Đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam

1 1052.2 9 Rót chai, đóng nắp, thanh trùng, bảo quản 1.0% 1052.2 1041.7 12 Bảo quản 0.0% 1041.7 1041.7 13 Thành phẩm 1041.7 PHẦN 3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ KẾT TINH I. CÁC THÔNG SỐ CẦN TÍNH I.1. Nhiệt dung riêng của dịch ép Nhiệt dung riêng của nước cam ép theo nhiệt độ được tính gần đúng theo công thức : ([3], I.50, 153) c = 4190 – (2514 – 7,542t)x , J/kg.độ Trong đó : c : nhiệt dung riêng của dung dịch nước đường, J/kg.độ t : nhiệt độ dung dịch, oC. x : nồng độ của dung dịch, phần khối lượng. Sự thay đổi của nhiệt dung riêng trong quá trình cô đặc : (1) (2) (3) (4) (5) I.2. Độ nhớt động lực của dịch ép Độ nhớt của dung dịch nước ép lấy gần đúng theo dung dịch đường mía theo [3,I.112,114) I.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và tinh thể nước đá Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức : [3,I.32,123] = ( ) Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dịch ép, J/kg.độ; r – khối lượng riêng của dịch ép, kg/m3; M – khối lượng mol hỗn hợp. Với dung dịch đang ép thuộc loại chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10-8. Hệ số dẫn nhiệt của tinh thể nước đá : [3, I.128, 132] lđá1 (-2oC) = 2,532 W/mK lđá2 (-5oC) = 2,566 W/mK I.4. Nhiệt kết tinh của nước đá Nhiệt kết tinh trung bình của nước (ở 0oC) là 1434,6 cal/mol = 333608,3 J/kg ([10],23) Bảng 7 - Tổng kết các thông số nhiệt lý của dịch ép và nước đá Quá trình x t r kg/m3 cdd J/kg.độ cđá J/kg.độ m, Pa.s ldd, W/mK lđá, W/mK (1) Nhập liệu 0.10 30 1037 3961.23 - 1.792E-03 0.3415 - (2) Làm lạnh 0.10 3 1037 3940.86 - 1.792E-03 0.3398 - (3) Bắt đầu kết tinh 0.10 -1 1037 3937.85 - 1.792E-03 0.3395 - (4) Kết thúc KT1 0.20 -2 1089 3684.18 2090.3 3.804E-03 0.3390 2.532 (5) Kết thúc KT2 0.30 -5 1142 3424.49 2090.3 9.287E-03 0.3358 2.566 II. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Nhiệt lượng Q (tính trên 1 kg dịch ép ban đầu) cần cung cấp cho toàn quá trình cô đặc kết tinh bao gồm (lượng nhiệt này được cung cấp cho tác nhân lạnh) Qo : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh sơ bộ dịch ép ban đầu từ 30oC → 3oC; Q1 : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dịch ép từ 3oC → -1oC; Qkt : nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước; Qdd : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -1oC → -5oC; Qđá : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -1oC → -5oC. II.1. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dịch ép ban đầu Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : tđ = 30oC → t’đ = 3oC Khối lượng dịch ép : Gđ = 1kg/h Nhiệt dung trung bình L : cđ = (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05 J/kg.độ Lượng nhiệt cung cấp : Qo = Gđcđ(tđ – t’đ) = 1.3951,05.(30 - 3) = 106678.2 J/kg dịch đầu.h II.2. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dịch ép từ 3oC → -1oC Nhiệt dung trung bình của dịch ép : c1 = (3940.86 + 3939.36)/2 = 3939.36 J/kg/độ Lượng nhiệt cần cung cấp là : Q1 = Gđc1(t’đ – t1) = 15757.4 J/kg dịch đầu.h II.3. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình kết tinh nước Nhiệt kết tinh trung bình của nước là lkt = 333608,3 J/kg Khối lượng tinh thể tạo thành K = K1 + K2 = 0,5556 + 0,1558 = 0,7114 kg/kg dịch đầu.h Nhiệt lượng cung cấp Kết tinh 1 : Qkt1 = K1. lkt = 0,5556. 333608,3 = 185352.8 J/kg dịch đầu.h Kết tinh 2 : Qkt2 = K2. lkt = 0,1558. 333608,3 = 51976.2 J/kg dịch đầu.h => Qkt = Qkt1 + Qkt2 = 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dịch đầu.h II.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -1oC → -5oC Ta có : Qdd = Qdd1 + Qdd2 Trong đó : Qdd1 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M1 (từ -1oC → -2oC) Qdd2 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M2 (từ -2oC → -5oC) Khối lượng và nhiệt dung riêng của dịch cái M1 = 0,4444 kg/kg dịch đầu; cM1 = 3864,18 J/kg.độ M2 = 0,29 kg/kg dịch đầu; cM2 = 3424,49 J/kg.độ Nhiệt lượng cung cấp Qdd1 = M1cM1.(t1 – t2) = 0,4444.3864,18 = 1717,24 J/kg dịch đầu.h Qdd2 = M2c M2.(t3 – t2) = 0,29. 3424,49.3 = 2979.3 J/kg dịch đầu.h => Qdd = 1717,24 + 2979,3 = 4696,54 J/kg dịch đầu.h II.5. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh tinh thể đá từ -1oC → -5oC Qđá = Qđá 1 + Qđá 2 = K1cđá1.(t1 - t2) + K2cđá 2.(t2 – t3) Nhiệt dung riêng của nước đá lấy gần đúng là 2090,3 J/kg Nhiệt lượng cần là : Tại kết tinh 1 (từ -1oC → -2oC) : Qđá1 = 0,5556.2090,3.1 = 1161,4 kJ/kg dịch đầu.h Tại kết tinh 2 (từ -2oC → -5oC) : Qđá2 = 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg dịch đầu.h => Qđá = 2138,4 J/kg dịch đầu.h II.6. Tổng nhiệt lượng thực tế Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 1 : SQkt1 = 1,15 (Q1 + Qdd1 + Qkt1 + Qđá1) = 1,15 (15757,4 + 1717,24 + 185352,8 + 1161,4) = 234587,1 J/kg dịch đầu.h Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 2 : SQkt2 = 1,15 ( Qdd2 + Qkt2 + Qđá2) = 1,15 (2979,3 + 51976,2 + 977) = 64322,4 J/kg dịch đầu.h Vậy nhiệt cần cung cấp cho toàn quá trình là SQ = 1,15 Q = 1,15 (Qo + Q1 + Qdd + Qđá + Qkt) = 1,15.(106678,2 + 15757,4 + 4696,54 + 2138,4 +237329) = 421589,5 J/kg dịch đầu Bảng 8 – Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc Quá trình Nhiệt lượng riêng J/kg dịch đầu.h Nhiệt lượng tổng kJ/h Nhiệt lượng tổng kW 1. Làm lạnh sơ bộ 111527,2 410319,8 113,98 2. Kết tinh 1 234587,1 863069,5 239,74 3. Kết tinh 2 64322,4 236648,6 65,74 Tổng nhiệt lượng cần 421589,5 1.551.069,9 430,85 PHẦN 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ KẾT TINH VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA I. THIẾT BỊ KẾT TINH I.1. Giới thiệu Thiết bị cô đặc kết tinh là thiết bị thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy và nắp ellipse tiêu chuẩn. Tác nhân giải nhiệt để kết tinh dung môi được dùng là NH3. Vật liệu chế tạo thiết bị Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm, mã hiệu X18H10T. Vỏ làm bằng thép thường CT3 Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai phía. I.1.1. Thùng kết tinh 1 Các thông số kích thước, chọn : Đường kính trong : DT = 1200 mm Chiều cao thân : HT = 1800 mm Hệ số chứa đầy : b = 0.8 Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn : hgờ = 50 mm ; ht = 300 mm F = 1,75 m2 ; Vnắp, đáy = 0,283 m3 Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : bông thuỷ tinh Vỏ cách thân 50 mm Thời gian lưu : t = 4h Năng suất thể tích nhập liệu : Vđ = m3/h Tính kích thước thùng Thể tích thùng : Vthùng = Vthân + Vđáy + Vnắp = m3 Chiều cao toàn bộ thùng : Hthùng = HT + Hđáy + Hnắp = 1,8 + 0,35.2 = 2,5 m Thể tích dung dịch chứa : Vdd1 = 0,8.Vthùng = 2,08 m3 Chiều cao dung dịch chứa tính từ đáy : Hdd1 = Hdd(thân) + Hdd(đáy) = m Tính bề mặt truyền nhiệt Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bị được bao cao hơn chiều cao mực chất lỏng ở bên trong 150mm. Bề mặt truyền nhiệt : F = Fdd(thân) = pD(Hdd(thân) + 0,15) = 6,56 m2 Tính số thùng kết tinh 1 N1 = => Chọn số thùng N2 = 7 thùng I.2.2. Thùng kết tinh 2 Kích thước thùng kết tinh 2 Để đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt ta chọn các thông số kích thước của thùng 2 giống kích thước thùng 1 như sau : Thùng : DT = 1,2 m; Vthùng = 2,6 m3; Hthùng = 2,5 m; Thân : HT = 1,8 m Đáy, nắp : Vđáy = Vnắp = 0,283 m3; Fđáy = Fnắp = 1,75 m2 Thể tích và chiều cao dung dịch : Vdd2 = 2,6.0,8 = 2,08 m3; Hdd2 = Hdd1 = 1,939 m Bề mặt truyền nhiệt : F2 = pD(Hdd(thân) + 0,1) = 6,367 m2 Số thùng kết tinh 2 : N2 = = 2,83 3 thùng Trong đó : Vđ2 = m3/h t = 4h; Vdd2 = 2,08 m3 => Chọn số thùng kết tinh là 3 thùng I.2. Tính toán điều kiện bền I.2.1. Các thông số cần tra và chọn Aùp suất tính toán : Nếu xem áp suất thủy tĩnh là không đáng kể, bên trong thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2 Aùp suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10oC) tác động lên thân thiết bị là PN = PsôiNH3 = 2,9075 at = 0,29075 N/mm2 Aùp suất tác động lên thân thiết bị là P = PN – PT = 0,19075 N/mm2 => Thiết bị chịu áp suất ngoài Vậy áp suất tính toán cho thân thiết bị được chọn trên cơ sở điều kiện làm việc nguy hiểm nhất, đó là trường hợp khi ta tháo liệu mà chưa xả tác nhân ra hết lúc đó áp suất tác động lên thân thiết bị sẽ lớn nhất và bằng áp suất của tác nhân lạnh, nên PTT = PN = 0,29075 N/mm2. Nhiệt độ tính toán được lấy là nhiệt độ môi trường làm việc cộng với 20oC (thiết bị có bọc cách nhiệt). Nhưng trong điều kiện thiết bị làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọn luôn nhiệt độ tính toán là 20oC. Vật liệu chế tạo Thân bằng thép không gỉ X18H10T Vỏ làm bằng thép thường CT3 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : Hệ số hiệu chỉnh : h = 0,95 (thiết bị có bọc cách nhiệt) Ứng suất cho phép : Hệ số bền mối hàn : jh = 0,95 Mô đun đàn hồi : Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20oC) Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65 I.2.2. Tính bền cho thân thiết bị khi chịu áp suất ngoài Bề dày tối thiểu Trong đó : DT = 1200 mm - Đường kính trong của thiết bị; Pn = 0,29075 N/mm2 - Aùp suất ngoài tác dộng lên thân thiết bị; Et = 20,5.104 N/mm2 - Môđun đàn hồi; l’ = lthân + hđáy/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chieu dài tính toám cho thân. => mm Chọn hệ số bổ sung bề dày C Hệ số ăn mòn của tác nhân NH3 là Ca = 1 mm; Hệ số ăn mòn của dung dịch nước trái cây là Cb = 0,5 mm; Hệ số quy tròn Co = 0,682 mm; => C = 2,182 mm Bề dày thiết bị : S = 10 mm Kiểm tra bền (1) Kiểm tra điều kiện : (Thoả điều kiện) (2) So sánh : và => == 0,4658 < =1,5975 => Thoả điều kiện (2) (3) Kiểm tra => Thân đủ bền I.2.3. Tính ổn định cho đáy nắp Đáy chịu áp suất ngoài : Pn = PNH3 = 0,2907 N/mm2 Nắp chịu áp suất ngoài xấp xỉ với áp suất khí quyển vì vậy khi tính bền cho đáy, nếu đáy đủ bề thì nắp cũng đủ bền. Chọn bề dày tính toán cho nắp bằng với bề dày của thân thiết bị : S = 10 mm Tính bền cho đáy (1) So sánh : và Trong đó : Rt = Dt = 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn); Et = 20,5.104 N/mm2; N/mm2; x = 0,7 (vật liệu chế tạo làm bằng thép không gỉ); Khi đó : ==12 = => < và (2) Aùp suất cho phép : Trong đó : là ứng suất nén được xác định bởi công thức : Vì Nên ; kc = 0.065 (theo [11],140) => N/mm2 => b == => b = 1,995 Vậy = => Đáy đủ bền Tính tương tự cho nắp ta cũng được [Pn] = 0,7779 N/mm2 > 0,1 N/mm2 => Nắp cũng đủ bền I.2.4. Tính bề dày vỏ thiết bị Áp suất bên trong vỏ thiết bị P = P tác nhân = 0,29075 N/mm2 Vỏ thiết bị chịu áp suất trong (Xem như bề mặt cách nhiệt không tác dụng lên vỏ, phía ngoài vỏ chỉ chịu áp suất khí quyển). Aùp suất tính toán cho vỏ thiết bị : PTT = Pdư = Ptuyệt đối – Pa = 0.29075 – 0.1 = 0.19075 N/mm2 Nhiệt độ tính toán lấy bằng nhiệt độ tác nhân cộng thêm 20oC (có bọc cách nhiệt) => Ttt = 10oC Vỏ làm bằng thép thường CT3 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :; Hệ số hiệu chỉnh : h = 0,95 (thiết bị có bọc cách nhiệt); Ứng suất cho phép : ; Hệ số bền mối hàn : jh = 0,95 Tính bề dày vỏ: Xét: - Bề dày tối thiểu : - Khi 1000 Dt 2000 mm thì S’ = 4 mm. - Bề dày thực : S = S’ + Ca + Cb + Co Trong đó : Ca : hệ số ăn mòn của NH3. Chọn Ca = 0.5 mm Co : hệ số quy tròn kích thước. Chọn Co = 0.5 mm - Kiểm tra : - Áp suất cho phép: thỏa điều kiện bền => chọn bề dày vỏ là 5 mm. Để đơn giản trong việc thiết kế và gia công, ta chọn các thông số kích thước của 2 thùng kết tinh là như nhau : Bảng 9 – Tóm tắt các thông số tính toán cho các thùng kết tinh Thông số Đơn vị tính Thùng kết tinh 1 Thùng kết tinh 2 1. Kích thước Thân Chiều cao thiết bị m 2,5 2,5 Đường kính trong m 1,2 1,2 Thể tích thùng m3 2,6 2,6 Bề dày thân mm 10 10 Bề mặt truyền nhiệt m2 6,56 6,367 Bề dày đáy, nắp Mm 10 10 Vỏ Chiều cao vỏ m 2,089 2,089 Đường kính mm 1300 1300 Bề dày vỏ mm 5 5 Bề mặt truyền nhiệt m2 6,56 6,367 2. Số thùng Thùng 7 3 3. Điều kiện làm việc Nhiệt độ Tác nhân oC -10oC -15oC Dung dịch (trung bình) oC 3 -2 -2 -5 Aùp suất Phía thân (áp suất ngoài) N/mm2 0,29075 0,2362 Phía vỏ (áp suất trong) N/mm2 0,19078 0,1362 Nhiệt lượng toả ra mỗi thùng kJ/h 123295,6 78882 I.3. Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt là phần bề mặt của thành thiết mà tác nhân lạnh và dung dịch tiếp xúc. Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị kết tinh là : F = 7,737 m2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát : Với : : Hệ số toả nhiệt phía thân, W/m2.oC; : Hệ số toả nhiệt phía vỏ, W/m2.oC; thép :Hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị làm bằng thép không gỉ; W/m2.K; đá : Hệ số dẫn nhiệt của lớp đábám, W/m2.K; thép, đá : Bề dày của thành thiết bị; thép = 10 mm, đá = 0,5 mm. I.3.1. Sơ đồ tính toán Hình 5 – Sơ đồ khối tính toán bề mặt truyền nhiệt I.3.2. Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 1 I.3.2.1. Tính hệ số toả nhiệt phía thân a1 Đây là trường hợp cấp nhiệt khi khuấy chất lỏng bằng cánh khuấy, nên chuẩn số Nu có thể xác định theo công thức : ([6],1.99,35) Ở đây : Nu = ; ; ; Với : a1 : Hệ số toả nhiệt của dung dịch, W/m2.oC; DT : đường kính trong của thiết bị, m; DT = 1,2 m l : Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch; l = 0,339 Ns/m2; dk : Đường kính cánh khuấy kết hợp với dao cạo đá, m; chọn dk = 1,198 m; N : số vòng quay của cánh khuấy, vg/s; chọn N = 0,8 vg/s; m, mw : độ nhớt của dung dịch nhiệt độ trung bình và ở nhiệt độ thành; Khi đó : Re = 6108,78 Hệ số toả nhiệt a1 : I.3.2.2. Hệ số toả nhiệt phía vỏ Nhiệt của dung dịch sẽ được tải thông qua tác nhân lạnh NH3. Hệ số tỏa nhiệt của NH3 được xác định như sau : ([15],7.16,302) Trong đó : to : nhiệt độ sôi của tác nhân NH3, oC; Chọn to = -10 oC; qtr : mật độ dòng nhiệt phía trong, W/m2; dtr : đường kính tương đương ứng với bề mặt truyền nhiệt phía tác nhân, m; Chọn : dtr = Dng - Dtr = 1,3 – 1,2 = 0,1 m Xác định mật độ dòng nhiệt : qtr = kDt Mật độ dòng nhiệt từ dung dịch đến thành Với : tdd : nhiệt độ trung bình của dung dich; tdd = (3+(-2))/2 = 0,5oC; tw1: nhiệt độ thành thiết bị phía dung dịch; oC; a1 : Hệ số toả nhiệt của dung dịch, W/m2.oC; a1 = 1259,5 W/m2.oC; l đá = 2,532 W/m.độ; đá = 0,5 mm; l thép = 17,4 W/m.độ ; thép = 10 mm; Khi đó : = 739,84 (0,5 – tw1 ) W/m2 Mật độ dòng nhiệt từ tác nhân NH3 tới thành qNH3 = 580.(tw2 – ttn)5/3.da/di Trong đó ttn = -10oC – nhiệt độ tác nhân lạnh; tw2 : nhiệt độ thành tiếp xúc với tác nhân lạnh, oC Chọn chênh lệch nhiệt độ thành trong và ngoài là 2oC => tw2 = tw1 – 2 da = 1,3m đường kính phía vỏ; di = 1,2m – đường kính phía thân dung dịch; => qNH3 = 580.(tw2 - (-10))5/3.1,3/1,2 = 628,33.(tw1 -2 - (-10))5/3 W/m2 Ta có : qNH3 = qdd => 739,84(0,5 – tw1 ) = 628,33.(tw1 -2 - (-10))5/3 => tw1 = - 5 oC => qtr =739,84.(0,5-(-5,15)) = 4069,12 W/m2 Hệ số toả nhiệt phía tác nhân NH3 là = (17,3 + 0,04.(-10)).3607,5 0,45.0,1-0,24 = 1236,4 W/m2.độ I.3.2.3. Hệ số truyền nhiệt tính = = 462,87 W/m2.oC I. 3.2.3. Bề mặt truyền nhiệt tính Nhiệt lượng toả ra của 1 thùng là : Q = kW Chênh lệch nhiệt độ trung bình Tdd : 3oC → -2oC Ttn : -10oC → -10oC 10,298 Bề mặt truyền nhiệt tính toán là : Ftính = = 7,18 m2 Tính sai số Sai số = I.3.3. Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 2 I.3.3.1. Tính hệ số toả nhiệt phía thân a1 Tương tự như ở thiết bị kết tinh 1, chuẩn số Nu cũng được xác định theo công thức : ([6],1.99,35) Với : l = 0.3358 Ns/m2; mmw = 9.287.10-3 Ns/m2; rdd = 1142 kh/m3; dk = 1,198 m; N = 0,3 vg/s. Khi đó : Re 93,8 = 2355,6 Hệ số toả nhiệt a1 : I.3.3.2. Hệ số toả nhiệt phía vỏ Hệ số tỏa nhiệt của NH3 : Trong đó : to : nhiệt độ sôi của tác nhân NH3, oC; Chọn to = -15 oC; Xác định mật độ dòng nhiệt : qtr = kDt Mật độ dòng nhiệt từ dung dịch đến thành : Với : tdd : nhiệt độ trung bình của dung dịch; tdd = (-5+(-2))/2 = -3,5oC; tw1: nhiệt độ thành thiết bị phía dung dịch; oC; a1 : Hệ số toả nhiệt của dung dịch, W/m2.oC; a1 = 659,16 W/m2.oC; l đá = 2,566 W/m.độ; đá = 0,5 mm; l thép = 17,4 W/m.độ ; thép = 10 mm; Khi đó : =437,3.(–3,5 – tw1 ) W/m2 Mật độ dòng nhiệt từ tác nhân NH3 tới thành : qNH3 = 580.(tw2 – ttn)5/3.da/di Trong đó ttn = -15oC – nhiệt độ tác nhân lạnh; tw2 : nhiệt độ thành tiếp xúc với tác nhân lạnh, oC; Chọn chênh lệch nhiệt độ thành trong và ngoài là 2oC => tw2 = tw1 – 2 => qNH3 = 580.(tw2 - (-15))5/3.1,3/1,2 = 628,33.(tw1 -2 - (-15))5/3 W/m2 Ta có : qNH3 = qdd => 437,32 (–3,5 – tw1 ) = 628,33.(tw1 -3 - (-15))5/3 => tw1 = -9,6oC => qtr =437,32.(-3,5-(-9,6)) = 2667,7 W/m2 Hệ số toả nhiệt phía tác nhân NH3 = (17,3 + 0,04.(-15)). 3017,50,45.0,1-0,24 = 1068 W/m2.độ I.3.3.3. Hệ số truyền nhiệt tính = = 310,2 W/m2.oC I. 3.3.4. Bề mặt truyền nhiệt tính toán Nhiệt lượng toả ra của 2 thùng là : Q = kW Chênh lệch nhiệt độ trung bình tdd : -2oC → -5oC ttn : -15oC → -15oC 11,4 Bề mặt truyền nhiệt tính toán là : Ftính = = 6,2 m2 Tính sai số : k = I.3.4. Tính toán bề dày lớp cách nhiệt và tổn thất nhiệt ra môi trường Hệ số truyền nhiệt tổng quát : Trong đó : a2, a3 hệ số cấp nhiệt phía tác nhân và môi trường bên ngoài, W/m2.K lthép, lcách nhiệt : hệ số dẫn nhiệt của vỏ thiết bị và lớp cách nhiệt, W/m.K; dthép, d cách nhiệt : bề dày vỏ thiết bị và lớp cách nhiệt, m. Chọn các thông số (các thông số này là như nhau ở cả hai thùng kết tinh) : Lớp cách nhiệt làm bằng bông thuỷ tinh : Bề dày : d cách nhiệt = 0,09 m Hệ số dẫn nhiệt : lcách nhiệt = 0,035 W/mK. ([16], Bảng 28, tr28) Lớp vỏ làm bằng thép thường : Bề dày : dthép = S = 5 mm = 0,005 m. Hệ số dẫn nhiệt : lthép = 46,5 W/mK. ([16], Bảng 28, tr28) Hệ số cấp nhiệt phía môi trường (không khí) vào bề mặt : () ([3],V.75,24) Với Dt : hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt thiết bị và không khí xung quanh, chọn Dt= 10oC. => Khi đó : 0,35 W/m2K Nhiệt độ môi trường trung bình : 27,9oC ([15], 443) Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa không khí và môi chất lạnh là : Dt1 = 27,9 - ( -10) = 37,9 oC (ở thùng kết tinh 1) Dt2 = 27,9 - ( -15) = 42,9 oC (ở thùng kết tinh 2) Bề mặt truyền nhiệt (diện tích vỏ) : Fvỏ = p.Hdịch.Dngoài + Fđáy = 3,1416.(1,939+0,05).1,3 + 2,04 = 10,16 mm2 Nhiệt tổn thất do môi trường bên ngoài : Qtt1 = KF Dt = 0,35.10,16.37,9 = 134,77 W Qtt1 = KF Dt = 0,35.10,16.42,9 = 152,55 W Nhiệt cần thiết cho kết tinh 1 : Q’1 = Qtt1 + SQkt1 = 134,7 + 34250 = 34384,7 W Nhiệt cần thiết cho kết tinh 2 : Q’2 = Qtt + SQkt2 = 152,55 + 21910 = 22062,7 W II. CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA II.1. Thiết bị lọc Mục đích : Thiết bị lọc giúp cho việc phân riêng hệ huyền phù dịch ép đã cô đặc với tinh thể nước đá thô kết tinh ra. Chọn thiết bị lọc : Để đảm bảo hiệu suất cô đặc, độ thu hồi chất khô cao, giảm tổn thất dịch ép, chúng ta chọn thiết bị lọc ly tâm cạo bã nằm ngang. Nguyên lý hoạt động : khi làm việc : huyền phù được đưa vào rôto qua một van tự động, sau khi đạt yêu cầu van sẽ đóng lại. Quá trình ly tâm sẽ xảy ra sau đó. Khi lớp bã trong rôto đạt đến chiều dày quy định thì dao cạo bã sẽ được nâng lên nhờ hệ thống xylanh-pittông thủy lực, bã sẽ được cạo rơi xuống máng hứng phía dưới. Khi quá trình cạo bã kết thúc, dao cạo bã sẽ hạ xuống vị trí thấp nhất và van tự động mở ra để huyền phù chảy vào rôto, quá trình ly tâm lặp lại. Thời gian thao tác như sau : Nạp liệu 0,5 – 2,5 phút; ly tâm ; 0,40,5 phút; tháo bã 0,75 phút. Ưu điểm của loại máy này là tiết kiệm năng lượng do không phải ngừng máy khi tháo bã; năng suất cao do thời gian thao tác ngắn. Tuy nhiên máy cũng có một số nhược điểm là bị hạn chế về chiều dài rôto, bã bị nghiền nát và khó thay vải lọc. II.2. Thiết bị rửa tinh thể Mục đích sử dụng : thiết bị rửa được sử dụng với mục đích chính là thu hồi lượng chất khô và làm sạch nước đá tinh khiết để sử dụng trong việc làm lạnh sơ bộ dịch ép đầu. Tuy nhiên, qua cân bằng vật chất ta nhận thấy nồng độ chất khô hoà tan trong nước rửa khá thấp và nếu đem hồi lưu có thể làm giảm nồng độ của dịch đầu dẫn đến làm tăng chi phí năng lượng. Do đó, nước sau rửa sẽ không được hồi lưu nhưng có thể tái sử dụng ở các khâu khác của quy trình sản xuất như rửa nguyên liệu … PHẦN 5 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LẠNH CHỌN THIẾT BỊ LẠNH I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LẠNH I.1. Các thông số ban đầu Điều kiện khí hậu nơi lắp đặt hệ thống là Mỹ Tho Nhiệt độ lấy ở điều kiện nóng nhất của năm là 37oC. Độ ẩm trung bình là 76% => nhiệt độ tư = 33oC Chọn : Nhiệt độ vào của nước : tw1 = tư + 3oC = 36oC Nhiệt độ ra của nước : tw2 = tw1 + 6oC = 42oC Nhiệt độ ngưng tụ tc = t w + (57) oC = tw + 7oC = 46oC I.2. Chu trình lạnh đối với thiết bị kết tinh : Ở đây ta xét chu trình quá nhiệt và quá lạnh. Hình 6 - Chu trình quá lạnh và quá nhiệt tiêu chuẩn NH3 trên đồ thị lgp-h Tra đồ thị : Nếu vẽ lên đồ thị lgp-h của NH3 ta sẽ được các thông số trạnh thái của các điểm nút chu trình như sau : Bảng 10a – Thông số trạng thái của NH3 trong chu trình lạnh ở thiết bị kết tinh 1 Thông số Đơn vị 1’ 1 2 3’ 3 4 Aùp suất p Bar 2,9075 2,9075 18,302 18,302 15,548 2,9075 Nhiệt độ t oC -10 -5 133 46 40 -10 Entanpi h kJ/kg 1449,4 1461,9 1744,78 415,37 386,32 386,32 Thể tích riêng v dm3/kg - 427,73 - - - - Entropi kJ/kg.K 5,7519 5,7992 5,7992 1,7204 1,63 - Bảng 10b – Thông số trạng thái của NH3 trong chu trình lạnh ở thiết bị kết tinh 2 Thông số Đơn vị 1’ 1 2 3’ 3 4 Aùp suất p Bar 2,3620 2,3620 18,302 18,302 15,548 2,3620 Nhiệt độ t oC -15 -10 133 46 40 -15 Entanpi h kJ/kg 1443,2 1455,4 1744,78 415,37 386,32 386,32 Thể tích riêng v m3/kg - 0,5206 - - - - Entropi s kJ/kg.K 5,8243 5,8715 5,7992 1,7204 1,63 - Tính toán chu trình lạnh theo số liệu tra 1. Năng suất lạnh riêng khối lượng : q01 = h1 – h4 = 1075,58 kJ/kg q02 = h1 – h4 = 1069,08 kJ/kg 2. Năng suất nhiệt riêng khối lượng : qk1 = h2 – h3 = 1358,46 kJ/kg qk2 = h2 – h3 = 2053,55 kJ/kg 3. Năng suất lạnh riêng thể tích : = 2514,62 kJ/m3 = 2053,55 kJ/m3 4. Công nén riêng : l1 = qo1 – qk1 = h2 – h1 = 282,88 kJ/kg l2 = qo2 – qk2 = h2 – h1 = 289,38 kJ/kg 5. Hệ số lạnh : e1 = 3,8; e2 = 3,694 6. Hệ số cấp máy nén hơi : Từ tỷ số p/po = 7,75 dựa vào đồ thị hình 9,5 ([8], tập 1, tr.218) => l = 0,58 7. Năng suất lạnh cần thiết : Qo1 = S Qkt1 = 863100 kJ/h = 239,75 kW Qo2 = S Qkt2 = 236628kJ/h = 65,73 kW 8. Lượng Amoniac (thực tế) trong hệ thống : m1 = 800,22 kg/h = 0,2223 kg/s m2 = 221,34 kg/h = 0,0615 kg/s 9. Năng suất thể tích thực tế của máy nén : Vtt1 = m1.v1 =800,22.0,42773 = 342,28 m3/h = 0,09508 m3/s Vtt2 = m2.v1 =221,34.0,5206 = 115,23 m3/h = 0,032 m3/s 10. Thể tích chạy pittông trong 1 giờ (thể tích hút lý thuyết) Vlt1 = = 534,8 m3/h = 0,14856 m3/s Vlt2 = = 198,67 m3/h = 0,05519 m3/s 11. Công nén lý thuyết : Ns1 = m1.l1 = 226366,23 kJ/h = 62,88 kW Ns2 = m2.l2 = 64051,37 kJ/h = 17,792 kW 12. Công nén chỉ t