromet ở độ cao lớn (chân cao) để xả nước ngưng tự nhiên, làm gia tăng chiều cao tổng thể của phân xưởng.

Hướng phát triển tiếp theo được định hướng:

  • Mở rộng tính toán thiết kế sang hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tục (hệ 2 nồi hoặc 3 nồi có sử dụng hơi thứ nối tầng) nhằm giảm thiểu chi phí hơi đốt tiêu tốn trên mỗi đơn vị thành phẩm.
  • Nghiên cứu phương án chuyển đổi sang buồng đốt ngoài hoặc kết hợp cơ cấu bơm tuần hoàn cưỡng bức nhằm nâng cao tốc độ chuyển động của dòng chất lỏng, tăng hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ và giảm thiểu đóng cặn bẩn khi cô đặc dung dịch đường lên nồng độ cao hơn.

Giá trị tham khảo

Bản báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên và kỹ sư các ngành:

  • Đối tượng phù hợp: Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo máy và Thiết bị Công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị", đồ án tốt nghiệp chuyên ngành thiết kế hệ thống thiết bị nhiệt - truyền khối.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình tính toán truyền nhiệt lặp từng bước để xác định chính xác nhiệt độ vách và nhiệt tải riêng ($q_1, q_2$) khi cô đặc chất lỏng thực phẩm.
    • Phương pháp tra cứu và ngoại suy các tính chất vật lý (độ nhớt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt) của dung dịch đường mía ở nồng độ cao và nhiệt độ thay đổi.
    • Phương pháp tính toán đường kính buồng bốc dựa trên vận tốc lắng trọng lực của giọt lỏng nhằm chống hiện tượng lôi cuốn bọt hơi.
    • Trình tự tính toán độ bền cơ khí vỏ thiết bị mỏng theo tiêu chuẩn thiết bị hóa chất, đặc biệt là công thức kiểm tra đường kính lỗ khoét cho phép không cần tăng cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và các thông số công nghệ đầu vào của hệ thống cô đặc được thiết kế là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $G_đ = 8000\text{ kg/h}$ nước mía ở nồng độ $18%$ khối lượng, cô đặc liên tục đến nồng độ sản phẩm đạt $40%$ khối lượng. Năng suất tháo sản phẩm đạt $3600\text{ kg/h}$ và lượng hơi thứ bốc lên là $4400\text{ kg/h}$. Nguồn nhiệt sử dụng là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối $2,5\text{ at}$ ($126,07^\circ\text{C}$), áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ là $0,74\text{ at}$ (tương ứng áp suất làm việc $0,26\text{ at}$).

2. Tổng tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc được xác định gồm những thành phần nào?

Tổng tổn thất nhiệt độ là $\Sigma\Delta = 3,789^\circ\text{C}$, bao gồm ba thành phần:

  • Tổn thất do nồng độ chất tan tăng cao: $\Delta' = 1,029^\circ\text{C}$ (tính theo công thức Tishenko tại nồng độ cuối $40%$).
  • Tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh của lớp chất lỏng sôi: $\Delta'' = 1,76^\circ\text{C}$ (tính với chiều cao ống truyền nhiệt $1,5\text{ m}$ và áp suất trung bình $0,2899\text{ at}$).
  • Tổn thất nhiệt trở thủy lực trên đường ống dẫn hơi thứ sang baromet: $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$.

3. Cấu tạo và kích thước hình học của buồng đốt và chùm ống truyền nhiệt được thiết kế ra sao?

Thân buồng đốt có đường kính trong $D_t = 1400\text{ mm}$, chiều cao $1500\text{ mm}$, bên dưới là đáy nón cụt cao $1269\text{ mm}$ thể tích $0,832\text{ m}^3$. Buồng đốt lắp đặt 726 ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ kích thước $\phi 25 \times 2\text{ mm}$ dài $1,5\text{ m}$ bố trí theo đỉnh tam giác đều với bước ống $40,6\text{ mm}$. Ở chính giữa buồng đốt bố trí một ống tuần hoàn trung tâm đường kính trong $400\text{ mm}$ để duy trì vòng tuần hoàn tự nhiên. Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế đạt $85,5\text{ m}^2$ (vượt diện tích danh định chọn chuẩn là $80\text{ m}^2$).

4. Tại sao đường kính buồng bốc ($2700\text{ mm}$) lại lớn hơn nhiều so với đường kính buồng đốt ($1400\text{ mm}$)?

Buồng bốc làm việc ở áp suất chân không $0,266\text{ at}$, nơi khối lượng riêng của hơi thứ rất bé ($\rho_h = 0,1649\text{ kg/m}^3$) làm lưu lượng thể tích hơi bốc lên rất lớn ($7,41\text{ m}^3\text{/s}$). Việc mở rộng đường kính buồng bốc lên $2700\text{ mm}$ nhằm hạ thấp vận tốc chuyển động của hơi thứ xuống mức nhỏ hơn $80%$ vận tốc lắng của các giọt lỏng đường kính $0,3\text{ mm}$ ($Re = 3,49$), ngăn chặn việc hơi thứ cuốn theo các giọt đường sang thiết bị ngưng tụ gây thất thoát sản phẩm.

5. Thân buồng đốt và các lỗ khoét được tính toán độ bền cơ khí như thế nào?

Thân buồng đốt được chế tạo bằng thép không gỉ OX18H10T chịu áp suất trong tính toán $P_t = 0,152\text{ N/mm}^2$ ở nhiệt độ tính toán $146,07^\circ\text{C}$. Chiều dày tính toán tối thiểu là $0,99\text{ mm}$, cộng thêm hệ số ăn mòn và dung sai gia công ($1,4\text{ mm}$), tác giả chọn chiều dày thực tế vỏ buồng đốt là $6\text{ mm}$ (áp suất làm việc cho phép $[P] = 0,76\text{ N/mm}^2$). Theo tiêu chuẩn tính bền, đường kính lỗ khoét tối đa không cần hàn vành tăng cứng là $d_{max} = 322,4\text{ mm}$, trong khi ống hơi đốt vào có đường kính $200\text{ mm}$, ống xả nước ngưng $70\text{ mm}$ và ống xả khí $70\text{ mm}$ đều nhỏ hơn $d_{max}$ nên không cần bổ sung kết cấu gia cường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Như Ngọc và Mai Thanh Phúc đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục năng suất nhập liệu 8000 kg/h tại Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM. Công trình giải quyết tuần tự và nhất quán các bài toán công nghệ từ cân bằng vật chất - năng lượng, tính toán truyền nhiệt, xác định kích thước hình học đến kiểm nghiệm độ bền cơ học cho hệ thống buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm. Toàn bộ các thông số kỹ thuật được trích xuất minh bạch từ các tiêu chuẩn thiết bị hóa chất và thực phẩm, tạo nên một hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong đào tạo chuyên ngành Quá trình và Thiết bị.