Tiểu luận Kỹ thuật thực phẩm 2

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TIỂU LUẬN KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 GVHD: PHAN VĨNH HƯNG SVTH: NGUYỄN ĐĂNG HUẤN 2005110196 HỒ THỊ NHUNG 2005110361 TP. HỒ CHÍ MINH 15/12/2013 ĐẶNG THỊ BÍCH TRÂM 2005110575 Mục lục Thiết bị chưng cất mâm chóp Cấu tạo Trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng. Chóp có thể là hình tròn hay một dạng khác. Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua, rãnh chóp có thể là hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn. Theo nghiên cứu thì hình dáng của rãnh không ảnh hưởng nhiều lên quá trình truyền khối. Ống hơi bay ra (top vapor fraction to condenser) Ống hoàn lưu (reflux) Phần cất (rectification) Phần chưng (stripping) Ống hơi vào (from reboler) Ống lỏng ra (to reboler) Mâm (trays) Ống nhập liệu (feed) Hình1: Tháp mâm chóp Nguyên tắc hoạt động Chóp được lắp vào mâm bằng nhiều cách khác nhau. Sự chuyển động của pha khí và lỏng trong tháp như sau: Chất lỏng chảy từ trên xuống, từ mâm trên xuống mâm dưới nhờ ống chảy chuyền; khí đi từ dưới lên qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏng trên mâm. Hiệu quả của quá trình sục khí vào lỏng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí và chiều cao lớp chất lỏng trên mâm. Nếu vận tốc khí nhỏ thì phạm vi sục khí nhỏ hoặc không sục vào lỏng được, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn thì quá trình sục khí cũng không tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng hoặc là chất lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí hoặc là chất lỏng bị dạt ra một vùng. Ưu, nhược điểm Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định và ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn. Nhược điểm: chế tạo phức tạp và trở lực lớn. Độ giảm áp của pha khí qua tháp mâm chóp Các thông số của tháp Độ mở lỗ chóp Lớp chất lỏng luôn ngập chóp. Khi pha khí thổi qua, áp suất bên dưới chóp sẽ tăng lên và chất lỏng bị đẩy xuống dưới lỗ chóp để hở lỗ chóp cho pha khí đi ra sục vào pha lỏng. Với lỗ chóp hình chữ nhật, độ mở lỗ chóp hs có thể được tính theo công thức: hs = 7,55(ρGρL-ρG)1/3hso2/3(QGSs)2/3, mm chất lỏng với: hso – chiều cao hình học lỗ chóp, mm QG – lưu lượng của pha khí, m3/s Ss – tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm, m2 Nếu mâm chóp được thiết kế tốt pha khí sẽ thổi qua toàn bộ lỗ chóp khi đó chóp mở toàn bộ và hs = hso. Nếu pha khí có lưu lượng lớn hơn thì nó sẽ thổi qua dưới mép chóp. Nếu quá nhỏ thì hiệu quả sử dụng lỗ chóp không cao. Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn Khi chảy vào ống chảy chuyền, chất lỏng tạo nên một lớp trên gờ chảy tràn, how. Đại lượng này được xác định theo công thức: how = 2,84E(QLLw)2/3 , mm chất lỏng với: QL – lưu lượng chất lỏng, m3/h; Lw – chiều dài gờ chảy tràn, m E – hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn được xác định bởi E = f(QLLw2,5 , LwD) được cho trên đồ thị dưới đây với D là đường kính tháp. Hình 2: Hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm Do áp suất pha lỏng giảm khi chảy qua mỗi hàng chóp trên mâm nên làm giảm chiều cao mực chất lỏng trên mâm theo chiều dòng chảy. Đại lượng này không nên quá lớn, nhất là với mâm có đường kính lớn. Trong những trường hợp lớn, sự phân phối khí cho mỗi chóp sẽ không đều. Trong trường hợp xấu nhất, lượng khí lớn nhất sẽ đi vào các chóp gần gờ chảy tràn nơi có mực chất lỏng thấp nhất; trong khi các chóp nằm gần ống chảy chuyền của mâm trên, nơi pha lỏng đi vào mâm và có mực chất lỏng cao nhất sẽ không hoạt động. Đại lượng ∆ được xác định theo biểu thức: ∆ = Cg.∆'.n Với: n – số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua ∆' - gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp Cg – hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí xác định theo hình sau: Hình 3: Hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí Các giá trị của 4∆' = f(hm , QL , Bm , hsc) được cho trên các giản đồ. Trong các biểu thức trên hm là chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm: hm = hw + how + 12∆ Với: hsc – khoảng cách từ mép chóp đến mâm Bm – bề rộng trung bình của mâm, m. Hình 4: Độ lôi cuốn chất lỏng cho mâm chóp Độ lôi cuốn chất lỏng Độ lôi cuốn chất lỏng được định nghĩa là lượng chất lỏng bị pha hơi lôi cuốn từ mâm dưới lên mâm trên. Độ lôi cuốn chất lỏng như vậy làm giảm hiệu suất mâm vì nó mang chất lỏng từ mâm có nồng độ cấu tử dễ bay hơi thấp lên mâm có nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao. Ngoài ra nó có thể mang cấu tử không bay hơi đi dần lên phía trên cột làm bẩn sản phẩm đỉnh. Tỉ lệ chất lỏng bị lôi cuốn được định nghĩa như sau: Ψ= eL+e Với: e – lượng chất lỏng bị lôi cuốn, mol/h L – lượng chất lỏng chảy xuống, mol/h Nếu không có hiện tượng lôi cuốn chất lỏng Ψ=0. Khi xảy ra ngập lụt Ψ=1. Ψ được xác định từ thực nghiệm theo thông số L'G'.(ρGρL)1/2 từ giản đồ hình 4. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm, ht Pha hơi chuyển động qua mâm và chất lỏng trên mâm sẽ tạo nên sự chênh lệch áp suất giữa pha hơi dưới và trên mâm. Độ giảm áp suất của pha hơi qua một mâm thường từ 50 ÷ 70 mm H2O, và độ giảm áp tổng cộng của pha hơi qua một tháp có 40 mâm là khoảng 2 ÷ 3 m H2O. Trong tháp chưng cất, áp suất cần thiết sẽ được nồi đun tự động tạo nên để khắc phục tổn thất áp suất qua toàn bộ tháp và thiết bị ngưng tụ. Tổn thất áp suất tổng cộng được tính để xác định áp suất, nhiệt độ của nồi đun (tháp chưng cất), áp suất của máy nén (tháp hấp thu). Ngoài ra độ giảm áp qua mỗi mâm còn dùng để kiểm tra xem mâm có hoạt động tốt không, nghĩa là không gây ngập lụt hoặc chảy rò (mâm xuyên lỗ). Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm được xác định tại điều kiện trung bình trên mỗi mâm theo công thức sau: ht = hfv + hs + hss + how + 12∆, mm chất lỏng (*) với hfv là độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi không có chất lỏng: hfv = 274K(ρGρL- ρG)(QGSr)2 , mm chất lỏng với: Sr – tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm, m2 K – hệ số cho trên đồ thị hình 5 trong đó (Saj/Srj) là tỉ số giữa diện tích vòng vành khăn và diện tích ống hơi của chóp. Các số hạng còn lại của (*) được tính với chất lỏng không có bọt. Hình 5: Hệ số tổn thất áp suất cho chóp khô Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền, hd Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền được xác định theo biểu thức: hd = hw + how + ∆ + ht + hd’ , mm chất lỏng Với: ht – được xác định theo (*) hw, how, ∆ được xác định do cấu tạo của mâm và điều kiện làm việc. hd’ – tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm được xác định theo biểu thức sau: hd’ = 0,128(QL100Sd)2 , mm chất lỏng với Sd là tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm. Chiều cao hd được dùng để kiểm tra khoảng cách mâm. Để đảm bảo điều kiện tháp không bị ngập lụt khi hoạt động, ta có: hd ≤ 12 khoảng cách mâm Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền Điều này kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền có đều không và chất lỏng không va đập vào thành thiết bị. Đại lượng này được biểu diễn là: dtw = 0,8how.ho với: ho – khoảng cách rơi tự do: ho = H + hw + hd H – khoảng cách mâm Giá trị của dtw không nên vượt quá 60% bề rộng ống chảy chuyền. Bài tập Sunphua dioxit (SO2) là một khí ô nhiễm thuộc nhóm chất độc loại A. Nguồn thải khí này được thu gom và xử lý trước khi thải vào môi trường. Trong tính toán thiết kế thiết bị hấp thu xử lý khí sunphua đioxit trong khí thải, hệ số truyền khối là một thông số quan trọng để tính vận tốc hấp thu. Tháp dạng đệm dùng để hấp thu sunphua dioxit trong khí trơ (nitrogen) làm việc ở chế độ màng, dưới điều kiện nhiệt độ 200C, ở áp suất khí quyển. Vận tốc biểu kiến của pha khí trong tháp là 0,35m/s. Vật chêm là các thỏi than có σ = 42m2/m3 và Vtd = 0,58m3/m3. Yêu cầu xác định hệ số truyền khối cho pha khí trong tháp. Bài làm Tóm tắt Nhiệt độ tháp hấp thu: t0hấp thu = 200C (tháp hoạt động ở chế độ màng) Vận tốc biểu kiến: v = 0,35 m/s Áp suất khí quyển: P0 = 1 atm Diện tích bề mặt riêng của vật chêm (thỏi than): = 42 m2/m3 Thể tích tự do của tầng chêm: Vtd = 0,58 m3/m3 Yêu cầu xác định hệ số truyền khối cho pha khí trong tháp: kk = ? Giải Gọi kk là hệ số truyền khối trong pha khí Ta có công thức: kk=Shk.Dkdtđ (*) Tính chuẩn số Reynolds: Rek = 4vρkσμk Tra bảng tính chất vật lý cơ bản của một số chất khí ta được: Khí nitơ: μk=17.10-6 Pa.s Ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc): P0 = 1 atm, t0 = 00C, V0 = 22,4 lít Ở điều kiện hấp thu: P1 = 1 atm, t1 = 200C, V1 = ? Từ công thức PV = nRT Suy ra: P0V0P1V1= nRT0nRT1 Do P0 = P1 nên V0V1= T0T1 => V1 = 24,04 lít => ρk= mV= 2824,04 = 1,16 kg/m3 => Rek = 4.0,35.1,1742.17.10-6 = 2274 (1) Tính hệ số Schamidt: Sck=μkρkDk Hệ số khuếch tán trong pha khí: Dk Dk= D0P0PTT03/2 Tra bảng hệ số khuếch tán của khí và hơi nước trong đktc ta được D0(SO2) = 10,3.10-6 m2/s => Dk=10,3.10-62932731,5=11,45.10-6 m2/s (2) => Sck=μkρkDk=17.10-61,16.11,45.10-6 = 1,28 (3) Tính số Sherwood: Shk Áp dụng công thức: Shk = 0,407.Rek0,655.(Sck)0.33 (4) Từ (1) và (2) ta được Shk = 0,407.22740,655.1,280,33 = 69,77 Đường kính tương đương: dtđ dtđ=4Vtdσ=4.0,5842 = 0,055 m (5) Từ (2),(4) và (5) thế vào (*) ta tính được hệ số truyền khối là: kk=69,77.11,45.10-60.055 = 14,52.10-3 m/s.