Thiết kế hệ thống cô đặc lạnh dịch ép tảo với năng suât 150 kgh

Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

Mục lục
PHẦN 1 : TỔNG QUAN.................................................................................................................3
1.1. Nhiệm vụ của đồ án: ............................................................................................................3
1.2 Giới thiệu về nguyên liệu táo:................................................................................................3
1.2.1 Sơ lược về trái táo:..............................................................................................................3
Táo là loài thực vật vùng khí hậu ôn đới, đặc biệt là vùng khí hậu lạnh và rất lạnh. Từ lâu loài
người đã sử dụng táo như một nguồn thực phẩm cung cấp chất dinh dưỡng quan trọng cho cơ
thể. Loại táo đầu tiên được tìm thấy ở vùng ven hồ ở Thụy Sĩ. Loại này có kích thước nhỏ hơn
các loại táo hiện nay, nhưng khi nghiên cứu sâu về các đặc điểm sinh học thì các nhà khoa học
thấy chúng có rất nhiêu đặc điểm giống nhau về mặt sinh học. Theo thống kê có 7500 loại táo
khác nhau được trồng khắp nơi trên thế giới. Trong đó chỉ có 1500 loại là được trồng nhiều
nhất. .............................................................................................................................................3
Các nước có sản lượng táo lớn trên thế giới là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Iran, Thổ Nhĩ Kỳ, Ý, Ấn
Độ. Ở Việt Nam, sản lượng táo không nhiều, vì nước ta là nước có khí hậu nhiệt đới nên trồng
táo khá khó khăn. Táo được trồng chủ yếu ở Đà Lạt, Sa Pa........................................................4
...........................................................................................................................................4
1.2.2 Thành phần hóa học của táo:..............................................................................................4
Thành phần dinh dưỡng..............................................................................................................4
Táo tươi.......................................................................................................................................4
Nước táo cô đặc..........................................................................................................................4
Năng lượng (cal).........................................................................................................................4
242...............................................................................................................................................4
213...............................................................................................................................................4
Protein (g)...................................................................................................................................4
0,8................................................................................................................................................4
0,5................................................................................................................................................4
Fat (g)..........................................................................................................................................4

2,5................................................................................................................................................4
0,1................................................................................................................................................4
Glucid (g)....................................................................................................................................4
60,5..............................................................................................................................................4
54.................................................................................................................................................4
Ca (mg).......................................................................................................................................4
29.................................................................................................................................................4
27.................................................................................................................................................4
P (mg)..........................................................................................................................................5
42.................................................................................................................................................5
41.................................................................................................................................................5
Fe (mg)........................................................................................................................................5
1,3................................................................................................................................................5
2,7................................................................................................................................................5
Na (mg).......................................................................................................................................5
4...................................................................................................................................................5
SVTH : Hoàng Thu Hà

1


Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

5...................................................................................................................................................5
K (mg).........................................................................................................................................5
459...............................................................................................................................................5
458...............................................................................................................................................5
Vit A (IU)....................................................................................................................................5

380...............................................................................................................................................5
-...................................................................................................................................................5
Thiamin (mg)..............................................................................................................................5
0,12..............................................................................................................................................5
0,03..............................................................................................................................................5
Riboflavi (mg).............................................................................................................................5
0,3................................................................................................................................................5
0,4................................................................................................................................................5
Vit C (mg)...................................................................................................................................5
16.................................................................................................................................................5
4...................................................................................................................................................5
1.3 Địa điểm xây dựng nhà máy:.................................................................................................5
Xây dựng nhà máy tại khu công nghiệp Phú Hội đặt tại xã Phú Hội, huyện Đức Trọng, là địa
bàn thuận lợi về cơ sở hạ tầng, giao thông và khoảng cách cung ứng từ các vùng nguyên liệu.
Cách Đà Lạt 35 km về hướng Đông Bắc và cách thị xã Bảo Lộc 80 km về hướng Tây-Tây
Nam, cách sân bay Liên Khương 3 km, nằm sát Quốc lộ 20 giữa Đà Lạt và Dầu Giây đang
được đâu tư xây dựng đường cao tốc, thuân tiện giao thông đi thành phố Hồ Chí Minh và các
tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, các tỉnh duyên hải miền Trung và Tây Nguyên, cách cảng biển Bình
Thuận 130 km..............................................................................................................................5
PHẦN 2 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO THIẾT BỊ KẾT TINH......................................8
1.2. Sơ đồ quy trình cô đặc.........................................................................................................8
1.3. Đặt vấn đề............................................................................................................................8
1.4. Tính cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc.......................................................................10
PHẦN 3: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ KẾT TINH..............................14
1.5. Các thông số cần tính..........................................................................................................14
1.6. Tính cân bằng năng lượng..................................................................................................15
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ KẾT TINH VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA..17
1.7. Thiết bị kết tinh...................................................................................................................17
1.8. Chọn thiết bị lọc, rửa:.........................................................................................................27
PHẦN 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LẠNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ LẠNH...................................28

1.9. Tính toán hệ thống lạnh:.....................................................................................................28
1.10. Chọn thiết bị: ....................................................................................................................32
PHẦN 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ..................................................................................................35
1.11. TÍNH THIẾT BỊ KHUẤY................................................................................................35
1.12. TÍNH CHÂN ĐỠ VÀ BÍCH NỐI CHO THIẾT BỊ.........................................................37
1.13. Tính chọn ống nhập liệu và tháo liệu................................................................................39
PHẦN 7 : DỰ ĐOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ..........................................................................40
1.14. Giá thành thiết bị chính:...................................................................................................40
1.15. Giá của các thiết bị phụ:....................................................................................................41
1.16. Ước tính tổng giá thành:...................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................42
SVTH : Hoàng Thu Hà

2


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

Danh mục bảng :
Bảng 1 : So sánh thành phần dinh dưỡng giữa táo tươi và nước táo cơ đặc....................................4
Bảng 2 :Thành phần chất khơ của một số dịch ép trái cây..............................................................8
Bảng 3: Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dịch táo ép theo nồng độ.................................9
Bảng 4: Tổng kết các thơng số nhiệt lý của dịch ép và nước đá....................................................15
Bảng 5: Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc........................................16
Bảng 6: Khối lượng của cac vật liệu lam thiết bị:.........................................................................37

PHẦN 1 : TỔNG QUAN
1.1. Nhiệm vụ của đồ án:

-

Thiết kế hệ cơ đặc bằng lạnh để cơ đặc nước dung dịch nước ép táo (bơm).

-

Năng suất: 150 kg/h theo sản phẩm cuối.

-

Nồng độ đầu: 4% khối lượng.

-

Nồng độ cuối: 25% khối lượng.

1.2 Giới thiệu về ngun liệu táo:
1.2.1

Sơ lược về trái táo:

Táo là lồi thực vật vùng khí hậu ơn đới, đặc biệt là vùng khí hậu lạnh và rất lạnh. Từ lâu lồi
người đã sử dụng táo như một nguồn thực phẩm cung cấp chất dinh dưỡng quan trọng cho cơ
thể. Loại táo đầu tiên được tìm thấy ở vùng ven hồ ở Thụy Sĩ. Loại này có kích thước nhỏ hơn
các loại táo hiện nay, nhưng khi nghiên cứu sâu về các đặc điểm sinh học thì các nhà khoa
SVTH : Hồng Thu Hà

3

Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

học thấy chúng có rất nhiêu đặc điểm giống nhau về mặt sinh học. Theo thống kê có 7500 loại
táo khác nhau được trồng khắp nơi trên thế giới. Trong đó chỉ có 1500 loại là được trồng
nhiều nhất.
Các nước có sản lượng táo lớn trên thế giới là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Iran, Thổ Nhĩ Kỳ, Ý, Ấn
Độ. Ở Việt Nam, sản lượng táo không nhiều, vì nước ta là nước có khí hậu nhiệt đới nên trồng
táo khá khó khăn. Táo được trồng chủ yếu ở Đà Lạt, Sa Pa....

1.2.2

Thành phần hóa học của táo:
Bảng 1 : So sánh thành phần dinh dưỡng giữa táo tươi và nước táo cô đặc
Thành phần dinh
dưỡng

Táo tươi

Nước táo
cô đặc

Năng lượng (cal)

242

213

Protein (g)

0,8

0,5

Fat (g)

2,5

0,1

Glucid (g)

60,5

54

Ca (mg)

29

27

SVTH : Hoàng Thu Hà

4


Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

P (mg)

42

41

Fe (mg)

1,3

2,7

Na (mg)

4

5

K (mg)

459

458

Vit A (IU)

380

-

Thiamin (mg)

0,12

0,03

Riboflavi (mg)

0,3

0,4

Vit C (mg)

16

4

1.3 Địa điểm xây dựng nhà máy:
Xây dựng nhà máy tại khu công nghiệp Phú Hội đặt tại xã Phú Hội, huyện Đức Trọng, là
địa bàn thuận lợi về cơ sở hạ tầng, giao thông và khoảng cách cung ứng từ các vùng
nguyên liệu. Cách Đà Lạt 35 km về hướng Đông Bắc và cách thị xã Bảo Lộc 80 km về
hướng Tây-Tây Nam, cách sân bay Liên Khương 3 km, nằm sát Quốc lộ 20 giữa Đà Lạt và
Dầu Giây đang được đâu tư xây dựng đường cao tốc, thuân tiện giao thông đi thành phố
Hồ Chí Minh và các tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, các tỉnh duyên hải miền Trung và Tây
Nguyên, cách cảng biển Bình Thuận 130 km.

Hình 1 - Vị trí địa lý huyện Đức Trọng

SVTH : Hoàng Thu Hà

5


Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

1.4 Khái quát về cô đặc kết tinh:
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách tách 1
phần dung môi ở dạng hơi hay kết tinh chất tan.
Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng
nồng độ các dung dịch lỏng, hoặc để tách các chất rắn hoà tan.
Cô đặc bằng kết tinh dung môi thường là nước ( gọi tắt là cô đặc lạnh ) có một loạt các ưu
điểm so với các phương pháp khác, đặc biệt với những sản phẩm kém bền nhiệt và chứa
nhiều chất thơm. Ở nhiệt độ thấp các quá trình phân hủy hóa học và sinh hóa yếu không
đáng kể, còn các cấu tử dễ bay hơi và cấu tử thơm được bảo toàn nguyên vẹn, đảm bảo
chất lượng cho sản phẩm. Nước sạch lấy ra từ kết tinh có thể phục vụ vào chu trình sản
xuất.

1.5 Quy trình công nghệ sản xuất nước táo cô đặc:

SVTH : Hoàng Thu Hà

6


Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

Hình 2 - Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước táo cô đặc

SVTH : Hoàng Thu Hà

7


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

PHẦN 2 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO
THIẾT BỊ KẾT TINH
1.2. Sơ đồ quy trình cơ đặc

Hình 3 – Sơ đồ quy trình cơng nghệ cơ đặc kết tinh 2 cấp
1.3. Đặt vấn đề
 Tính tốn cân bằng vật chất cho 1kg nhập liệu (vào nồi cơ đặc) với nồng độ chất khơ ban
đầu là 4% (theo khối lượng). Sản phẩm có nồng độ chất khơ là 25% (theo khối lượng).
Năng suất 150 kg/giờ (theo sản phẩm cuối)
 Trong thực tế, lượng chất khơ trong dịch nước táo là hỗn hợp phức tạp nhiều cấu tử
nhưng để đơn giản ta xem dịch nước táo ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước và
chất khơ tan trong nước.
Bảng 2 :Thành phần chất khơ của một số dịch ép trái cây
Thành phần

Đơn vò

Cam

Táo

Dâu tây

Nước

g

88.8

87.5

84

Protein

g

0.9

0.5

1.8

Lipid

g

-

-

-

Glucid

g

8.4

11.3

9.4

Cellulose

g

1.4

0.6

4.0

SVTH : Hồng Thu Hà

8

Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

Hình 4 - Biểu đồ nhiệt độ đóng băng của nước táo theo nồng độ chất khơ
Nồng độ phần
khối lượng, x%
2
4
10
25

Nhiệt độ
kết tinh, oC
0
-0.4
-1
-3.5

Khối lượng riêng
ρ, kg/m3
994
1011
1037
1115

Bảng 3: Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dịch táo ép theo nồng độ
 Trên giản đồ ta xác định được nhiệt độ kết tinh của nước táo theo nồng độ của nước táo



Nhiệt độ bắt đầu kết tinh: t1 (x = 0,04) = -0.4oC ; ρ = 1011 kg/m3



Nhiệt độ của kết thúc q trình cơ đặc (x=0.25) : t2 = -3.5oC ; ρ = 1115 kg/m3.



Chọn mơ hình kết tinh 2 cấp
•

Cấp 1 : từ -0.4oC (x=0.04) đến -1oC (x=0.1)

SVTH : Hồng Thu Hà

9


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị
•

GVHD : Phạm Văn Bơn

Cấp 2 : từ –1oC (x=0.1) đến -3.5oC (x=0.25)

1.4. Tính cân bằng vật chất cho q trình cơ đặc
Chọn mơ hình cơ đặc kết tinh gián đoạn 2 cấp. Gọi :
Gđ, xđ : Khối lượng và nồng độ chất khơ trong hỗn hợp nhập liệu

Gc, xc : Khối lượng dịch cái và nồng độ chkhơ tương ứng thu được (sản phẩm)
M1, x1 :Khối lượng dịch cái và nồng độ chất khơ trong dịch cái thu được sau kết tinh 1
M2, x2 : Khối lượng dịch cái và nồng độ chất khơ trong dịch cái sau KT2
∆M1, ∆M2 = Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K1, K2 sau KT1 và KT2
K1, xk1 : Khối lượng tinh thể thơ và nồng độ chất khơ bám lên tinh thể thơ sau KT1
K2, xk2 : Khối lượng tinh thể thơ và nồng độ chất khơ bám lên tinh thể thơ sau KT2
K3 : khối lượng tinh thể nước đá còn sau thiết bị rửa
M3 : Lượng nước rửa tại thiết bị rửa
1.4.1. Tại thiết bị kết tinh 1 :
CBVC tính cho 1 kg dịch nhập liệu
 Gd = K1 + M 1

Gd xd = K1 xk1 + M 1 x1
Trong đó

K1 = Gd
=>

x1 − xd
0,1 − 0.04
= 1.
= 0, 75 kg / h
x1 − xk 1
0,1 − 0.02

xd − xk1
0, 04 − 0.02
= 1.
= 0, 25 kg / h
x1 − xk 1

0.1 − 0.02
xđ = 0,04, x1 = 0,1, xk1 = 0,02 ; Gđ = 1 kg/h
M 1 = Gd

1.4.2. Tại thiết bị lọc 1
 Mục đích : Lọc dịch cái 1 và tinh thể nước thơ. Sau đó đưa tinh thể nước đá thơ đi qua
máy rửa
 Chọn thiết bị lọc ly tâm để lọc tinh thể
 Chọn các thơng số cho q trình lọc
•

ρd1 : khối lượng riêng của dịch cái sau kết tinh 1

•

ρ1 : khối lượng riêng của dịch cái sau làm lạnh sơ bộ

•

f1 : tỷ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do của tinh thể có dịch bám vào

•

δ1 : bề dày lớp dịch bám

•

d1 : đường kính trung bình (cạnh tinh thể lập phương)

 Cần tính được :



Lượng dòch còn sót lại trong bã lọc tinh thể

SVTH : Hồng Thu Hà

10


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

∆M 1 = ∆1Gd =

GVHD : Phạm Văn Bơn

6 f1δ1 ρ d 1 x1 − xd
6.0, 7.10−5.1037 0.1 − 0.04
.
.Gd =
.
.1 = 0.01kg / h
ρ1d1 x1 − xk1
1011.3.10−3 0.1 − 0.02

Trong đó ρd1 = 1037 kg/m3; ρ1 = 1011 kg/m3; f1 = 0.7; δ1 = 10-5 m; d1 = 3.10-3m.


Tỷ lệ dịch cái thu được sau thiết bị lọc 1
m1 =

M 1 − ∆M 1 0.25 − 0.01
=
= 0.24 kg dòch lọc/kg dòch ép đầu
Gd
1

1.4.3. Tại thiết bị kết tinh 2:
Ở đây, dòch M1 sau khi lọc (khối lượng còn M 1 - ∆M1) sẽ được đem kết tinh lần 2 thu
được dòch M2 và khối tinh thể thô K2 với nồng độ chất khô tương ứng là x2, xk2. Ta có
x2 − x1

K
=
(
M
−
∆
M
).
= 0.156kg / h
2
1
1

x2 − xk 2
M 1 − ∆M 1 = K 2 + M 2


=> 


( M 1 − ∆M 1 ) x1 = K 2 x k 2 + M 2 x 2
 M = ( M + ∆M ). x1 − xk 2 = 0.09kg / h
1
1
 2
x2 − xk 2
1.4.4. Tại thiết bị lọc 2 – Lọc ly tâm
Lượng dịch cái ∆M2 còn sót trong khối tinh thể là
∆M 2 =

6 f 2 .δ 2 .ρ d 2 x2 − x1
6.0, 7.10−5.1115
.
.( M 1 − ∆M 1 ) =
.(0.25 − 0.01) = 2, 408.10 −3 kg / h
−3
ρ d 1d 2
x2 − xk 2
1037.3.10

1.4.5. Tại thiết bị rửa


Cho tinh thể K1 và K2 có chứa dòch sót ∆M1, ∆M2 vào thiết bò rửa R3 với lượng
nước rửa là M3. Lượng tinh thể sau rửa có khối lượng là K 3, trong đó có tích một
lượng nước rửa là ∆M3 , nước rửa này có thể xem như không có chất khô hoà tan
trong đó. Còn lượng nước nước thu hồi M’ 3 có nồng độ x3 có thể được đưa và hỗn
hợp dòch ép lúc ban đầu để giảm mất mát chất khô.



Trong thiết bò rửa các tinh thể K 1 và K2 chỉ bò mài mòn về kích thước chứ không bò
giảm về số lượng tinh thể, do đó nó thay đổi kích thước (d 1’, d2’), độ bám dính bề
mặt (f1’, f2’) theo tỷ lệ tổn hao khối lượng tinh thể (∆). Thông thường
∆ = 0.01−0.15 nên ta chọn ∆ = 0,1.



Tính cân bằng vật chất
•

Theo khối lượng :
K1 + K2 + M3 + ∆M1+ ∆M2 = K3 + M’3 + ∆M3 = (1 - ∆)(K1 + K2) + M’3

Với K3 = (1 - ∆)(K1 + K2)
•

Theo chất khô

SVTH : Hồng Thu Hà

11


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

K1xk1 + K2xk2 + 0 + ∆M1x1 + ∆M2x2 = (1 - ∆)K1xk1 + (1 - ∆)K2xk2 + M’3x3 + 0


Lượng tinh thể sau rửa là
K3 = (1 – 0.1).(0,75 + 0,156) = 0.815 kg/h



Lượng nước rửa lấy theo tỷ lệ lượng tinh thể cần rửa với hệ số tỷ lệ ξ0 (thường ξ0 =
0.2– 1). Chọn ξ0 = 0,6
M3 = ξ0 (K1 + K2) = 0,6.(0.75+ 0.156) = 0,5436 kg/h



Lượng nước tích lại trong khối tinh thể


6.∆2 / 3 .Gd 
6f δ ρ
b f ' ( x − x1 ) 
.b1 f '1 ( x1 − x d ) + 2 2 2
. x d − x k1 − 1 1 d 1 ( x1 − x d )  
∆M3 =
x1 − x k 1 
x2 − xk 2
ρ1 d 1


Với

b1 = δ’1/d1 ; b2 = δ’2/d2
d’1/d1 = d’2/d2 = ∆2/3 = (0,1)2/3 = 0,21544

=> d’1 = d’2 = 6,4632.10-4 m
Giả sử :

d1
δ
d
δ
= 1 và 2 = 2
d '1 δ '1
d '2 δ '2

=> δ’1 = δ’2 = 2,1544.10-6 m
=> b1 = b2 = 7,1813.10-3
Vậy lượng nước rửa tích lại trong khối tinh thể sau cùng là:
7,18.10−3.0, 7.(0.1 − 0.04) +

6.0, 21544.1 

.  7,18.10−3.0.7.(0, 25 − 0,1) 

∆M3 =
6.0, 7.10 −5.1037
0,1 − 0, 02 +
. 0, 04 − 0, 02 −
( 0,1 − 0.04 )  
0, 25 − 0, 02
1011.3.10−3




= 5.88.10-3 kg/h


Lượng nước ra khỏi thiết bị rửa M’3

Từ phương trình cân bằng vật chất
M3 + K1 + K2 + ∆M1 + ∆M2 = K3 + M’3 + ∆M3
K1xk1 + K2xk2 + 0 + ∆M1x1 + ∆M2x2 = (1 - ∆)K1xk1 + (1 - ∆)K2xk2 + M’3x3
Suy ra :

M’3 = M3 + K1 + K2 + ∆M1 + ∆M2 - ∆M3 - K3
= 0.5436 + 0.75 + 0.156 + 0.01 + 2.408.10-3 + 0.815 = 0.641 kg/h
x3 =

Và

∆.( K1.xk 1 + K 2 .xk 2 ) + ∆M 1 x1 + ∆M 2 x2
M '3

0,1.(0, 75.0, 02 + 0,156.0, 02) + 0, 01.0,1 + 2, 408.10−3.0, 25
=
= 0.53%
0, 641

SVTH : Hồng Thu Hà

12

Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

Suy ra lượng chất khô thất thoát theo nước rửa là 0,53%.0,641 = 3,39.10-3 kg/h.
So với lượng chất khô hỗn hợp đầu (0,04 kg/h) trong 1 kg/h nhập liệu thì tỷ lệ thất thoát là :
3,39%.
Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồi lưu nước rửa này vào hỗn hợp đầu.
Gc = M 2 − ∆M 2 = 0, 09 − 2, 408.10−3 = 0.087 kg / h
1 kg nhập liệu ban đầu ta có 0.087 kg nước táo cô đặc.
Tỷ lệ thu hồi chất khô là 8,7%
Theo yêu cầu đề tài 150 kg nước táo cô đặc. Vậy nhập liệu ba đầu phải là 1724 kg nước táo

SVTH : Hoàng Thu Hà

13


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

PHẦN 3: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
CHO THIẾT BỊ KẾT TINH
1.5. Các thơng số cần tính
1.5.1. Nhiệt dung riêng của dịch ép
Nhiệt dung riêng của nước cam ép theo nhiệt độ được tính gần đúng theo cơng 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 q trình cơ đặc :
Nhập liệu

Làm lạnh

(1)

(2)

Bắt đầu kết tinh

Kết thúc KT 1

Kết thúc KT2

(4)

(5)

(3)

1.5.2. 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)
1.5.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và tinh thể nước đá
 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo cơng thức : [3,I.32,123]

λ

dung dòch

= A.Cp.ρ. 3

ρ
M hh

(

W
)
mK

Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dịch ép, J/kg.độ; ρ– 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)
λđá1 (-1oC) = 2,516 W/mK
λđá2 (-3,5oC) = 2,549 W/mK
1.5.4. 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)

SVTH : Hồng Thu Hà

14


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

Bảng 4: Tổng kết các thơng số nhiệt lý của dịch ép và nước đá
Quá trình

x

t

(1) Nhập liệu
(2) Làm lạnh
(3) Bắt đầu kết tinh
(4) Kết thúc KT1
(5) Kết thúc KT2

0.04
0.04
0.04
0.10
0.25

30
3
-0.4
-1
-3.5

ρ
cdd

kg/m3 J/kg.độ
1011
1011
1011
1037
1115

4098,49
4090,34
4089,32
3937,84
3554,90

cđá
J/kg.độ

µ,
Pa.s

2090.3
2090.3

1.792E-03
1.792E-03
1.792E-03
1,792E-03
6,546E-03

λ dd,
λ đá,

W/mK W/mK
0.474
0.473
0.473
0.401
0.318

2.532
2.566

1.6. Tính cân bằng năng lượng
Nhiệt lượng Q (tính trên 1 kg dịch ép ban đầu) cần cung cấp cho tồn q trình cơ 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 → -0.4oC;
Qkt : nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước;
Qdd : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -0.4oC → -3.5oC;
Qđá : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -0.4oC → -3.5oC.
1.6.1. Nhiệt lượng cần cho q trình làm lạnh sơ bộ dịch ép ban đầu
 Nhiệt độ đầu và cuối q trình : tđ = 30oC → t’đ = 3oC
 Khối lượng dịch ép : Gđ = 1kg/h
 Nhiệt dung trung bình L : cđ = (4098,49 + 4090,34)/2 = 4094 J/kg.độ
 Lượng nhiệt cung cấp : Qo = Gđcđ(tđ – t’đ) = 1.4090.(30 - 3) = 110538 J/kg dịch đầu.h
1.6.2. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dịch ép từ 3oC → -0.4oC
 Nhiệt dung trung bình của dịch ép : c1 = (4090,34 + 4089,32)/2 = 4089,83 J/kg/độ
 Lượng nhiệt cần cung cấp là : Q1 = Gđc1(t’đ – t1) = 13905,4 J/kg dịch đầu.h
1.6.3. Nhiệt lượng cung cấp cho q trình kết tinh nước
 Nhiệt kết tinh trung bình của nước là λkt = 333608,3 J/kg
 Khối lượng tinh thể tạo thành K = K1 + K2 = 0,75 + 0,156 = 0,906 kg/kg dịch đầu.h
 Nhiệt lượng cung cấp



Kết tinh 1 : Qkt1 = K1. λkt = 0,75. 333608,3 = 250206,225 J/kg dòch đầu.h



Kết tinh 2 : Qkt2 = K2. λkt = 0,156. 333608,3 = 13905,4 J/kg dòch đầu.h

=> Qkt = Qkt1 + Qkt2 = 250206,225 + 13905,4 = 302249 J/kg dòch đầu.h
SVTH : Hồng Thu Hà

15


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

1.6.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -0,4oC → -3,5oC
 Ta có :

Qdd = Qdd1 + Qdd2

 Trong đó : Qdd1 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M1 (từ -0.4oC → -1oC)
Qdd2 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M2 (từ -1oC → -3,5oC)
 Khối lượng và nhiệt dung riêng của dịch cái
•

M1 = 0,25 kg/kg dịch đầu.h; cM1 = 3937,84 J/kg.độ

•

M2 = 0,09 kg/kg dịch đầu.h; cM2 = 3554,90 J/kg.độ

 Nhiệt lượng cung cấp
•

Qdd1 = M1cM1.(t1 – t2) = 0,25.3937,84.(-0,4 -(-1))= 590,67 J/kg dịch đầu.h

•

Qdd2 = M2c M2.(t2 – t3) = 0,09.3554,9.(-1 – (-3,5)) = 799,85 J/kg dịch đầu.h

=> Qdd = 590,67 + 799,85 = 1390,52 J/kg dịch đầu.h
1.6.5. Nhiệt lượng cần cho q trình làm lạnh tinh thể đá từ -0,4oC → -3,5oC
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 -0,4oC → -1oC) : Qđá1 = 0,75.2090,3.(-0,4 – (-1)) = 940,635 kJ/kg
dịch đầu.h



Tại kết tinh 2 (từ -1 oC → -3,5oC) : Qđá2 = 0,156.2090,3.(-1 – (-3,5)) = 815,217 J/kg
dịch đầu.h

=> Qđá = 1755,85 J/kg dịch đầu.h
1.6.6. Tổng nhiệt lượng thực tế

Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 10% lượng nhiệt thực tế
 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho q trình kết tinh 1 :
ΣQkt1 = 1,1 (Q1 + Qdd1 + Qkt1 + Qđá1) = 323129,11 J/kg dòch đầu.h
 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 2 :
ΣQkt2 = 1,1 ( Qdd2 + Qkt2 + Qđá2) = 74046,4 J/kg dòch đầu.h
Bảng 5: Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc
Nhiệt lượng riêng
Nhiệt lượng tổng
Q trình
J/kg dịch đầu.h
kJ/h
1. Làm lạnh sơ bộ
110538
190567,5
2. Kết tinh 1
323129
557074,6
3. Kết tinh 2
74046,4
127656

SVTH : Hồng Thu Hà

Nhiệt lượng tổng
kW
52,93
154,743
35,46

16

Đồ Án Môn Học Quá Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bôn

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
KẾT TINH VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA
1.7. Thiết bị kết tinh
1.7.1. Giới thiệu
Thiết bị cô đặc kết tinh là thiết bị thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy 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.
a) 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 ellipse tiêu chuẩn :

hgờ = 50 mm

; ht = 300 mm

F = 1,75 m2

; V đáy = 0,283 m3

 Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : mút xốp Styrofoam
 Vỏ cách thân 50 mm
 Năng suất thể tích nhập liệu : Vđ =

1724
= 1, 705 m3/h
1011

 Tính kích thước thùng
 Thể tích thùng :
Vthùng = Vthân + Vđáy = π .

DT2
1, 22
.H T + Vday = π .
.1,8 + 0, 283 = 2,3 m3
4
4

 Chiều cao toàn bộ thùng : Hthùng = HT + Hđáy + Hnắp = 1,8 + 0,35 + 3.10-3 = 2,16 m
 Thể tích dung dịch chứa : Vdd1 = 0,8.Vthùng = 1,84 m3
 Chiều cao dung dịch chứa tính từ đáy :

SVTH : Hoàng Thu Hà

17

Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

Hdd1 = Hdd(thân) + Hdd(đáy)

=

GVHD : Phạm Văn Bơn

Vd d − Vday

π

DT
4

2

+ H day =

1,84 − 0, 283
+ 0,35 = 1, 727
m
1, 22
π
4

 Tính bề mặt truyền nhiệt
 Bề mặt truyền nhiệt : F = Fdd(thân) = πDHdd(thân) = 5,19 m2
 Để đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt ta chọn các thơng số kích thước của thùng 2 giống
kích thước thùng 1

1.7.2. Tính tốn điều kiện bền
a) Các thông số cần tra và chọn
 p suất tính toán :
Nếu xem áp suất thủy tónh là không đáng kể, bên trong thiết bò làm việc ở áp suất khí
quyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2
p suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10oC) tác động lên thân thiết bò là
PN = PsôiNH3 = 2,9075 at = 0,29075 N/mm2
p suất tác động lên thân thiết bò là
P = PN – PT = 0,19075 N/mm2
=> Thiết bò chòu áp suất ngoài


Vậy áp suất tính tốn 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 tốn được lấy là nhiệt độ mơi trường làm việc cộng với 20 oC (thiết bị có bọc
cách nhiệt). Nhưng trong điều kiện thiết bị làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọn ln
nhiệt độ tính tốn là 20oC.
 Vật liệu chế tạo
Thân bằng thép khơng gỉ X18H10T
Vỏ làm bằng thép thường CT3
 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : [ σ] * = 147 N/mm 2
 Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt)
 Ứng suất cho phép : [ σ] = [ σ] × η = 147.0.95 = 139,65 N/mm 2
*

 Hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,95
4

2
 Mô đun đàn hồi : E t = 20,5 × 10 N/mm

SVTH : Hồng Thu Hà

18


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

 Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20oC)
Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65
⇒ σ c = 147 × 1,65 = 242.55 N/mm 2
b) Tính bền cho thân thiết bị khi chịu áp suất ngồi
 Bề dày tối thiểu

 P l' 
S' = 1.18 D t  n . 
 Et Dt 

0.4

Trong đó : DT = 1200 mm - Đường kính trong của thiết bị;
Pn = 0,29075 N/mm2 - Ap suất ngồi tác dộng lên thân thiết bị;
Et = 20,5.104 N/mm2 - Mơđun đàn hồi;
l’ = lthân + hđáy/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chieu dài tính tốm cho thân.
0.4

 0,29075 1916,7 
.
=> S' = 1,18.1200. 
÷ = 7,818 mm
4
 20,5.10 1200 
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 dòch nước trái cây là Cb = 0,5 mm;
 Hệ số quy tròn Co = 0,682 mm;
=> C = 2,182 mm
 Bề dày thiết bò : S = 10 mm
 Kiểm tra bền
(1) Kiểm tra điều kiện :
1,5

2(S − C a )
l'
≤
≤
Dt
Dt

⇔ 1,5
⇔

2×9
1200
≤ 1,75 ≤
1200

2×9
0,1837 < 1,75 < 8,165 (Thoả điều kiện)

l'
E
(2) So sánh :
và 0.3 tt
DT
σc
E
=> 0.3 tt
σc

Dt
2(S − C a )

 2(S − C a ) 


 Dt

3

3

 2(S − C a ) 
20,5.10 4
=
0.3



242,55
 Dt


3
 2.9  = 0,4658 < l' =1,5975
1200 
DT

=> Thoả điều kiện (2)
SVTH : Hồng Thu Hà

19


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

(3) Kiểm tra
2

2

D  S − C a  S − Ca
1200  9 
= 0,649 × 20,5 × 104 ×
[ P] = 0.649.E t t 
÷


÷
l'  D t 
Dt
1917  1200 
= 0, 4057 N/mm 2 > P = 0.2907 N/mm 2

9
1200

=> Thân đủ bền
c) Tính ổn định cho đáy:
 Đáy chịu áp suất ngồi : Pn = PNH3 = 0,2907 N/mm2
 Chọn bề dày cho nắp : S = 3 mm
 Tính bền cho đáy
(1) So sánh :
Trong đó :

0.15E t
Rt
và
xσ tc
S

Rt = Dt = 1200 mm (đáy ellipse tiêu chuẩn);
Et = 20,5.104 N/mm2; σ c = 242.55 N/mm2;
x = 0,7 (vật liệu chế tạo làm bằng thép khơng gỉ);

Khi đó :

R t 1200
=
=12
S
10
0,15E t 0,15.20,5.10 4
= 181,11
=
xσ ct
0,7.242.55

=>

ht
R t 0,15E t
= 0,25 < 0.3
<
và 0.2 <
t
DT
xσ c
S

(2) p suất cho phép : [ Pn ] =

2[ σ n ]( S − C a )
βR t

Trong đó : [ σ n ] là ứng suất nén được xác đònh bởi công thức : [ σ n ] = K c E t
Vì

S − Ca
Dt

DT
1200
=
= 66, 7 ∈ [25 : 250]
2( S − Ca ) 2.9

σ ct
242,55
0.065 = 0,0673 ; kc = 0.065 (theo [1],140)
Nên K c = 875 k c = 875
Et
20.5 × 10 4
=> [ σ n ] = K c E t

S − Ca
9
= 0,0673.20,5.10 4.
= 103,46 N/mm2
Dt
1200

SVTH : Hồng Thu Hà

20

Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

E t ( S − C a ) + 5xσ ct R t
20,5.10 4.9 + 5.0,7.242,55.1200
=> β =
=
= 1,995
E t ( S − C a ) − 6.7xσ ct R t (1 − x ) 20,5.10 4.9 − 6,7.0,7.242,55.1200.0,3
Vậy [ Pn ] =

2σ[

n

] S(

−C

a

)

βD t

=

2.103,46.9
= 0,7779 N / mm 2 > 0,29075 N / mm 2

1,995.1200

=> Đáy đủ bền
d) 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 khơng tác dụng lên vỏ, phía ngồi vỏ chỉ chịu áp suất khí quyển).
 Ap suất tính tốn cho vỏ thiết bị :
PTT = Pdư = Ptuyệt đối – Pa = 0.29075 – 0.1 = 0.19075 N/mm2
 Nhiệt độ tính tốn 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 ([1],hình1.2,18)
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : [ σ] = 142 N/mm 2 ;
*

 Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt);
 Ứng suất cho phép : [ σ] = [ σ] × η = 142.0,95 = 134,9 N/mm 2 ;
*

 Hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,95
 Tính bề dày vỏ:
σ
134,9 × 0,95
= 671,8 > 25
Xét: ϕ h =
p
0,19075
Dt P
(1200 + 100) × 0.19075 = 0,967 mm
=

2[ σ]ϕ h + P 2 × 134.9 × 0.95 + 0.19075

-

Bề dày tối thiểu : S' =

-

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
⇒ S = 4 + 0.5 + 0.5 = 5 mm
S − Ca
4,5
=
= 0,0035 < 1
Dt
1300

-

Kiểm tra :

-

Áp suất cho phép:

SVTH : Hồng Thu Hà

21


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

[ P] = 2[ σ]ϕ h ( S − C a ) = 2 × 134,9 × 0,95 × 4,5 = 0,884
D t + (S − Ca )
1300 + 4,5

N/mm 2 > 0.19075 N/mm 2

⇒ 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.
1.7.3. Tính tống bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt là phần bề mặt của thành thiết bị mà tác nhân lạnh và dung dịch tiếp xúc.
Hệ số truyền nhiệt tổng qt :

K=

1

1 δ
1 δ đá bám
+ +
+
α1 λ α 2
λ đá

Với : α 1 : Hệ số toả nhiệt phía dung dịch, W/m2.oC;
α 2 : Hệ số toả nhiệt phía NH3, W/m2.oC;
λ thép :Hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bò làm bằng thép không gỉ; W/m 2.K;
λ đá : Hệ số dẫn nhiệt của lớp đábám, W/m2.K;
δ thép, δ đá : Bề dày của thành thiết bò; δ thép = 10 mm, δ đá = 0,5 mm.
a) Tính tốn bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 1
i.

Tính hệ số toả nhiệt α1 phía dung dịch

Đây là trường hợp cấp nhiệt khi khuấy chất lỏng bằng cánh khuấy, nên chuẩn số Nu có thể xác
định theo cơng thức :
Nu = 0.36.Re0.67 Pr 0.33 (
Ở đây : Nu =
Với

:

μ 1.4 d k
)
μw
D

([6],1.99,35)

2
µ
α1 D
d ρN
≈ 1; dk ≈ 1
; Re = k
;
µw
λ
D
μ

α1 : Hệ số toả nhiệt của dung dòch, W/m2.oC;
DT : đường kính trong của thiết bò, m; DT = 1,2 m
λ : Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch; λ = 0,401 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;
µ, µw : độ nhớt của dung dòch nhiệt độ trung bình và ở nhiệt độ thành;

Khi đó :
 Re =

1,1982 .1037.0,5
= 415264
1, 792.10−3

SVTH : Hồng Thu Hà

22


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

 Pr =

Cpμ
λ dd

=

GVHD : Phạm Văn Bơn

3937,84.1,792.10−3
= 17,59
0,401

 Nu = 0,36.(415264)0.6717,590.33 = 5389,11
 Hệ số toả nhiệt α1 : α1 =

Nu.λ 5389,11.0,401
W
=
= 1800,86( 2 )
D
1,2
mK

Hệ số toả nhiệt α2 phía tác nhân lạnh NH3:

ii.

Nhiệt của dung dịch sẽ được tải thơng qua tác nhân lạnh NH 3. Hệ số tỏa nhiệt của NH 3 được xác
định như sau : ([11],7.16,302)

α 2 = (17,3 + 0,04.t 0 ).qtr0, 45 .d tr−0, 24
Trong đó :

to : nhiệt độ sôi của tác nhân NH 3, 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 đònh mật độ dòng nhiệt : qtr = k∆t
 Mật độ dòng nhiệt từ dung dòch đến thành

q dd =

1

δ
1
+∑ i
α1
λi

(t dd − t w1 )

Với : tdd : nhiệt độ trung bình của dung dich; tdd = (3+(-1))/2 = 1oC;

tw1: nhiệt độ thành thiết bò phía dung dòch; oC;
α1 : Hệ số toả nhiệt của dung dòch, W/m2.oC; α1 = 1800,86 W/m2.oC;
λ đá = 2,532 W/m.độ; δ đá = 0,5 mm;
λ thép = 17,4 W/m.độ ; δ thép = 10 mm;
Khi đó :

qdd =

1
.(1 − t w1 )
1
0, 01 0, 0005
= 753,31 (1 – tw1 ) W/m2
+
+
1800,86 17, 4 2,532

 Mật độ dòng nhiệt từ tác nhân NH 3 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 dòch;
SVTH : Hồng Thu Hà

23


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

GVHD : Phạm Văn Bơn

=> qNH3 = 580.(tw2 - (-10))5/3.1,3/1,2 = 628,33.(tw1 -2 - (-10))5/3 W/m2
Ta có :

qNH3 = qdd

=> 753,31(1 – tw1 ) = 628,33.(tw1 -2 - (-10))5/3
=> tw1 = - 4,8 oC
=> qtr =753,31.(1-(-4,8)) = 4369,19 W/m2
 Hệ số toả nhiệt phía tác nhân NH 3 là

α 2 = (17,3 + 0,04.t 0 ).qtr0, 45 .d tr−0, 24 = (17,3 + 0,04.(-10)).4369,19 0,45.0,1-0,24 = 1276,63
W/m2.độ
iii.

Hệ số truyền nhiệt tính

K=

1
1
δ
1 δ
1
1
0,01
1
0.0005 = 473,75 W/m2.oC
+ +

+ đá bám =
+
+
+
1800,86 17,4 1276,63 2,532
α1 λ α2
λ đá

iv.

Bề mặt truyền nhiệt tính

 Chênh lệch nhiệt độ trung bình

Δt log =

Tdd :

3oC

Ttn :

-10oC →

[ 3 − (−10)] − [ −1 − (−10)] =
[ 3 − (−10)]
10,87
ln
 −1 − ( −10 ) 

 Bề mặt truyền nhiệt tính tốn là : Ft =

→

-1oC
-10oC

Q
154743
=
= 30,04 m2
K .∆tlog 473, 75.10,87

 Tổng số thùng ở q trình kết tinh 1: số thùng =

Ft 30, 04
=
= 5,78 => chọn 6
Fc
5,19

 Bề mặt truyền nhiệt thực tế là: Fth = Fc . 6 = 31,1 m2
 Tính sai số: Sai số =

Fth − Ft 31,11 − 30, 04
=
.100% = 3,5% < 5% => nhận
Ft
30, 04

b) Tính tốn bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 2
i.

Tính hệ số toả nhiệt α1 phía dung dịch:

Tương tự như ở thiết bò kết tinh 1, chuẩn số Nu cũng được xác đònh theo công thức :
Nu = 0.36.Re0.67 Pr 0.33 (

μ 1.4 d k
)
μw
D

([6],1.99,35)

Với : λ = 0.318 Ns/m2; µ ≈ µw = 6,546.10-3 Ns/m2; ρdd = 1115 kh/m3; dk = 1,198 m; N = 0,3 vg/s.
SVTH : Hồng Thu Hà

24


Đồ Án Mơn Học Q Trình Và Thiết Bị

Khi đó : Re =
Pr =

Cpμ
λ dd

GVHD : Phạm Văn Bơn

1,1982 .1115.0,3
= 73338, 79
6,546.10−3
=

3554,90.6,546.10−3
= 73,17
0.318

Nu = 0,36.(73338,79)0.67 73,170.33 = 2699, 64
Hệ số toả nhiệt α1 : α1 =
ii.

Nu.λ 2699, 64.0,318
W
=
= 715, 4( 2 )
D
1,2
mK

Hệ số toả nhiệt α2 phía tac nhan lạnh NH3:

0 , 45
−0 , 24
 Hệ số tỏa nhiệt của NH3 : α 2 = (17,3 + 0,04.t 0 ).qtr .d tr

Trong đó :

to : nhiệt độ sôi của tác nhân NH 3, oC; Chọn to = -10 oC;

 Xác đònh mật độ dòng nhiệt : qtr = k∆t
 Mật độ dòng nhiệt từ dung dòch đến thành :

q dd =

1

δ
1
+∑ i
α1
λi

(t dd − t w1 )

Với : tdd : nhiệt độ trung bình của dung dòch; tdd = (-3,5+(-1))/2 = -2,25oC;
tw1: nhiệt độ thành thiết bò phía dung dòch; oC;
α1 : Hệ số toả nhiệt của dung dòch, W/m2.oC; α1 = 715,4 W/m2.oC;
λ đá = 2,566 W/m.độ; δ đá = 0,5 mm; λ thép = 17,4 W/m.độ ; δ thép = 10 mm;
Khi đó :

qdd =

1
.(−2, 25 − t w1 )
1
0, 01 0, 0005
=461,3.(–2,25 – tw1 ) W/m2

+
+
715, 4 17, 4 2,566

 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 ngồi là 2oC => tw2 = tw1 – 2
=> qNH3 = 580.(tw2 - (-10))5/3.1,3/1,2 = 628,33.(tw1 -2 - (-10))5/3 W/m2
Ta có :

qNH3 = qdd

=> 461,3 (–3,5 – tw1 ) = 628,33.(tw1 -3 - (-10))5/3
=> tw1 = -6,5oC
=> qtr =461,3.(-2,25-(-6,5)) = 1960,5 W/m2
 Hệ số toả nhiệt phía tác nhân NH 3
SVTH : Hồng Thu Hà

25