Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghệ thực phẩm và chế biến đường, cô đặc là một quá trình then chốt nhằm nâng cao nồng độ chất khô của dung dịch từ nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm bán thành phẩm hoặc thành phẩm phục vụ cho quá trình kết tinh, bảo quản và vận chuyển. Đường sucrose ($C_{12}H_{22}O_{11}$) là một disacarit được tạo thành từ $\alpha$-D-glucose và $\beta$-D-fructose, có khối lượng phân tử là 342,30. Tinh thể sucrose không màu, trong suốt, có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 186 – 188°C. Dung dịch sucrose rất nhạy cảm với tác động của nhiệt độ; nếu gia nhiệt kéo dài hoặc xử lý ở nhiệt độ cao, đường sẽ bị mất nước, phân hủy sinh hóa và chuyển hóa thành caramen, làm giảm chất lượng và màu sắc của sản phẩm. Do đó, yêu cầu kỹ thuật đặt ra là quá trình cô đặc phải được tiến hành ở nhiệt độ đủ thấp tương ứng với áp suất làm việc chân không.
Đồ án Kỹ thuật Thực phẩm (học phần Niên luận Kỹ thuật Thực phẩm - mã số NN164) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phan Trí Nguyên (MSSV: B1800339) và Trần Thị Huyền Trân (MSSV: B1800403), thuộc Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp & Sinh học Ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Mười. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 22/10/2020 đến ngày 20/12/2020.
Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của đồ án được xác định theo các số liệu ban đầu như sau:
- Năng suất nhập liệu dung dịch đầu vào: $G = 1000\text{ kg/h}$ (1 tấn/h).
- Nồng độ chất khô của dung dịch đường sucrose ban đầu: $x_đ = 15%$ sucrose.
- Nồng độ chất khô của dung dịch đường sucrose thành phẩm sau cô đặc: $x_c = 65%$ sucrose.
- Trạng thái nhập liệu: Dung dịch được đưa vào ở nhiệt độ sôi ($T_đ = 86^\circ\text{C}$).
- Lựa chọn sơ đồ công nghệ và loại thiết bị: Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều liên tục, sử dụng thiết bị cô đặc kiểu buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm.
- Kết quả thu nhận yêu cầu: Hoàn thành bản thuyết minh tính toán chi tiết thiết bị chính, thiết bị phụ, tính toán cơ khí chiều dày và phụ kiện, cùng bản vẽ thiết bị chính khổ A1 và file tổng hợp.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống công nghệ và thiết bị cô đặc dung dịch đường sucrose 2 nồi xuôi chiều. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán nhiệt - động lực học, cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, xác định kích thước hình học thiết bị chính, thiết bị ngưng tụ Baromet phụ trợ và kiểm tra bền cơ khí các chi tiết chịu áp lực chế tạo từ thép CT3.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình áp dụng
Đồ án xây dựng dựa trên lý thuyết truyền nhiệt và bốc hơi trong kỹ thuật thực phẩm:
- Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Dung dịch và hơi đốt đi cùng chiều từ nồi trước sang nồi sau. Hơi thứ sinh ra từ buồng bốc của nồi 1 được tận dụng làm hơi đốt cho buồng đốt của nồi 2, giúp tiết kiệm triệt để năng lượng nhiệt. Áp suất và nhiệt độ sôi giảm dần từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ độ chân không tạo ra bởi thiết bị ngưng tụ Baromet ở cuối hệ thống.
- Nguyên lý tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị ống tuần hoàn trung tâm: Dung dịch nằm trong các ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm, chuyển động hướng lên miệng ống. Tại ống tuần hoàn trung tâm, do thể tích dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn nên lượng hơi sinh ra ít hơn, khối lượng riêng lớn hơn, tạo lực đẩy dung dịch đi xuống dưới đáy. Sự chênh lệch khối lượng riêng tạo nên vòng tuần hoàn tự nhiên liên tục, làm tăng hệ số cấp nhiệt và giảm hiện tượng bám cặn cục bộ trên bề mặt trao đổi nhiệt.
- Mô hình tính toán tổn thất nhiệt độ:
- Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ($\Delta'$): Tính theo công thức gần đúng của Tisencô: $\Delta' = \Delta_0' \cdot f \cdot \frac{T_m^2}{r}$, hiệu chỉnh từ tổn thất ở áp suất khí quyển $\Delta_0'$.
- Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ($\Delta''$): Xác định dựa trên áp suất trung bình tại giữa chiều dài ống truyền nhiệt $P_{tb} = P' + \Delta P$.
- Tổn thất nhiệt độ do trở lực ma sát trên đường ống dẫn hơi ($\Delta'''$): Quy chuẩn chọn $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$ cho mỗi đoạn ống dẫn.
- Lý thuyết truyền nhiệt qua thành ống: Mô hình nhiệt tải riêng qua thành kim loại có cặn bẩn dựa trên các hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ ($\alpha_1$), nhiệt trở dẫn nhiệt qua thành ống và lớp cặn bẩn ($\Sigma r$), và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi ($\alpha_2$).
- Lý thuyết tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Xác định chiều dày thân trụ, đáy elip và nắp elip làm việc dưới điều kiện chịu áp suất trong (nồi 1) và chịu áp suất ngoài / chân không (nồi 2 và buồng bốc), kiểm tra ứng suất theo giới hạn bền và áp suất thử thủy lực theo tiêu chuẩn Sổ tay Thiết bị Hóa chất.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp cân bằng vật chất: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng tổng thể và bảo toàn khối lượng cấu tử chất khô để xác định lượng hơi thứ bốc lên ($W$) và lượng sản phẩm ra ($P$).
- Phương pháp cân bằng năng lượng và lặp hội tụ: Lập phương trình cân bằng entanpi cho từng nồi cô đặc, phân bố hiệu số áp suất và lượng hơi thứ giả thiết ban đầu, sau đó kiểm tra lại sai số giữa tính toán thực tế và giả thiết với ngưỡng chấp nhận sai số nhỏ hơn $5%$.
- Phương pháp thiết kế cơ khí và tra cứu tiêu chuẩn: Xác định kích thước tiêu chuẩn của ống truyền nhiệt, đường kính thiết bị, ống tuần hoàn, tấm ngăn tháp Baromet và chiều dày vỏ thiết bị dựa trên các công thức chuẩn hóa.
Nguồn dữ liệu tra cứu
Dữ liệu tính toán nhiệt động và cơ khí trong đồ án được trích xuất từ các tài liệu kinh điển:
- Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (ký hiệu $[AI]$ và $[AII]$).
- Sổ tay Thiết kế Thiết bị Hóa chất và Chế biến Thực phẩm Đa dụng (ký hiệu $[B]$).
- Cơ sở dữ liệu trực tuyến về thông số nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của dung dịch thực phẩm (hệ thống dữ liệu kỹ thuật R. Paul Singh).
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Tổng quan về đường sucrose và lý thuyết cô đặc
Chương này tổng kết các đặc tính vật lý và hóa lý của dung dịch đường sucrose, nhấn mạnh vào độ nhớt biến thiên theo chiều tăng của nồng độ và giảm theo chiều tăng của nhiệt độ. Tác giả phân tích các hệ thống cô đặc công nghiệp và phân loại thành 3 nhóm cấu tạo chính:
- Nhóm đối lưu tự nhiên (buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn trong/ngoài).
- Nhóm đối lưu cưỡng bức (sử dụng bơm tuần hoàn).
- Nhóm chảy màng mỏng (màng chảy ngược hoặc chảy xuôi).
Từ yêu cầu công nghệ của dung dịch sucrose, đồ án đi vào phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành, ưu điểm (kết cấu đơn giản, hệ số truyền nhiệt $K$ lớn, ít bám cặn, tiết kiệm năng lượng) và nhược điểm (tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian do ống tuần hoàn trung tâm cũng bị gia nhiệt) của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.
Phần 2: Thiết bị chính
Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán công nghệ cho 2 nồi cô đặc:
- Cân bằng vật liệu:
- Lượng sản phẩm cuối thu được: $P = 230,8\text{ kg/h}$.
- Tổng lượng hơi thứ bốc lên: $W = 769,2\text{ kg/h}$.
- Phân bố giả thiết ban đầu: $W_1 = W_2 = 384,6\text{ kg/h}$.
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: $x_1 = 24,37%$, nồng độ trung bình $x_{tb1} = 19,685%$.
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2: $x_2 = 65%$, nồng độ trung bình $x_{tb2} = 44,685%$.
- Cân bằng nhiệt lượng và phân bố nhiệt độ:
- Chọn áp suất hơi đốt nồi 1: $P_{hđ1} = 1,232\text{ at}$ ($T_{hđ1} = 105^\circ\text{C}$).
- Thiết bị ngưng tụ làm việc ở $P_{ng} = 0,1605\text{ at}$ ($T_{ng} = 55^\circ\text{C}$).
- Hiệu số áp suất toàn hệ thống: $\Delta P = 1,0715\text{ at}$, phân bố $\Delta P_1 = 0,683\text{ at}$ và $\Delta P_2 = 0,389\text{ at}$.
- Thông số hơi đốt nồi 2: $P_{hđ2} = 0,549\text{ at}$ ($T_{hđ2} = 82,08^\circ\text{C}$).
- Hơi thứ nồi 1: $P_{ht1} = 0,549\text{ at}$ ($T_{ht1} = 83,08^\circ\text{C}$); Hơi thứ nồi 2: $P_{ht2} = 0,1605\text{ at}$ ($T_{ht2} = 56^\circ\text{C}$).
- Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\Sigma\Delta = 12,981^\circ\text{C}$ (gồm tổn thất do nồng độ $\Sigma\Delta' = 2,461^\circ\text{C}$, tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\Sigma\Delta'' = 8,52^\circ\text{C}$, tổn thất đường ống $\Sigma\Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
- Nhiệt độ sôi thực tế: $T_{s1} = 86^\circ\text{C}$; $T_{s2} = 64,1^\circ\text{C}$.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi1} = 19^\circ\text{C}$; $\Delta t_{hi2} = 18^\circ\text{C}$; tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Sigma\Delta t_{hi} = 37^\circ\text{C}$.
- Cân bằng năng lượng và kiểm tra sai số:
- Nhiệt dung riêng dung dịch: $C_đ = 4120\text{ J/kg.độ}$, $C_1 = 3830\text{ J/kg.độ}$, $C_2 = 3250\text{ J/kg.độ}$.
- Lượng hơi đốt tiêu tốn chung: $D = 601,9\text{ kg/h}$.
- Lượng hơi thứ tính toán thực tế: $W_1 = 393,7\text{ kg/h}$ (sai số so với giả thiết là $2,311% < 5%$), $W_2 = 375,5\text{ kg/h}$ (sai số $2,366% < 5%$).
- Tính toán bề mặt truyền nhiệt và kích thước thiết bị:
- Nhiệt tải buồng đốt: $Q_1 = 375.823,47\text{ W}$, $Q_2 = 251.835,75\text{ W}$.
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng: $\alpha_{1-1} = 12.840,1\text{ W/m}^2\text{.độ}$, $\alpha_{1-2} = 12.070,4\text{ W/m}^2\text{.độ}$.
- Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_{2-1} = 1.765,85\text{ W/m}^2\text{.độ}$, $\alpha_{2-2} = 1.037,43\text{ W/m}^2\text{.độ}$.
- Hệ số truyền nhiệt: $K_1 = 766,18\text{ W/m}^2\text{.độ}$, $K_2 = 585,56\text{ W/m}^2\text{.độ}$.
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán thiết kế cho mỗi nồi: $F = 27,354\text{ m}^2$.
| Thông số thiết bị chính |
Nồi 1 |
Nồi 2 |
| Áp suất hơi đốt ($P_{hđ}$) |
$1,232\text{ at}$ |
$0,549\text{ at}$ |
| Nhiệt độ hơi đốt ($T_{hđ}$) |
$105^\circ\text{C}$ |
$82,08^\circ\text{C}$ |
| Áp suất hơi thứ ($P_{ht}$) |
$0,549\text{ at}$ |
$0,1605\text{ at}$ |
| Nhiệt độ hơi thứ ($T_{ht}$) |
$83,08^\circ\text{C}$ |
$56^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ sôi của dung dịch ($T_s$) |
$86^\circ\text{C}$ |
$64,1^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt lượng cung cấp ($Q$) |
$375.823,47\text{ W}$ |
$251.835,75\text{ W}$ |
| Lượng hơi thứ bốc lên ($W$) |
$393,7\text{ kg/h}$ |
$375,5\text{ kg/h}$ |
| Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ($\alpha_1$) |
$12.840,1\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
$12.070,4\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
| Hệ số cấp nhiệt dung dịch ($\alpha_2$) |
$1.765,85\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
$1.037,43\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
| Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) |
$766,18\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
$585,56\text{ W/m}^2\text{.độ}$ |
| Bề mặt truyền nhiệt danh định ($F$) |
$27,354\text{ m}^2$ |
$27,354\text{ m}^2$ |
| Số ống truyền nhiệt bố trí ($n$) |
$91\text{ ống}$ |
$91\text{ ống}$ |
| Số ống thực tế sau trừ ống tuần hoàn ($n'$) |
$84\text{ ống}$ |
$84\text{ ống}$ |
| Kích thước ống truyền nhiệt ($d_{ng} \times \delta \times l$) |
$101,6 \times 2,108 \times 1000\text{ mm}$ |
$101,6 \times 2,108 \times 1000\text{ mm}$ |
| Đường kính ống tuần hoàn trung tâm ($D_{th}$) |
$400\text{ mm}$ |
$400\text{ mm}$ |
| Đường kính trong buồng đốt ($D_{bđ}$) |
$1600\text{ mm}$ |
$1600\text{ mm}$ |
| Đường kính trong buồng bốc ($D_{bb}$) |
$1800\text{ mm}$ |
$1800\text{ mm}$ |
| Chiều cao buồng bốc ($H_{bb}$) |
$1800\text{ mm}$ |
$1800\text{ mm}$ |
Phần 3: Tính toán thiết bị phụ - Thiết bị ngưng tụ Baromet
Phần này tính toán thiết bị ngưng tụ trực tiếp kiểu Baromet ngược chiều dạng tấm ngăn đục lỗ nhằm ngưng tụ lượng hơi thứ $W_2 = 375,5\text{ kg/h}$ ($0,1044\text{ kg/s}$) thoát ra từ nồi 2:
- Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ (nhiệt độ vào $t_{2đ} = 28^\circ\text{C}$, ra $t_{2c} = 40^\circ\text{C}$): $G_n = 5,045\text{ kg/s}$.
- Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ: Tính toán đạt $0,22\text{ m}$, quy chuẩn chọn đường kính tiêu chuẩn $D_{ba} = 500\text{ mm}$ ($0,5\text{ m}$).
- Kết cấu tấm ngăn hình viên phân: Chiều rộng tấm ngăn $b = 300\text{ mm}$, chiều dày tấm $\delta = 4\text{ mm}$, đục lỗ đường kính $d = 5\text{ mm}$, bước lỗ $t = 0,75\text{ mm}$, tổng diện tích bề mặt các lỗ $f = 0,00818\text{ m}^2$. Thiết bị có tổng cộng 6 ngăn (3 bậc), khoảng cách giữa các ngăn là $300\text{ mm}$.
- Kích thước phủ bì hệ thống ngưng tụ: Chiều cao tháp ngưng tụ $H = 4300\text{ mm}$, bề rộng hệ thống $T = 1300\text{ mm}$; thiết bị thu hồi bọt đi kèm có đường kính $D_1 = 400\text{ mm}$ và chiều cao $h = 1440\text{ mm}$.
- Kích thước ống Baromet: Đường kính chuẩn $d = 135,762\text{ mm}$, chiều dày $2,769\text{ mm}$. Chiều cao tính toán lý thuyết $H = 8,704\text{ m}$, để đảm bảo an toàn chống dâng nước ngược vào buồng bốc khi độ chân không tăng cực đại, chọn chiều cao thực tế của ống Baromet là $H_{ba} = 11\text{ m}$.
Phần 4: Tính toán cơ khí và xác định chiều dày thiết bị
Toàn bộ vỏ thiết bị, buồng đốt, buồng bốc, đáy và nắp được thiết kế chế tạo từ thép CT3 với ứng suất cho phép $[\sigma_k] = 97,714 \times 10^6\text{ N/m}^2$, hệ số mối hàn $\varphi = 0,95$, hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai $C = 1,6\text{ mm}$:
- Thân buồng đốt nồi 1: Làm việc chịu áp suất trong $P = 130.224,71\text{ N/m}^2$ (gồm áp suất hơi $P_{mt} = 120.859,2\text{ N/m}^2$ và áp suất thủy tĩnh $P_1 = 9.365,51\text{ N/m}^2$). Chiều dày tính toán và quy chuẩn chọn $S = 3\text{ mm}$.
- Đáy elip có gờ buồng đốt nồi 1: Chịu áp suất trong, chiều cao phần lồi $h_b = 0,4\text{ m}$, đường kính cửa xả $d = 0,15\text{ m}$. Chiều dày quy chuẩn chọn $S = 5\text{ mm}$.
- Thân buồng bốc: Làm việc chịu áp suất ngoài (chân không) $P_n = 44.243,1\text{ N/m}^2$. Chiều dày quy chuẩn chọn $S = 5\text{ mm}$.
- Nắp elip có gờ buồng bốc: Chịu áp suất ngoài, đường kính lỗ thông hơi $d = 0,6\text{ m}$, chiều cao phần lồi $h_b = 0,45\text{ m}$. Chiều dày quy chuẩn chọn $S = 5\text{ mm}$.
- Thân buồng đốt nồi 2: Làm việc chịu áp suất ngoài kết hợp thủy tĩnh ($P_{mt} = 53.856,9\text{ N/m}^2$, $P_1 = 9.518,64\text{ N/m}^2$, $P_n = 34.724,46\text{ N/m}^2$), chiều dày được chọn đảm bảo điều kiện ổn định vỏ mỏng.
Thiết kế và triển khai
Cấu trúc công nghệ hệ thống
Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều vận hành liên tục với các dòng chuyển dịch vật chất và năng lượng được thiết lập đồng bộ:
- Dòng dung dịch: Dung dịch đường sucrose nồng độ $15%$ ở nhiệt độ sôi ($86^\circ\text{C}$) được nạp liên tục vào đáy nồi 1 với lưu lượng $1000\text{ kg/h}$. Tại nồi 1, dung dịch bốc hơi một phần nước, đạt nồng độ trung gian $24,37%$ với khối lượng $615,4\text{ kg/h}$, sau đó tự chảy sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất chân không giữa hai nồi. Tại nồi 2, dung dịch tiếp tục được cô đặc đến nồng độ cuối cùng $65%$ và được tháo ra liên tục ở đáy với lưu lượng $230,8\text{ kg/h}$.
- Dòng hơi và ngưng tụ: Hơi đốt sơ cấp (hơi nước bão hòa $105^\circ\text{C}$, $1,232\text{ at}$) được cấp vào khoảng ngoài ống truyền nhiệt của buồng đốt nồi 1 với lưu lượng $601,9\text{ kg/h}$. Toàn bộ hơi thứ sinh ra từ buồng bốc nồi 1 ($393,7\text{ kg/h}$, $83,08^\circ\text{C}$) được dẫn sang làm hơi đốt cho buồng đốt nồi 2. Hơi thứ thoát ra từ buồng bốc nồi 2 ($375,5\text{ kg/h}$, $56^\circ\text{C}$) đi vào tháp ngưng tụ Baromet để ngưng tụ hoàn toàn bằng dòng nước lạnh tưới ngược chiều ($5,045\text{ kg/s}$, $28^\circ\text{C} \to 40^\circ\text{C}$). Khí không ngưng được hút ra khỏi tháp qua thiết bị thu hồi bọt.
Kiểm tra điều kiện kỹ thuật và dung sai
Các bước lặp tính toán kỹ thuật đều được kiểm định nghiêm ngặt qua các chuẩn dung sai kỹ thuật:
- Sai số phân bố lượng hơi thứ: Lượng hơi thứ tính toán thực tế tại nồi 1 ($393,7\text{ kg/h}$) và nồi 2 ($375,5\text{ kg/h}$) có sai số lần lượt là $2,311%$ và $2,366%$ so với giả thiết ban đầu ($384,6\text{ kg/h}$), đều thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn $5%$.
- Sai số hiệu số nhiệt độ hữu ích: Hiệu số nhiệt độ hữu ích tính toán so với phân bố lý thuyết đạt sai số $3,76%$ (nồi 1) và $4,13%$ (nồi 2), nhỏ hơn ngưỡng giới hạn $5%$, đảm bảo diện tích truyền nhiệt của 2 nồi bằng nhau ($F = 27,354\text{ m}^2$).
- Bề mặt truyền nhiệt thực tế: Sau khi lắp đặt ống tuần hoàn trung tâm đường kính $400\text{ mm}$ (thay thế 7 ống truyền nhiệt danh nghĩa, còn lại 84 ống), bề mặt truyền nhiệt thực tế đạt $F_{tt} = 28,054\text{ m}^2$, lớn hơn bề mặt tính toán lý thuyết và nằm trong phạm vi dự phòng an toàn ($<5%$).
- Kiểm tra bền và áp suất thử thủy lực: Ứng suất thực tế của thân buồng đốt và đáy nắp elip dưới áp suất thử thủy lực ($P_0 = 190.654,51\text{ N/m}^2$) đều nhỏ hơn ứng suất chảy cho phép của thép CT3 ($[\sigma_c] = 110 \times 10^6\text{ N/m}^2$), xác nhận kết cấu cơ khí đạt độ an toàn chịu lực.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán chính
Đồ án đã xác lập một bộ thông số kỹ thuật hoàn chỉnh và đồng bộ cho toàn bộ hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose:
- Giải quyết bài toán cân bằng vật chất: Tách thành công $769,2\text{ kg/h}$ nước từ $1000\text{ kg/h}$ nguyên liệu $15%$ để thu về $230,8\text{ kg/h}$ dung dịch đường đậm đặc $65%$.
- Tiêu hao hơi đốt kinh tế: Tiêu tốn $601,9\text{ kg/h}$ hơi đốt bão hòa ban đầu để bốc hơi $769,2\text{ kg/h}$ hơi thứ toàn hệ thống (tỷ lệ bốc hơi xấp xỉ $1,28\text{ kg hơi thứ / kg hơi đốt}$).
- Hoàn thiện kích thước hình học thiết bị chính: Buồng đốt đường kính trong $1600\text{ mm}$, buồng bốc đường kính trong $1800\text{ mm}$, chiều cao buồng bốc $1800\text{ mm}$, chùm 84 ống truyền nhiệt $\phi 101,6 \times 2,108\text{ mm}$ dài $1\text{ m}$ kết hợp ống tuần hoàn trung tâm $\phi 400\text{ mm}$.
- Hoàn thiện kích thước thiết bị phụ: Thiết bị ngưng tụ Baromet đường kính $500\text{ mm}$, cao $4300\text{ mm}$, 6 tấm ngăn hình viên phân đục lỗ $5\text{ mm}$ và ống Baromet chiều cao an toàn $11\text{ m}$, đường kính $135,762\text{ mm}$.
- Đưa ra phương án kết cấu cơ khí hoàn chỉnh: Chiều dày thân buồng đốt $3\text{ mm}$, chiều dày đáy buồng đốt, thân buồng bốc và nắp buồng bốc đều là $5\text{ mm}$, chế tạo bằng thép CT3.
Đóng góp học thuật và kỹ thuật
- Cung cấp phương pháp luận và trình tự tính toán thiết kế chi tiết, từng bước từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến truyền nhiệt và tính bền cơ khí cho hệ cô đặc nhiều nồi xuôi chiều.
- Cụ thể hóa các hệ số nhiệt động và tính chất hóa lý đặc thù của dung dịch đường sucrose theo hàm nhiệt độ và nồng độ (nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất điểm sôi Tisencô).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận từ phạm vi tính toán
- Các tính toán nhiệt lượng được thực hiện dựa trên các giả thiết đơn giản hóa: Bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, bỏ qua nhiệt cô đặc (nhiệt khử nước của dung dịch sucrose) và không xét đến việc trích ly hơi phụ cho các mục đích gia nhiệt ngoài.
- Cường độ bốc hơi thể tích cho phép của không gian hơi ($U_{tt}$) được chọn ở giá trị định mức chuẩn áp suất thường ($1600\text{ m}^3/\text{m}^3\text{.h}$) do thiếu số liệu thực nghiệm hiệu chỉnh chính xác ở điều kiện áp suất chân không sâu dưới $1\text{ atm}$.
- Thiết kế dừng lại ở tính toán công nghệ tĩnh và cơ khí tĩnh, chưa mô phỏng động học quá trình phân bố vận tốc tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong các ống truyền nhiệt bằng các công cụ động lực học dòng chảy (CFD).
Hướng mở rộng
- Tính toán bổ sung hệ thống gia nhiệt sơ bộ nhập liệu tận dụng nhiệt thừa từ dòng nước ngưng tụ và hơi thứ để nâng cao hiệu quả nhiệt của nhà máy.
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống đo lường và điều khiển tự động (tự động điều chỉnh van cấp hơi đốt, mức dung dịch trong buồng bốc và nồng độ sản phẩm đầu ra qua cảm biến tỷ trọng / khúc xạ kế).
- Đánh giá thực nghiệm tốc độ bám cặn caramen hóa trên bề mặt truyền nhiệt theo chu kỳ làm việc để xác định lịch trình vệ sinh thiết bị (CIP) tối ưu.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này là một nguồn tham khảo trực tiếp và hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Quá trình & Thiết bị: Sử dụng làm tài liệu mẫu về phương pháp tính toán, lập bảng số liệu, tra cứu thông số nhiệt động và trình bày đồ án môn học Quá trình & Thiết bị Kỹ thuật Thực phẩm, đồ án Kỹ thuật Hóa học hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành chế biến đường và nông sản.
- Kỹ sư thiết kế và cán bộ kỹ thuật: Tham khảo các công thức thiết kế cơ khí (thân trụ, đáy nắp elip chịu áp suất trong và ngoài), xác định kích thước thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều và ống thoát nước chân không trong các hệ thống chế biến nhiệt thực phẩm.
- Các phần nội dung đáng chú ý nhất để tra cứu: Trình tự kiểm tra sai số lặp phân bố hơi thứ và hiệu số nhiệt độ hữu ích (Phần 2); các bảng tính toán chi tiết hệ số cấp nhiệt $\alpha_1, \alpha_2$ cho dung dịch nhớt (Bảng 8, 9, 10); và quy trình tính toán kích thước tấm ngăn đục lỗ cùng ống Baromet (Phần 3).
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất và nồng độ làm việc của hệ thống cô đặc được thiết kế là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $1000\text{ kg/h}$ (1 tấn/h) dung dịch đường sucrose ở nồng độ ban đầu $15%$. Sau khi qua 2 nồi cô đặc xuôi chiều, tổng lượng nước bốc hơi là $769,2\text{ kg/h}$, thu được $230,8\text{ kg/h}$ dung dịch đường thành phẩm đạt nồng độ $65%$.
2. Tổng lượng hơi đốt sơ cấp cần cung cấp cho hệ thống là bao nhiêu và lượng hơi thứ sinh ra ở mỗi nồi như thế nào?
Tổng lượng hơi đốt bão hòa ($105^\circ\text{C}$, $1,232\text{ at}$) cấp vào nồi 1 là $D = 601,9\text{ kg/h}$. Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1 là $W_1 = 393,7\text{ kg/h}$ (được đưa sang làm hơi đốt cho nồi 2) và lượng hơi thứ thoát ra từ nồi 2 là $W_2 = 375,5\text{ kg/h}$.
3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là bao nhiêu và bao gồm những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\Sigma\Delta = 12,981^\circ\text{C}$, bao gồm:
- Tổn thất do nồng độ tăng cao (theo Tisencô): $\Sigma\Delta' = 2,461^\circ\text{C}$ ($\Delta'_1 = 0,393^\circ\text{C}$, $\Delta'_2 = 2,068^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh tăng cao: $\Sigma\Delta'' = 8,52^\circ\text{C}$ ($\Delta''_1 = 2,52^\circ\text{C}$, $\Delta''_2 = 6,00^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do trở lực ma sát trên đường ống dẫn hơi: $\Sigma\Delta''' = 2^\circ\text{C}$ ($\Delta'''_1 = 1^\circ\text{C}$, $\Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$).
4. Kết cấu chùm ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm của mỗi nồi cô đặc được quy định ra sao?
Mỗi nồi cô đặc sử dụng ống truyền nhiệt bằng thép CT3 có đường kính ngoài $101,6\text{ mm}$, chiều dày $2,108\text{ mm}$, chiều dài $1\text{ m}$. Bố trí 91 ống theo hình lục giác đều; vị trí trung tâm lắp đặt 1 ống tuần hoàn đường kính $400\text{ mm}$ (thay thế 7 ống truyền nhiệt danh nghĩa), do đó số ống truyền nhiệt thực tế còn lại là 84 ống, đảm bảo tổng bề mặt truyền nhiệt thực tế đạt $28,054\text{ m}^2$.
5. Chiều cao của ống Baromet được lựa chọn là bao nhiêu và vì sao?
Chiều cao tính toán lý thuyết của ống Baromet để cân bằng áp suất chân không và khắc phục trở lực dòng chảy là $8,704\text{ m}$. Tuy nhiên, thiết kế thực tế lựa chọn chiều cao ống Baromet là $H_{ba} = 11\text{ m}$ nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối, ngăn ngừa nước làm nguội từ tháp ngưng tụ dâng ngược lên và tràn vào đường ống dẫn hơi thứ sang buồng bốc khi độ chân không trong hệ thống tăng cao đột ngột (kể cả khi mực nước dâng đạt mức giới hạn khí quyển $10,33\text{ m}$).
Kết luận
Đồ án "Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose" đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật một dây chuyền cô đặc năng suất 1 tấn/h từ nồng độ $15%$ lên $65%$. Bằng phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng lặp hội tụ và kiểm tra bền cơ khí theo tiêu chuẩn ngành, nhóm tác giả đã xác định chính xác các thông số kích thước của thiết bị chính ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều và lựa chọn vật liệu thép CT3 phù hợp. Công trình là một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, cấu trúc chuẩn mực và cung cấp đầy đủ căn cứ thực tiễn cho việc học tập, nghiên cứu và triển khai thiết kế thiết bị truyền nhiệt trong công nghệ thực phẩm.
