TỔNG QUAN
Tổng quan về KNO 3
• KNO3 là Chất rắn màu trắng
• Độ hòa tan trong nước: Tan nhiều trong nước (13,3 g/100 mL (0 °C), 36 g/100 mL (25 °C), 247 g/100 mL (100 °C))
• Đây là muối ít tan trong etanol nhưng có thể tan trong glycerol, amoni
• KNO3 là một hợp chất hóa học có tên gọi là Kali Nitrat hoặc là Potassium Nitrate Đây là muối ion của ion kali K + và ion nitrate NO3-
• KNO3 được xem như một tiêu thạch khoáng sản và là một nguồn rắn tự nhiên của nitơ
• KNO3 có tính oxy hóa mạnh
• KNO3 bị nhiệt phân để tạo thành kali Nitrit và Oxi tạo thành phương trình hóa học sau:
• KNO3 → KNO2 + O2 (Điều kiện phản ứng là nhiệt độ cao)
Hiện nay, KNO3 được điều chế thông qua các phản ứng trao đổi Khi NaCl kết tinh ở nhiệt độ 30°C, nó sẽ được tách ra khỏi dung dịch và sau đó làm nguội KNO3 sẽ kết tinh ở nhiệt độ 22°C theo phương trình hóa học tương ứng.
1.3 Ứng dụng quan trong của KNO3 trong đời sống và sản xuất
Vai trò của KNO3 trong nông nghiệp
Kali nitrat là loại phân bón duy nhất cung cấp đầy đủ dinh dưỡng đa lượng, với thành phần gần như cao nhất so với các công thức phân bón khác.
KNO3 là nguồn cung cấp kali tuyệt vời, rất cần thiết cho sự phát triển của cây và hoạt động bình thường của mô Kation kali (K+) đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình trao đổi chất trong tế bào, giúp điều hòa và tham gia vào quản lý nước của cây, bao gồm sự đóng mở của lỗ khí khổng.
• KNO3 giúp cho cây trồng khỏe mạnh hơn và cho năng suất cây trồng tốt hơn
• KNO3 sau khi được bón vào đất sẽ giúp đất giảm mặn, cải thiện tình hình sử dụng nước và giúp tiết kiệm nước khi trồng
KNO3 là thành phần thiết yếu trong dinh dưỡng thủy canh, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây trồng Thiếu Kali hoặc Nitrat sẽ gây ra các triệu chứng rõ rệt như cháy mép lá, đốm đen và vàng lá.
KNO3 là một loại hóa chất quan trọng, hoạt động như một chất nền giúp chống lại vi khuẩn, nấm bệnh, côn trùng và virus Hóa chất này không chỉ giảm đáng kể sự hấp thụ Cl của cây trồng mà còn có khả năng chống lại các tác nhân gây hại do natri gây ra.
Vai trò của KNO3 trong chế tạo thuốc nổ
• Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO3, 10% S và 15% C Khi nổ, nó tạo ra muối kali sunfua, khí nitơ và khí CO2:
• Ngoài ra, KNO3 còn dùng để tạo thành pháo hoa
Vai trò của KNO3 trong bảo quản thực phẩm trong công nghiệp
• Là một trong những cách để bảo quản thịt chống ôi thiu
Vai trò của KNO3 trong dược
Kali nitrat được sử dụng ngày càng nhiều trong các loại kem đánh răng dành cho răng nhạy cảm, và nó đã chứng minh là một phương pháp điều trị hiệu quả.
• Được sử dụng lịch sử để điều trị bệnh hen suyễn và viêm khớp
1.4 Ưu điểm của hóa chất KNO 3 Ưu điểm của hóa chất này là nó không gây hại cho sức khỏe con người Và về cơ bản, KNO3 không độc hại mà có lợi cho cây trồng Chính vì vậy mà nó được sử dụng rất phổ biến và trở thành một trong những loại hóa chất nông nghiệp thường gặp nhất.
Tổng quan về cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:
• Làm tăng nồng độ chất tan
• Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (tinh khiết)
• Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)
Cô đặc diễn ra ở nhiệt độ sôi và có thể thực hiện ở mọi áp suất, bao gồm áp suất chân không, áp suất thường và áp suất dư Quá trình này có thể được thực hiện trong một thiết bị cô đặc đơn lẻ hoặc trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc, và có thể được tiến hành theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục.
Cô đặc chân không là phương pháp hiệu quả cho các dung dịch có nhiệt độ sôi thấp và dễ bị phân hủy nhiệt, giúp giảm bề mặt truyền nhiệt Phương pháp này làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, dẫn đến việc tận dụng nhiệt thừa từ các quá trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ để tối ưu hóa quá trình cô đặc.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển là phương pháp hiệu quả cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như dung dịch muối vô cơ Phương pháp này cho phép thu hồi hơi thứ từ dung dịch, phục vụ cho các quá trình công nghiệp khác.
Khi cô đặc ở áp suất khí quyển, hơi thải ra ngoài không khí không được sử dụng, dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp Phương pháp này mặc dù đơn giản nhưng không mang lại lợi ích kinh tế cao.
2.2 Ứng dụng của cô đặc
Trong ngành sản xuất thực phẩm và hóa chất, việc cô đặc các dung dịch như đường, mì chính, nước trái cây, NaOH, NaCl, CaCl2 và các muối vô cơ là rất cần thiết Hiện nay, hầu hết các nhà máy chế biến thực phẩm và hóa chất đều áp dụng thiết bị cô đặc để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Mặc dù cô đặc là một hoạt động gián tiếp nhưng rất quan trọng cho sự tồn tại của nhà máy Việc cải thiện hiệu quả thiết bị cô đặc là cần thiết để phát triển nhà máy, đòi hỏi sử dụng thiết bị hiện đại với tiêu chí an toàn và hiệu suất cao Do đó, kỹ sư cần có kiến thức vững vàng và đa dạng, chủ động tìm hiểu các nguyên lý mới trong công nghệ cô đặc.
2.3 Phân loại các thiết bị trong cô đặc a Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:
• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài
• Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:
• Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài
• Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:
• Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ
• Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ b Theo phương pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở) duy trì nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được sử dụng trong quá trình cô đặc dung dịch liên tục Phương pháp này giúp giữ mức dung dịch cố định, từ đó đạt được năng suất tối đa và rút ngắn thời gian cô đặc.
Cô đặc áp suất chân không là quá trình sử dụng nhiệt độ sôi thấp để xử lý dung dịch, giúp giảm thiểu cặn bã và duy trì sự bay hơi liên tục của dung môi Phương pháp này đảm bảo dung dịch tuần hoàn hiệu quả, mang lại kết quả tối ưu trong việc cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số lượng nồi không nên quá lớn để đảm bảo hiệu quả tiết kiệm Có thể áp dụng phương pháp cô chân không, cô áp lực, hoặc kết hợp cả hai Đặc biệt, việc sử dụng hơi thứ cho các mục đích khác cũng giúp nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả cao hơn so với cô đặc gián đoạn, mặc dù hiện tại chưa có cảm biến đủ tin cậy để tự động điều khiển quá trình này Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong hoặc buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy thuộc vào điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, chế độ cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
Trong thực tế người ta thường thiết kế các hệ thống cô đặc nhiều nồi để tang hiệu quả sử dụng hơi đốt.
Quy trình công nghệ
3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:
Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, với chế độ làm việc liên tục hoặc gián đoạn Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, quá trình này có thể diễn ra ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường, thiết bị hở có thể được sử dụng, trong khi ở áp suất thấp, cần dùng thiết bị kín cô đặc chân không Việc sử dụng thiết bị chân không mang lại ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt, do khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng lên.
Dựa trên tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cùng với các điều kiện kỹ thuật của đề tài, tôi đã quyết định lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 2 nồi liên tục, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình sản xuất.
Quá trình cô đặc nhiều nồi diễn ra bằng cách cấp hơi nước bão hòa vào thiết bị để bay hơi dung môi trong dung dịch Sau khi hơi đốt được cung cấp nhiệt, nó sẽ ngưng tụ và được thu hồi qua cốc tháo nước ngưng Dung môi bay hơi sẽ được tách ra qua cơ cấu tách bọt, trong khi hơi thứ ra khỏi thiết bị sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ để chuyển thành dạng lỏng Cuối cùng, dung dịch đã được cô đặc sẽ được tháo ra ngoài qua cửa tháo liệu khi đạt nồng độ mong muốn.
-Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi
Dung dịch tự di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi, mang lại ưu điểm tiết kiệm năng lượng Nhiệt độ của hơi trong nồi 1 cao hơn nhiệt độ sôi của nồi 2, cho phép hơi từ nồi 1 hoạt động như hơi đốt cho nồi 2.
Nhược điểm của hệ thống là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nồi trước, nhưng nồng độ lại cao hơn, dẫn đến độ nhớt của dung dịch tăng dần Điều này làm giảm hệ số truyền nhiệt của toàn bộ hệ thống từ nồi đầu đến nồi cuối.
3.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:
Dung dịch KNO3 5% được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đó đi qua lưu lượng kế và vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch KNO3 được gia nhiệt bằng hơi bão hòa bên ngoài ống truyền nhiệt.
Sau khi rời khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được chuyển vào thiết bị cô đặc tuần hoàn ống tâm hai nồi xuôi chiều Tại đây, dung dịch lưu thông bên trong ống tuần hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt, trong khi hơi đốt bão hòa di chuyển bên ngoài ống Quá trình này giúp dung dịch được cô đặc đến nồng độ 23%.
Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, đi bên ngoài ống truyền nhiệt Nước ngưng được tháo ra bên ngoài, trong khi cốc tháo nước ngưng trong ống giúp ngăn hơi đốt thoát ra ngoài Đồng thời, khí không ngưng cũng được xả ra qua ống xả.
Hơi thứ từ thiết bị cô đặc được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet, nơi sử dụng nước để thực hiện quá trình ngưng tụ Phần hơi không ngưng tụ sẽ được chuyển tiếp đến thiết bị tách lỏng để thu hồi phần hơi còn lại, trong khi khí dư sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không.
(1) Thùng chứa dung dịch đầu
(5) Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
(6), (6’) Buồng đốt nồi cô đặc
(7), (7’) Buồng bốc nồi cô đặc
(8) Thiết bị ngưng tụ baromet
(9) Thiết bị thu hồi bọt
Dung dịch ban đầu có nồng độ thấp được bơm từ thùng (1) lên thùng cao vị (2) qua bơm (4) và được điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế (3) trước khi vào thiết bị gia nhiệt (5) Tại thiết bị này, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa và sau đó được cấp vào buồng đốt của nồi cô đặc thứ nhất (7) Trong nồi thứ nhất, dung dịch tiếp tục được gia nhiệt bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, nơi dung dịch chảy qua các ống truyền nhiệt, trong khi hơi đốt được đưa vào buồng đốt để gia tăng nhiệt độ, và nước ngưng được thoát ra khỏi buồng đốt qua cửa tháo nước.
Trong quá trình cô đặc, dung môi bốc hơi từ buồng bốc hơi của nồi 1, được gọi là hơi thứ Trước khi ra khỏi nồi, hơi thứ này được đưa qua bộ phận tách bọt để hồi lưu dung dịch bốc hơi Dung dịch từ nồi 1 tự chảy sang nồi 2 nhờ sự chênh lệch áp suất, với áp suất nồi sau nhỏ hơn nồi trước Tại nồi 2, quá trình bốc hơi diễn ra tương tự với tác nhân đun nóng là hơi thứ từ nồi 1, cho thấy hiệu quả sử dụng nhiệt độ trong cô đặc nhiều nồi Hơi thứ của nồi 2 được dẫn vào thiết bị ngưng tụ, nơi nó chuyển đổi thành lỏng và chảy vào thùng chứa Khí không ngưng sẽ đi vào thiết bị thu hồi bọt và bơm hút chân không Cuối cùng, dung dịch ra khỏi nồi 2 được bơm vào thùng chứa sản phẩm, trong khi nước ngưng được thu gom qua các ống và xử lý tại thùng.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều, trong đó hơi đốt và dung dịch di chuyển cùng chiều từ nồi này sang nồi khác, rất phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất Nhiệt độ sôi của nồi trước cao hơn nồi sau, khiến dung dịch vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, dẫn đến quá trình tự bốc hơi khi dung dịch được làm lạnh Tuy nhiên, dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi cần được đun nóng, do đó tiêu tốn thêm hơi đốt Vì vậy, trước khi vào nồi nấu đầu, dung dịch cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
Nhược điểm của quá trình cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch giảm dần ở các nồi sau, trong khi nồng độ lại tăng lên, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng độ nhớt của dung dịch Hệ quả là hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH
Xác định lương hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Áp dụng công thức: W = G đ (1 − x đ x c) , kg/h [2-55]
W - Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (kg/h) xđ - Nồng độ đầu vào của dung dịch: xđ = 5% xc - Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 23%
Gđ - Lượng dung dịch đầu: Gđ = 10800 (kg/h)
Tính sơ bộ lượng hơi bốc ra khỏi mỗi nồi
W1 – Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1: W1 (kg/h)
W2 – Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 2: W2 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi sau lớn hơn nồi trước Để tối ưu hóa việc sử dụng toàn bộ lượng hơi từ nồi trước làm nhiên liệu cho nồi sau, cần thực hiện các biện pháp phù hợp.
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là:
Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi cô đặc
Nồng độ cuối ra khỏi nồi cô đặc 1 là:
Nồng độ cuối ra khỏi nồi 2 là: x2 = xc = 23%
Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P
∆P là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ png:
Thay số ta được: ∆P = p1 – Png = 5 – 0,2 = 4,8 (at)
Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi
Giả thiết phân bố hiệu số áp suất giữa các nồi là ∆P1: ∆P2 = 2,6:1
Nồi cô đặc 1: Áp suất hơi đốt: p1 = 5 (at),
Nồi cô đặc 2: Áp suất hơi đốt: p2 = p1 - ∆P1 = 5 – 3,47 = 1,53 (at)
Tra bảng I.251 [1-313] và nội suy ta có:
Tính nhiệt độ t i ’ và áp suất của hơi thứ ra khỏi từng thiết bị cô đặc
Áp dụng công thức: t′ = Ti+1 + ∆i′′′
Ti+1 – nhiệt độ của hơi đốt cho nồi (i + 1)
∆i′′′- tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
Tra bảng I.251 [1-313], nội suy ta có:
- Áp suất hơi thứ: p1’ = 1,59 (at)
Nồi cô đặc 2 : Áp suất hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ là Png=0,2 at,
Tra bảng I.251 [1- 313], nội suy ta được Tng = 59,7 o C
Nhiệt độ hơi thứ: t2′ = Tng + ∆2′′′= 59,7 + 1 = 60,7 o C
Tra bảng I.251 [1-313], nội suy ta có:
- Áp suất hơi thứ: p2’ = 0,21 (at)
Bảng 1: Các thông số hóa lí của hơi đốt và hơi thứ trong từng nồi cô đặc
Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi
Trong quá trình hoạt động của thiết bị cô đặc, sự tổn thất nhiệt độ xảy ra do nhiều yếu tố Tổng tổn thất nhiệt độ bao gồm sự gia tăng nồng độ (∆’), áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’) và trở lực của đường ống Những yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị cô đặc.
7.1 Tính tổn thất nhiệt đọ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆ i ’’
Tổn thất nhiệt trong thiết bị cô đặc xảy ra do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thoáng Thông thường, việc tính toán tổn thất này được thực hiện ở khoảng giữa của ống truyền nhiệt.
∆i’’ = ttb - ti’ ( o C) Trong đó: ttb - nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptbi ( o C) ti’ - nhiệt độ sôi ứng với pi’ ( o C)
Ptbi là áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối (lỏng – hơi) trong ống tuần hoàn
Hơi đốt Hơi thứ x p, (%) at
T, o C i, J/kg r, J/kg p’, at t’, o C i’, J/kg r’, J/kg
- Pi’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, at
-h1: chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng, chọn h1= 0,5 m
- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H=5m
-ρdd: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3
Tra bảng I.204 [1-236] và nội suy ta được: x1 = 8,11% => ρdd1= 1006,3 kg/m 3
Thay số vào phương trình ta có:
Ptb1 = 1,741 at, tra bảng I.250 [1-314], nội suy ta được ttb1 = 115,24 o C
Tra bảng [1-41], nội suy ta có: x2 = 23% =>𝜌dd2 = 1041 (kg/m 3 )
Thay số vào phương trình ta có:
Ptb2 = 0,366 at, tra bảng I.250 [1-314], nội suy ta được ttb2 = 73,12 o C
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆′:
Sự phụ thuộc của tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào nồng độ và áp suất của chúng là rất quan trọng Đặc biệt, ∆’ ở áp suất bất kỳ có thể được xác định thông qua phương pháp Tysenco.
Tổn thất nhiệt độ xảy ra khi nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường Hệ số hiệu chỉnh được tính dựa trên nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất, trong khi nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất Ptb được ký hiệu là ttb Ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc được ký hiệu là r và được đo bằng đơn vị J/kg.
Tổn thất nhiệt độ xảy ra khi nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi tại một nhiệt độ và áp suất khí quyển nhất định (tsdd > tsdm).
Với nồi cô đặc 1: Ts1=ttb1+ 2735,24 + 27388,24 o K
Với nồi cô đặc 2 : Ts2=ttb2+ 273s,12 + 27346,12 o K
Tra bảng VI.2 [2 – 66] và nội suy ta có: x1=8,11% ta có ∆o1’=0,73 o C x2#% ta có ∆o2’= 2,31 o C
Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao là:
7.3.Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống ∆i’’’
Trở lực chủ yếu nằm ở các đoạn ống nối giữa các thiết bị, cụ thể là đoạn nối giữa nồi 1 và nồi 2, cũng như giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ Trong giả thiết mục 6, khi tính toán nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi, chúng ta đã chọn ∆1’’’ = ∆2’’’ = 1 (oC).
Vậy tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:
7.4.Tính tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống
Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống :
Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi :
Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi
Ta có bảng số liệu:
Bảng 2: Bảng số liệu về nhiệt độ hữu ích và các loại tổn thất nhiệt của nồi cô đặc
Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi
hơi thứ Wi ở từng nồi
9.1.Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng
- D: Lượng hơi đốt đi vào nồi 1
- Co, C1, C2: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, dung dịch ra khỏi nồi
- Cnc1, Cnc2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ra khỏi nồi 1, nồi 2
- tso, ts1, ts2: nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2
- 𝜃1, 𝜃2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
- Qm1, Qm2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2 (bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở từng nồi)
9.2 Xác định nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
Với dung dịch loãng (x < 20%), ta sử dụng công thức:
Dung dịch đầu có nồng độ 5%:
Dung dịch ra khỏi nồi 1 có nồng độ 8,11%:
Với dung dịch đặc (x>20%), ta dùng công thức:
Trong đó Cht tính theo công thức:
Tra bảng I.141 [1-152], ta có nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố:
CK = 26000 J/Kg nguyên tử.độ
CN = 26000 J/Kg nguyên tử.độ
CO= 16800 J/Kg nguyên tử.độ
Thay số ta đc: Cht KNO3= 26000.1+26000.1+16800.3
101 = 1013,86 (J/kg.độ) Dung dịch ra khỏi nồi 2 có nồng độ 23%:
• Các thông số của nước ngưng:
Nhiệt độ của nước ngưng (lấy bằng nhiệt độ hơi đốt trong nồi cô đặc): θ1 = T 1 = 151,1 o C; θ2 = T 2 = 111,37 o C
Tra bảng I.249 [1-249] và nội suy ta có:
Cnc1 = 4299,84 J/Kg.độ ; Cnc2 = 4224,03 J/Kg.độ
Nhiệt độ sôi của dung dịch khi vào các nồi là yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến Cụ thể, nhiệt độ sôi của dung dịch khi vào nồi 1 là ts1, trong khi nhiệt độ sôi ở nồi 2 là ts2 Theo đó, nhiệt độ sôi tổng thể tso được xác định là 16,04 °C, và nhiệt độ sôi ở nồi 2 là 2,02 °C Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng và hiệu suất của quá trình nấu.
9.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Lượng nhiệt đi vào nồi:
Lượng nhiệt đi ra nồi:
Sản phẩm mang ra (Gđ -W1) C1 ts1;
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
Lượng nhiệt đi vào nồi:
Lượng nhiệt đi ra nồi:
Sản phẩm mang ra: (Gđ -W1-W2).C2.ts2;
Ta có hệ phương trình:
D i1 + Gđ Co ts0 = W1 i1 ′ + (Gđ − W1 ) C1 ts1 + D Cnc1 θ1 + Qm1
W1 θ2 + (Gđ − W1) C1 ts1 = W2 i2 + (Gđ − W1 − W2) C2 ts2 + W1 Cnc2 θ2 + Qm2
Bảng 3: Lượng hơi thứ bốc ra ở từng nồi và sai số so với giả thiết
[J/kg.độ] Θ [ o C] W, [kg/h] Sai số Giả thiết Tính toán %
Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi α
Minh hoạ quá trình truyền nhiệt:
10.1 Tính hệ số cấp nhiệt
Chọn ống truyền nhiệt có đường kính: 38x2 (mm)
Với điều kiện làm việc buồng đốt ngoài H < 6m, hơi ngưng tụ bên ngoài ống, màng nước ngưng chảy dòng nên hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:
Với Ai phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng
- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 5m
- α1i: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W/m 2 độ
- ∆t1i: hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi đốt của nồi i, o C
Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt:
Nhiệt độ màng nước ngưng:
Từ nhiệt độ màng nước ngưng, ta bảng [2-28] và nội suy ta có:
10.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
Gọi q1i là nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của nồi i
Bảng 4: Bảng giá trị hệ số cấp nhiệt và tải nhiệt riêng về phía hơi ngưng tụ
10.3 Hệ số cấp nhiệt α 2 từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi:
Dung dịch sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên, hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức: α2i = 45,3.(pi′) 0,5 ∆t2i 2,33.Ѱi [W/m 2 độ]
∆t2i: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch
Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt ∆tTi = q1i ∑ r
Tổng nhiệt trở cùa thành ống truyền nhiệt: ∑ 𝑟 = 𝑟 1 + 𝑟 2 + 𝛿
𝜆 [𝑚 2 độ/𝑊] r1; r2: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống
Tra bảng II.V.1 [2-4]: r1 = 0,000387 [m 2 độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch r2 = 0,000232 [m 2 độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa
𝛿: bề dày ống truyền nhiệt, 𝛿 = 2 10−3(𝑚)
Hệ số dẫn nhiệt (λ) của vật liệu làm ống truyền nhiệt là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống Đối với ống truyền nhiệt, vật liệu được chọn là thép Crom Niken Titan (X18H10T), có hệ số dẫn nhiệt là λ = 3 [W/m.độ] Việc lựa chọn vật liệu này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp.
Tính hệ số hiệu chỉnh 𝚿:
- λ: Hệ số dẫn nhiệt, [W/m.độ] (lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch)
- μ: Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi a) Các thông số của nước:
Tra bảng I.129 [1-133] và nội suy: ts1 6,04 o C, λ𝑛𝑐1 = 0,685 W/m.độ ts2 = 75,02 o C, λ𝑛𝑐2 =0,671 W/m.độ
Tra bảng I.104 [1-96] và nội suy: ts1 6,04 o C, μ𝑛𝑐1 = 0,242 10 −3 Ns/m 2 ts2 = 75,02 o C, μ𝑛𝑐2 =0,379.10 -3 Ns/m 2
Tra bảng I.148 [1-166] và nội suy: ts1 = 116,04 o C, C𝑛𝑐1 = 4242,34 J/kg.độ ts2 = 75,02 o C, C𝑛𝑐2 = 4194,45 J/kg.độ
Tra bảng I.5 [1-11] và nội suy: ts1 6,04 o C, ρn𝑐1 = 946,40 kg/m 3 ts2 = 75,02 o C, ρ 𝑛𝑐2 4,88 kg/m 3 b) Các thông số của dung dịch trong nồi cô đặc:
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KNO3 tính theo công thức: λ 𝑑𝑑 = 𝐴 C 𝑑𝑑 𝜌 √𝜌
- A: Hệ số tỷ lệ với chất lỏng liên kết A = 3,58.10- 8
- Cdd: Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính toán ở bước 9 ta có:
- 𝜌: Khối lượng riêng của dung dịch NaOH
Với ts1 6,04 o C, x1 = 8,11% ρdd1 = 1006,3 kg/m 3 Với ts2 = 75,02 o C, x2 = 23% ρdd2 = 1041,0 kg/m 3 -M: Khối lượng mol của dung dịch được tính theo công thức:
M = MKNO3 NKNO3 + MH2O NH2O = 101 NKNO3 + 18 (1 – NKNO3)
NKNO3: Phần mol của KNO3 trong dung dịch
Thay vào công thức trên ta có:
Từ các giá trị đã tính được, ta có: λ 𝑑𝑑1 = 𝐴 C 𝑑𝑑1 𝜌 1 √ 𝑀 𝜌 1
3 = 0,465 [W/m.độ] Độ nhớt của dung dịch được tính theo công thức của Pavalov:
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1 = 20 o C; t2 = 30 o C
Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có: t1 = 20 o C, x = 8,11% → μ11 = 0,9738 10 −3 [N.s/m 2 ] t2 = 30 o C, x = 8,11% → μ21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có: μ11 = 0,9738 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ11= 21,32 o C μ21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ21= 30,04 o C
Tại ts1 = 116,04 o C, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ31:
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 105,07 o C ta được μdd1 = 0,2698 10 -3 [N.s/m 2 ]
Chọn chất lỏng chuẩn là nước
Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có: t1 = 20 o C, x = 23% → μ12 = 1,028 10 −3 [N.s/m 2 ] t2 = 30 o C, x = 23% → μ22 = 0,834 10 −3 [N.s/m 2 ]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có: μ12 = 1,028 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ11= 19,08 o C μ22 = 0,834 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ21= 28,11 o C
Tại ts2 = 75,02 o C, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ32:
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 68,77 o C ta được μdd2 = 0,413 10 -3 [N.s/m 2 ]
Thay các số liệu vào công thức tính hệ số hiệu chỉnh ta có:
Từ các số liệu đã tính ở trên, ta tính được hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch ở từng nồi:
10.4 Tính nhiệt tải riêng q2 về phía dung dịch:
Bảng 6: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch từng nồi
Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận giả thiết: ∆𝑡 11 =4,53( o C);∆𝑡 12 =4,54( o C)
Xác định hệ số truyền nhiệt của từng nồi
∆𝑡 𝑖 : hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi
Phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau và nhỏ nhất Thay số vào công thức:
Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi
810,50 = 3185,21 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi theo công thức:
Sai số < 5 %, vậy nên chấp nhận giả thiết phân bố áp suất P1:P2 = 2,6:1
Bảng 7 Tổng hợp số liệu
14 Tính bề mặt truyền nhiệt F
Theo phương pháp phân phối nhiệt độ hữu ích, điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :
Tính bề mặt truyền nhiệt F
Theo phương pháp phân phối nhiệt độ hữu ích, điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau :
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Đường kính trong của buồng đốt
Tính theo công thức: Dt = t (b – 1) + 4 dn [m] [4 – 49]
-b: số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác, b = 15
-dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 mm
-t: bước ống của chùm ống truyền nhiệt trong buồng đốt, t = 1,45 dn
Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [4 – 359] chọn Dt = 1000 mm
Tính chiều dày buồng đốt
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép crôm – niken – titan (X18H10T) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn
Bề dày buồng đốt được tính theo công thức XIII.8 [2-360]
-Dtr: đường kính trong của buồng đốt, m
- φ: hệ số bền hàn của thanh hình trụ theo phương dọc
- Pb : áp suất trong của thiết bị, N/m 2
- C : hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai về chiều dày, m
Theo bảng XIII.8 [2-362], khi hàn tay bằng hồ quang điện với Dtr ≥ 700 (mm) và thép không gỉ, hệ số φ được xác định là 0,95 Đại lượng bổ sung C trong công thức XIII.8 [2-362] phụ thuộc vào các yếu tố như độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày Để xác định đại lượng C, cần sử dụng công thức cụ thể liên quan đến các yếu tố này.
- C1 : bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, m
31 Đối với vật liệu bền (0,05 ÷ 0,1 mm/năm) ta lấy C1 = 1 (mm)
C2 là đại lượng bổ sung do hao mòn, chỉ được tính trong trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị Trong trường hợp này, giá trị C2 được chọn là 0 (mm).
- C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu Tra bảng XIII.9 [2-364] chọn C3 = 0,4 (mm)
(*) Xác định ứng suất cho phép b
Khi tính toán sức bền của thiết bị, việc xác định ứng suất cho phép là rất quan trọng Ứng suất cho phép phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dạng ứng suất, đặc trưng bền của vật liệu, nhiệt độ tính toán, công nghệ chế tạo và điều kiện sản xuất Để xác định ứng suất cho phép, có thể sử dụng các công thức XIII.1 và XIII.2.
- nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy
Tra bảng XIII.3 [2-356] với thép không gỉ cán, rèn dập ta xác định được nk = 2,6 và nc = 1,5
- [k], [c]: ứng suất cho phép khi kéo, theo giới hạn chảy
- k : giới hạn bền khi kéo
Tra bảng XII.4 [2-309] với thép không gỉ X18H10T dày 4 – 25 mm ta được k 550.10 6 (N/m2 )
- c : giới hạn chảy Tra bảng XII.4 [2-309] với thép không gỉ X18H10T dày 4 – 25 mm ta được c = 220.10 6 (N/m2 )
Hệ số điều chỉnh η được xác định là 0,9, áp dụng cho các chi tiết và bộ phận không bị đốt nóng hoặc được cách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp (nhóm thiết bị 2), cũng như cho các thiết bị sản xuất ở áp suất cao (loại 1) theo bảng XIII.2 [2-356].
1,5 = 132,00.10 6 (N/m 2 ) Vậy ứng suất cho phép của vật liệu:
(*) Xác định áp suất làm việc (áp suất trong thiết bị)
Môi trường bao gồm hơi bão hòa và nước ngưng, với áp suất làm việc được xác định bởi tổng áp suất hơi và áp suất thủy tĩnh của chất lỏng.
(*) Xác định chiều dày buồng đốt
Vì vậy bỏ qua Pb ở mẫu trong công thức tính S
Vây tính đươc chiều dày buồng đốt:
2.132,00.10 6 0,95 10 3 + 1.4 = 3,36𝑚𝑚 Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4-364] lấy S = 4mm
(*) Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử
Sau khi xác định chiều dày thiết bị, cần kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 [2-365].
- Po: Áp suất thử được tính theo công thức XIII.27 [2-366]
𝑃𝑜 = 𝑃𝑡ℎ + 𝑃1 , N/m 2 Với + Pth : áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358] Ta có
Pth = 1,5.Pb = 1,5 490500= 735750 (N/m 2 ) + P1 : áp suất thủy tĩnh của nước được tính theo công thức XIII.10 [2-360]
P1 = ρ.g.H (N/m 2 ) Tra bảng I.5 [1-11] với nước ở 25 oC được khối lượng riêng của nước tại 25 o C là
= 183,33 10 6 (𝑁/𝑚 2 ) Vậy chiều dày phòng đốt là S = 4mm
Tính chiều dày lưới đỡ ống
Chiều dày lưới đỡ ống phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Yêu cầu 1: Giữ chặt ống sau khi nung, bền
8 + 5 = 9,75 (𝑚𝑚) Để đáp ứng yêu cầu này chọn chiều dày tối thiểu của mạng ống là S’ = 10 (mm)
- Yêu cầu 2: Chịu ăn mòn tốt Để đáp ứng yêu cầu này thì chiều dày mạng ống là S = S’ + C = 10 + 1,40 = 11,40 (mm) Chọn S= 12 mm
Yêu cầu 3 đề cập đến việc giữ nguyên hình dạng của mạng trong quá trình khoan, nung và sau khi nung ống Để đáp ứng yêu cầu này, cần đảm bảo rằng tiết diện dọc giới hạn bởi ống là f ≥ fmin Cụ thể, tiết diện dọc giới hạn được xác định bởi công thức f = S (t - dn) ≥ fmin = 4,4dn + 12 (mm²), trong đó dn là một thông số quan trọng trong tính toán.
-S: Là chiều dày mạng ống, mm
-t: Là bước ống, t = .dn = 1,45 38 = 55,1 (mm)
-dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 38 (mm)
Suy ra f = 12 (55,1 - 38) = 205,2 (mm 2 ) fmin = 4,4.38 + 12 = 179,2 (mm 2 ) Vậy f ≥ fmin
Để đảm bảo độ bền của mạng ống dưới tác dụng của các loại ứng suất, cần tiến hành kiểm tra giới hạn bền uốn của nó Việc này là cần thiết để đáp ứng yêu cầu về độ bền trong các điều kiện sử dụng thực tế.
-Pb: áp suất làm việc, N/m 2
-dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m
Dựa vào hình vẽ ta có:
AD = t + ED = t + t.sin30 0 = t(1 + sin30 0 ) = 55,1.(1 + 0,5) = 82,65 (mm)
2 = 65,12 (𝑚𝑚) Thay số vào công thức ta được: σu = 1,4[σ] = 1,4.1,32 10 8 = 184,8 10 6 (N/m 2 )
Tính chiều dày đáy buồng đốt
Đáy buồng đốt là một bộ phận quan trọng, thường được chế tạo từ cùng vật liệu với thân thiết bị, cụ thể là thép không gỉ X18H10 Đáy được kết nối với thân thiết bị thông qua phương pháp ghép bích Thiết kế đáy theo hình elip với gờ được sử dụng cho các thiết bị có thân hàn thẳng đứng và chịu áp suất.
Chiều dày đáy phòng đốt được xác định theo công thức XIII.47 [2-385]:
- Dt: Là đường kính trong buồng đốt, Dt= 1 m
- hb: Chiều cao phần lồi của đáy
Theo XIII.10 [4 – 382]: Dt = 1 m → hb = 250 mm
- [𝜎]: Ứng suất cho phép của vật liệu
- φh: Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φh = 0,95
- k: Hệ số bền của đáy, được xác định theo công thức k = 1 − 𝑑
- d: Đường kính lỗ, tính theo đáy buồng đốt có cửa tháo dung dịch:
- ω: Là vận tốc dung dịch ra khỏi nồi 1 => lấy ω = 0,6 (m/s)
- V: Lưu lượng dung dịch ra khỏi nồi 1, 𝑉 = 𝐺 𝑑 −𝑊 1
- ρ: Khối lượng riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1, ρ = 1006,3 (kg/𝑚 3 )
- C: Hệ số bổ xung tính theo công thức XIII.17 [4-363], tăng thêm một ít tùy theo chiều dày Khi 10 ≤ S – C ≤ 20 mm C = 2 + 1,4 = 3,4 mm
- p: áp suất làm việc của thiết bị (p = p 1 + ρ dd g H dd ) ρ dd g H dd : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong buồng đốt
Hdd = Hống + hb + h1= 5 + 0,25 + 0,5 = 5,75 m p 1 : áp suất của hơi thứ trong nồi, p 1 = 1,59 at = 155979 (N/m 2 ) p = p 1 + ρ dd g H dd = 155979 + 1006,3.9,81.5,75 = 212741,87 (N/m 2 )
212741,87 = 522,90 > 30 Nên có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu, vậy chiều dày đáy lồi phòng đốt là:
2.0,25+ 3,4.10 −3 = 4,35.10 -3 (m)= 4,35 (mm) Quy chuẩn theo bảng XIII.11 [4-384] lấy S = 5mm để dễ chế tạo và ghép nối
(*) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thuỷ lực Po
1,2 = 183,33.10 6 Độ bền đảm bảo an toàn
Thoả mãn điều kiện ứng suất thuỷ lực Vậy chọn S = 5 (mm)
Tra bích lắp vào thân và đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép
Tra bảng XIII.26 [4-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
Kích thước nối Kiểu bích
Bulông 1 db (mm) Z(cái) H(mm)
Buồng bốc nồi cô đặc
2.1 Thể tích không gian hơi
Thể tích không gian hơi của buồng bốc được tính theo công thức VI.32 [2-71]
-W: Là lượng hơi bốc lên trong thiết bị, W = W1 = 4167,02 (kg/h)
-ρh: Khối lượng riêng của hơi thứ tại áp suất P1’= 1,59 (at) Tra theo bảng I.251 [3-
Cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi, ký hiệu là U, được đo bằng m³/m³.h và phụ thuộc vào nồng độ dung dịch cũng như áp suất hơi thứ Ở áp suất P = 1 at, giá trị U đạt từ 1600 đến 1700 m³/m³.h Khi áp suất khác 1 at, U sẽ được điều chỉnh theo hệ số f, với f = 0,97 từ đồ thị VI.3 Do đó, giá trị U tại 1 at được chọn là 1600 m³/m³.h.
Suy ra, Un = f.Utt (1at) = 0,97.1600 = 1552 (m 3 /m 3 h)
2.2 Tính chiều cao phòng bốc hơi
Chiều cao phòng bốc hơi được xác định theo công thức VI.34 [2-72] :
𝜋 𝐷 2 𝑡𝑟𝑏𝑏 (𝑚) Với Dtrbb: Là đường kính trong của buồng bốc
Chọn chiều cao phòng bốc hơi H = 2,6 (m)
Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [2-359], Dtrbb = 1,4 (m)
2.3 Tính chiều dày phòng bốc hơi
Chọn vật liệu làm thân buồng bốc là thép crôm – niken – titan (X18H10T) và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn
Do vật liệu chế tạo của buồng bốc tương tự với buồng đốt nên một số thông số khi tính toán ta lấy giống với buồng đốt
Bề dày buồng bốc được tính theo công thức XIII.8 [2-360]:
- Dtr: Đường kính trong phòng bốc, Dtr = 1,4 m
- σb: Ứng suất cho phép của vật liệu, σb 2.10 6 N/m φ: Hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc, ta chọn hàn bằng tay với Dtr >
- C: Hệ số bổ xung, C = 1,4 mm
- Pb: Áp suất hơi thứ, Pb = 1,59.9,81.10 4 = 155979(N/m 2 )
155979 0,95 = 717,33 > 50 nên bỏ qua Pb ở mẫu
2.132.10 6 0,95+ 1,4.10 −3 = 2,27.10 −3 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.9 [4-364] được S = 3 (mm) Ta chọn S = 4mm, cùng độ dày với buồng đốt
* Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy lực:
- p0: Áp suất thử tính toán được theo công thức: p0 = pth + p1
Áp suất thủy lực được xác định theo bảng XIII.5, với thiết bị kiểu hàn hoạt động trong điều kiện áp suất từ 0,07 đến 0,5.10^6 N/m^2, cho kết quả pth = 1,5 * pb = 1,5 * 155979 = 233968,5 N/m^2 Đồng thời, áp suất thủy tĩnh của nước được tính theo công thức p1 = ρgH, với p1 = 997,08 * 9,81 * 2,6 = 25431,52 N/m^2.
Thay vào công thức ta được:
2 (4 − 1,4) 10 −3 0,95 = 73,65.10 6 < 183,33.10 6 Vậy chiều dày buồng bốc là S = 4 mm
2.4 Tính chiều dày nắp buồng bốc
Cũng như đáy buồng đốt, ta chọn nắp elip có gờ và vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T
Chiều dày nắp buồng bốc được xác định theo công thức XIII.47 [2-385]:
- Pb: Áp suất buồng bốc Pb = 155979 (N/m 2 )
- Dtr: Là đường kính trong buồng bốc, Dtr= 1,4 m
- hb: Chiều cao phần lồi của đáy
Theo bảng XIII.10 [4-382] do Dtr = 1,4 m nên hb = 350 mm
- φh: Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φh = 0,95
- σbk: Ứng suất cho phép của vật liệu
- k: Hệ số bền của đáy, được xác định theo công thức k = 1 − 𝑑
- C: Hệ số bổ sung Lấy C = 1,4 mm Đại lượng bổ sung C khi S – C < 10 do đó phải tăng giá trị C thêm 2mm nên tacó:
- d: Đường kính lỗ, tính theo đáy buồng bốc có cửa tháo dung dịch:
- ω: Là vận tốc thích hợp hơi thứ => lấy ω = 30 (m/s)
- V: Lưu lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1, 𝑉 = 𝑊 1
155979 = 803,95 > 30 nên bỏ qua Pb ở mẫu
2.0,350+ 3,4 10 −3 = 1,11.10 −3 + 3,4 10 −3 = 4,51 10 −3 (𝑚) Quy chuẩn theo bảng XIII.11 [2-384]: S = 5 (mm)
(*) Kiểm tra ứng suất theo áp suất thuỷ lực Po
1,2 = 183,33.10 6 Thỏa mãn điều kiện ứng suất thủy lực Vậy S = 5 mm
2.5 Tra bích lắp vào thân và đáy, ố bu lông cần thiết để lắp ghép
Chọn bích liền kiểu 1, theo bảng XIII.27 [2–421] Ta có bảng sau:
Kích thước nối Kiểu bích
Bulông 1 db (mm) Z(cái) H(mm)
Tính một số chi tiết khác
3.1Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào và ra thiết bị Đường kính ống dẫn hơi đốt vào được tính theo công thức:
3.1.1 Ống dẫn hơi đốt vào
Các đại lượng trong công thức VII.74 [2-74] với hơi đốt
- ω: Là vận tốc thích hợp của hơi đốt trong ống Đối với hơi đốt, 𝜔 = (20 ÷ 40) m/s => lấy ω = 35(m/s)
- V: Lưu lượng hơi đốt cháy trong ống, 𝑉 = 𝐷
- D: Lượng hơi đốt đi vào nồi 1, D = 4615,61 (kg/h)
- ρ: Khối lượng riêng của hơi đốt,
Tra bảng I.251 [3 – 315] với phđ = 5at => ρ = 2,614 (kg/𝑚 3 )
0,785.35 = 0,133 (m) Quy chuẩn từ [4 – 434] dtr = 150 mm
Vận tốc tính toán là 27,74 m/s, nằm trong khuyến cáo, do đó chọn đường kính d = 150 mm Áp suất làm việc P được tính là 0,4905.10^6 N/m², trong khi quy chuẩn P là 0,6.10^6 N/m² Theo bảng XIII.26 [4-413], sử dụng bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn.
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 130 mm
3.1.2 Ống dẫn dung dịch vào
Lưu lượng dung dịch đầu vào là 10.800 kg/h với khối lượng riêng ρ là 987,6 kg/m³, được xác định ở nhiệt độ sôi 116,04 °C và nồng độ 5%.
𝜔: là vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, với dung dịch KNO3 là chất lỏng nhớt 𝜔 = (0,5 ÷ 1) m/s chọn 𝜔 = 1,2 (m/s)
Quy chuẩn theo bảng XIII.26 [2-414] ta được dtr = 70mm
Vận tốc tính toán là 0,89 m/s, nằm trong khuyến cáo cho phép Chúng ta chọn đường kính d = 70 mm Áp suất làm việc được xác định là P = Ptb1 = 1,74 at, tương đương với 0,17 x 10^6 N/m², trong khi quy chuẩn áp suất P = 0,25 x 10^6 N/m² Tham khảo bảng XIII.26 [4-414] để tra cứu thông tin về bích ống nối dẫn hơi thứ với hệ thống bên ngoài.
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 110 mm
3.1.3: Ống dẫn hơi thứ ra Đã tính ở phần buồng bốc d = 0,247m Quy chuẩn d = 250mm
Tra bảng XIII.26 [2-413] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống l = 140 mm
3.1.4 Ống dẫn dung dịch ra Đã tính ở phần buồng đốt d = 0,062 m Quy chuẩn d = 70 mm
Tra bảng XIII.26 [2-412] bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 110 mm
Vì nước ngưng là chất lỏng ít nhớt nên 𝜔 = 1 ÷ 2 (m/s), chọn 𝜔 = 1,2 (m/s) Coi lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt vào
Tng = 151,1 o C Tra bảng khối lượng riêng của nước (I.5 [3 – 11])
Vận tốc tính toán là 1,11 m/s, nằm trong giới hạn khuyến cáo Do đó, chọn đường kính 40 mm cho bích Áp suất làm việc P được xác định là 5 at, tương đương với 0,4905.10^6 N/m², trong khi quy chuẩn áp suất là 0,6.10^6 N/m² Theo bảng XIII.26 [2-414], với áp suất P là 0,6.10^6 N/m² và đường kính trục 40 mm, chúng ta có thể xác định các thông số cần thiết cho bích.
Kích thước nồi Kiểu bích
Bu Lông db (mm) z (cái)
Tra bảng XIII.32 [2-434] chọn l = 100 (mm)
3.2Tính và chọn tai treo
Tính khối lượng mỗi nồi khi thử thủy lực :
-Gnk: khối lượng nồi không
-Gnd: khối lượng nước được đổ đầy trong nồ
• Khối lượng nắp đáy buồng đốt:
- Đường kính trong của đáy buồng đốt: Dtr = 1000 (mm)
Tra bảng XIII.11 [4 – 384] ta có khối lượng của đáy elip có gờ: m= 47,9 kg
Do khối lượng ở bảng tra tính với thép cacbon, với thép không gỉ cần nhân thêm hệ số 1,01 nên m1 =2 47,9.1,01 = 96,76 (kg)
• Khối lượng thân buồng đốt:
- 𝜌: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m 3
-h: chiều cao buồng đốt là tổng chiều cao ống truyền nhiệt và chiều cao đáy nắp buồng đốt: h = 5 + 0,5+ 0,4+0,8 = 6,2 (m)
-V: thể tích thân buồng đốt, V = h 𝜋
4.(𝐷 2 𝑛 - 𝐷 2 𝑡𝑟 ) (𝑚 3 ) -𝐷 𝑡𝑟 : đường kính trong buồng đốt, 𝐷 𝑡𝑟 = 1 m
- 𝐷 𝑛 : đường kính ngoài buồng đốt, 𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑡𝑟 + 2.S = 1+ 2.0,004 = 1,008m
• Khối lượng 2 lưới đỡ ống: m3 = 2.ρ.V (kg) Trong đó
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m3
4 (𝐷 2 − 𝑛 𝑑 2 𝑛 ) (m 3 ) S: chiều dày lưới đỡ ống, S = 0,012(m) D: đường kính trong thân buồng đốt, D = 1 (m) n: số ống truyền nhiệt, n = 187 (ống) dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn= 0,038(m) Thay vào ta có: V = 0,012.0,785.(1 2 –187.0,038 2 ) (m 3 )
• Khối lượng các ống truyền nhiệt m4= n.ρ.V (kg) Trong đó:
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m3
- n: số ống truyền nhiệt, n = 187 (ống)
4.(𝑑 2 𝑛 - 𝑑 2 𝑡𝑟 ) (𝑚 3 ) h: chiều cao ống truyền nhiệt, h = 5(m) dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, dn = 0,038(m) dtr: đường kính trong của ống truyền nhiệt, dtr = 0,034(m) Thay vào ta có: V = 5.0,785.(0,038 2 -0,034 2 ) = 1,13.10 −3 (m 3 )
• Khối lượng thân buồng bốc:
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m 3
-V: thể tích thân buồng bốc, V = h 𝜋
-Dtr: đường kính trong buồng bốc, 𝐷 𝑡𝑟 = 1,4 m
-Dn: đường kính ngoài buồng bốc, 𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑡𝑟 + 2.S = 1,4 + 2.0,004 = 1,408 m
• Khối lượng nắp buồng bốc:
Tra bảng XIII.11 [4 – 384] ta có khối lượng của nắp elip” m6 = 106.1,01 = 107,06 kg
• Khối lượng phần nón cụt
Chọn chiều dày phần nón cụt bằng chiều dày buồng bốc: S= 4mm
Lấy tiết diện ống tuần hoàn bằng 10% tổng diện tích các ống truyền nhiệt ( lấy theo kinh nghiệm )
A: Tiết diện trong ống tuần hoàn dtr: Đường kính trong của ông truyền nhiệt, dtr= 0,034m n: Số ống truyền nhiệt, n7 ống
Đường kính ống tuần hoàn:
Chiều cao hình nón cụt:
3 𝜋 ℎ (𝑅 2 + 𝑟 2 + 𝑅 𝑟) Trong đó: h: chiều cao phần nón cụt
R,r: bán kính 2 đáy của nón cụt
• Khối lượng 4 bích ghép nắp, thân và đáy buồng đốt m8= 4.ρ.V (kg) Trong đó:
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m 3
4 (𝐷 2 − 𝐷 2 0 − 𝑧 𝑑 2 𝑏 ) (m 3 ): h: chiều cao các bích Chọn h = 0,026 m -> V = 0,026.0,785.(1,14 2 – 1,013 2 – 28.0.02 2 )
• Khối lượng 2 mặt bích ghép nắp và đáy buồng bốc m9= 2.ρ.V (kg) Trong đó:
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m 3
Vậy tổng khối lượng nồi khi chưa tính bu lông, đai ốc là:
G: là gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s 2 )
3.2.2 Tính G nd a Thể tích không gian buồng đốt và buồng bốc:
- hb: chiều cao buồng bốc, hb = 2.6(m)
- Dtrbb: đường kính trong buồng bốc, Dtrbb = 1,4(m)
- hd: chiều cao buồng đốt, hd = 6,2 (m)
- Dtrbd: đường kính trong buồng đốt, Dtrbd = 1(m)
Khối lượng nước chứa đầy trong nồi là:
Khối lượng nồi khi thử thủy lực là:
Ta chọn số tai treo và chân đỡ là 8, khi đó tải trọng một tai treo, chân đỡ phải chịu là:
Tra bảng XIII.36 tai treo thiết bị thẳng đứng [4-438]
Tải trọng cho phép trên một tai treo G.10 -4 , N 2,5
Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10 -6 (N) 1,45
Khối lượng một tai treo, kg 3,48
Tra bảng XIII.35 [4 – 437] Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng:
Tải trọng cho phép 1 chân đỡ G.10 4 N
Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày: δ = 15mm, đường kính d 200mm Áp suất làm việc nhỏ hơn 6 at
Chọn bích kiểu 1, bảng XIII.26 [2 – 415], bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị:
(mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Ta chọn kính quan sát làm bằng thủy tinh silicat dày: δ = 15mm, đường kính d 300mm Áp suất làm việc nhỏ hơn 6 at
Chọn bích kiểu 1, bảng XIII.26 [2 – 415], bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị:
(mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt
Bề dày lớp cách nhiệt cho thiết bị được tính theo công thức:
- tT2: nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí, khoảng 40 – 50 o C, chọn tT2 45 o C
Nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp với bề mặt thiết bị, ký hiệu tT1, có giá trị là 151,1 °C Điều này xảy ra do trở lực tường trong thiết bị rất nhỏ so với trở lực của lớp cách nhiệt, cho phép tT1 gần sát với nhiệt độ hơi đốt.
- tkk: nhiệt độ môi trường xung quanh Tra bảng VII.1 [4 – 97], chọn tkk = 23,4 o C, lấy nhiệt độ trung bình cả năm tại Hà Nội
- 𝜆c: hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt, chọn vật liệu lớp cách nhiệt là sợi bông thủy tinh: 𝜆𝑐 = 0,0372 W/m.độ (bảng PL.14 [1 – 348])
- 𝛼𝑛: hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí:
Thay số vào ta có: δ 𝑐 = λ 𝑐 (t 𝑇1 − t 𝑇2 ) α 𝑛 (t 𝑇2 − t 𝑘𝑘 ) =0,0372(151,1 − 45)
Các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài với dung dịch KNO3
Nồng độ dung dịch Đầu 5
Lượng hơi đốt đi vào nồi 1 4615,61 kg/h Lượng hơi thứ bốc ra
Nhiệt độ sôi của dung dịch
Hiệu số nhiệt hữu ích
Bề mặt truyền nhiệt Nồi 2 85,30
Buồng đốt Đường kính trong 1000
Chiều dày lưới đỡ ống 12
Chiều dày đáy lồi buồng đốt 5
Chiều dày ống truyền nhiệt
Buồng bốc Đường kính trong 1400
Chiều dày nắp buồng bốc 5
Kính quan sát có đường kính trong 300 mm, ống dẫn hơi có đường kính trong 150 mm, ống dẫn dung dịch vào có đường kính trong 70 mm, và ống dẫn dung dịch ra cũng có đường kính trong 70 mm.
54 Ống dẫn hơi thứ ra Đường kính trong 250 Ống tháo nước ngưng Đường kính trong 40
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Tính toán lượng hơi nước ngưng tụ
Để tính toán lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, ta sử dụng các thông số sau: Gn là lượng nước lạnh cần thiết (kg/s), W là lượng hơi ngưng tụ vào thiết bị (kg/s), và i là nhiệt lượng riêng của hơi ngưng, với giá trị i = i2’ = 2608444 J/kg Nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước lạnh được chọn lần lượt là t2đ = 25 o C và t2c = 50 o C.
=>Nhiệt độ trung bình: ttb = 𝑡 2đ +𝑡 2𝑐
Cn: nhiệt dung riêng trung bình của nước, J/kg.độ Tra theo nhiệt độ trung bình I.147 [3 – 165]: Cn (tại 37,5 o C) = 4181,04 (J/kg.độ)
Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m
W2: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị ngưng tụ, kg/s, W2 = 4258,15 (kg/h) ρh: khối lượng riêng của hơi ngưng tụ ở 59,7 oC
Theo bảng I.250, ρh = 0,1286 kg/m3 và ωh là tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ, phụ thuộc vào cách phân phối nước trong thiết bị, cụ thể là kích thước của các tia nước Khi tính toán với áp suất làm việc png = 0,2 at, ta có thể chọn ωh = 35 m/s.
Do đó ta có: D tr = 0.02305 √ 4285,15
0,1286.35 = 0,711 𝑚 Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88], Dtr = 800 mm
Tính kích thước tấm ngăn
Chiều rộng tấm ngăn có dạng hình viên phân b xác định theo công thức: b =D tr
Dtr: đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, mm b 0
2 + 50 = 450 mm -Trên tấm ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ
-Nước làm nguội là nước sạch nên lấy đường kính lỗ là dlỗ = 2mm
-Chiều dày tấm ngăn chọn 𝛿 = 4mm
-Chiều cao gờ cạnh tấm ngăn = 40mm ωc: tốc độ của tia nước, m/s Khi chiều cao của gờ tấm ngăn là 40 mm, ω c
= 0,62 m/s Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ: f = G n 10 −3 3600ω c 365,06 10 −3
3600.0,62 = 0,044 m 2 Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước của các lỗ được xác định theo công thức VI.55
+ d lỗ dlỗ : đường kính của lỗ đĩa đã chọn, dlỗ = 2mm
Tỉ số giữa tổng diện tích tiết diện của các lỗ và diện tích tiết diện của thiết bị ngưng tụ, ký hiệu là (f f tb), thường dao động trong khoảng 0,025 đến 0,1 Trong trường hợp này, chúng ta chọn (f f tb) = 0,03 Khi thay số vào công thức, ta tính được giá trị t = 0,866.2 0,03 0,5 + 2 = 2,3 mm.
Tính chiều cao của thiết bị ngưng tụ
Chiều cao thiết bị ngưng tụ phụ thuộc mức độ đun nóng Mức độ đun nóng được xác định theo công thức: β =t 2c − t 2đ t bh − t 2đ [2 − 85]
𝑡 2𝑐 , 𝑡 2đ : là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh, o C
𝑡 𝑏ℎ : là nhiệt độ của hơi nước bão hòa ngưng tụ, o C β = t 2c − t 2đ t bh − t 2đ = 50 − 20
59,7 − 25 = 0,72 Dựa vào mức độ đun nóng với điều kiện lỗ dlỗ = 2mm, tra bảng VI.7 [2-86] Quy chuẩn 𝛽 = 0,727
Khoảng cách giữa các ngăn mm
Thời gian rơi qua một bậc (s)
Mức độ đun nóng Đường kính tia nước (mm)
Khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên, thể tích của nó sẽ giảm dần, vì vậy khoảng cách giữa các ngăn cũng cần được điều chỉnh giảm theo hướng từ dưới lên, khoảng 50mm cho mỗi ngăn Với 8 ngăn như trong bảng, khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300mm, và chúng ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăn dưới cùng là 400mm.
Chiều cao hữu ích của thiết bị ngưng tụ sẽ là:
Tính kích thước đường kính trong ống baromet
Đường kính ống Baromet được xác định theo công thức VI.57 [2 – 86]:
𝜔: tốc độ của hỗn hợp nước làm lạnh và nước ngưng chảy trong ống Baromet, m/s Lấy ω = 0,5m/s d = √0,004 (98365,06 + 4285,13)
Tính chiều cao ống baromet
Xác định chiều cao ống baromet theo công thức VI.58 [2 – 86]:
H = h1 + h2 + 0,5 (m) Trong đó: h1: chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ h 1 = 10,33 P ck
760 (m) Trong đó Pck là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ:
760 = 8,33 𝑚 h2: chiều cao cột nước trong ống Baromet để khôi phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống Theo công thức VI.61 [2 – 87]: h 2 = ω 2
2g (2,5 + λ.H d) , m Trong đó: d: đường kính trong ống baromet, d = 0,27 (m) 𝜔: vận tốc dòng, 𝜔 = 0,5 m/s
𝜆: hệ số trở lực ma sát khi nước chảy trong ống λ = 0,3164
𝜇 𝜌𝑡𝑏: khối lượng riêng lỏng tại ttb = 37,5oC Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜇 = 0,6881.10 -3 (N/m2) Tra bảng I.249 [1-310] và nội suy tại 37,5 oC ta có: 𝜌𝑡𝑏= 993,1 (kg/m3 )
Tính lượng hơi và nước ngưng
Lượng không khí cần hút:
Gkk = 0,000025.W2 + 0,000025.Gn + 0,01.W2 (Kg/h) Gkk = (0,000025 + 0,01).W2 + 0,000025.Gn
Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/h W2: lượng hơi nước vào thiết bị ngưng tụ, kg/h
Gkk = (0,000025+0,01) 4285,13 + 0,000025 98365,06 = 45,42 (kg/h) Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
3600(P ng − P h ) tkk: nhiệt độ không khí đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô được tính
61 theo công thức VI.50 [2 – 84] tkk = t2d + 4 + 0,1(t2c – t2d) = 25 + 4 + 0,1(50 – 25) = 31,5 o C ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk,
N/m 2 Tra bảng I.250 [1 – 312]: tkk = 31,5 o C ta có, ph = 0,0475.9.81.10 4 (N/m 2 )
Tính toán bơm chân không
Công suất của bơm chân không tính theo công thức:
Trong đó: m: chỉ số đa biến, chọn m = 1,25 pk = png – ph = 0,2 – 0,0475 = 0,1525 (at) p1 = png = 0,2 at p2: áp suất khí quyển, p2 = 1 at η: hiệu suất, η = 0,65
Dựa vào Nb chọn bơm theo quy chuẩn ở bảng II.58 [1 – 513], bơm chân không vòng nước PMK ta chọn được bơm PMK-1 với các thông số:
+ Số vòng quay: 1450 vòng/phút
+ Công suất yêu cầu trên trục bơm: 3,75 kW
+ Công suất động cơ điện: 4,5 kW
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Để đun nóng hỗn hợp đầu, thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đứng sử dụng hơi nước bão hòa làm nguồn nhiệt Áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa được chọn là p = 5,0 at, tương ứng với nhiệt độ hơi nước bão hòa tbh = 151,1 °C.
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với các thông số (bảng V.10 [2 – 44]):
Bề mặt truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích: 15 – 40 m 2 /m 3
Lượng kim loại cần cho một đơn vị tải nhiệt: 1
Lượng kim loại cần cho một đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80 kg/m 2 Đường kính trong của ống: d = 0,032m
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống
Chọn loại ống thép X18H10T đường kính d = 32 2 mm, L = 3m
Yêu cầu thiết kế quan trọng nhất trong việc chế tạo thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là xác định bề mặt truyền nhiệt Bên cạnh đó, cần xác định các thông số khác như đường kính, chiều cao, số ống và số ngăn của thiết bị.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt
-F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 10800 (kg/h)
-Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cp = C0 = 3976,7 (J/kg.độ)
-tF: Nhiệt độ cuối của dung dịch, tF= tso= 116,04 ( o C)
-tf: Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, tf = 25 ( o C) Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi của dung dịch là:
3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích
Do ∆tđ/∆tc = 3,6> 2 nên nhiệt độ trung bình của hai lưu thể là:
Hơi đốt có nhiệt độ trung bình t1tb = 151,1 o C
Phía hỗn hợp: t2tb = t1tb – ∆ttb = 151,1 -71,12 = 79,98 o C
3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:
Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa r = 2117000 (J/kg)
∆𝑡1: chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 3m
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm = 0,5 (tT1 + ∆t1) = 0,5 (146,5 + 151,1) 149,15 ℃ nội suy theo bảng số liệu [3 – 29] ta có A = 195,37
3.2.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1 ∆t1
3.2.3.Hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xoáy
Prt là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng, được xác định dựa trên nhiệt độ trung bình của tường Hệ số hiệu chỉnh ε1 được sử dụng để điều chỉnh ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống.
Pr t thể hiện ảnh hưởng của dòng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ thì ( Pr
Pr t) 0,25 ≈ 1 [3 – 15] a, Tính chuẩn số Pr
+ Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại t2tb = 79,89 ℃
+ μ là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở t2tb = 79,89 ℃
+ λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t1 = 20 o C; t2 = 30 o C
Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có: t1 = 20 o C, x = 5% → μ11 = 0,98 10 −3 [N.s/m 2 ] t2 = 30 o C, x = 5% → μ21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có: μ11 = 0,98 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ11= 21,05 o C μ21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ21= 30,04 o C
Tại ts1 = 116,04 o C, dung dịch có độ nhớt là μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ31:
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ31 = 105,07 o C ta được μdd1 = 0,2632 10 -3 [N.s/m 2 ]
- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch xác định theo công thức λ = A Cp ρ √ ρ
+ Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại ttb = 79,89 ℃ Đã tính được
Cp = 3976,7 (J/kg độ) + ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng ρ = 1000,125 (kg/m 3 ) [bảng I.46-1-42] + M là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu
M = MKNO3 NKNO3 + MH2O NH2O = 101 NKNO3 + 18 (1 – NKNO3)
NKNO3: Phần mol của KNO3 trong dung dịch
Thay vào công thức trên ta có:
M1= 101.0,0093+ 18 (1-0,0093) = 18,77 + A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng A = 3,58 10 -8 [2 –
3.2.4 Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống:
Trong đó: tT1, tT2: nhiệt độ thành ống hơi nước và về phía hỗn hợp
65 r1; r2: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của thành ống
Tra bảng II.V.1 [2-4]: r1 = 0,000387 [m 2 độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch r2 = 0,000232 [m 2 độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía hơi bão hòa
𝛿: bề dày ống truyền nhiệt, 𝛿 = 2 10−3(𝑚)
∑ r: tổng nhiệt trở ở 2 bên ống truyền nhiệt: Ống dẫn nhiệt làm bằng vật liệu X18H10T có λ = 16,3 W/m.độ
Khi chênh lệch nhiệt độ giữa tường vào dòng nhỏ thì 𝑃𝑟
0,032 = 742,86 (W/m 2 độ) 3.2.6 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch: q2= 𝛼2 ∆𝑡2 = 742,86 43,42 = 32255,09 (W/m 2 ) Kiểm tra sai số:
32058,00 = 0,61 % Sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận giả thiết
3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt
Diện tích bề mặt truyền nhiệt xác định thông qua phương trình cơ bản của truyền nhiệt
Q = K F ∆𝑡 𝑡𝑏 Chọn giá trị α1 = 6548,4 (W/m 2 độ) và lượng nhiệt truyền cho 1m 2 ống truyền nhiệt là:
Hoặc cũng có thể tính thông qua nhiệt tải riêng qtb = 𝑄
3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt
Số ống của thiết bị trao đổi nhiệt được xác định theo công thức n = 𝐹
+ F = 34 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
+ f = 𝜋 d h0: là diện tích xung quanh của một ống truyền nhiệt, m 2
+ h0 = 3 m là chiều cao ống truyền nhiệt
3,14 0,032 3 = 113 (ống) Chọn sắp xếp ống theo hình 6 cạnh Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II [3 – 48] ta có
- Tổng số ống của thiết bị là n = 127 (ống)
- Số hình 6 cạnh là 6 hình
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 13 ống
- Số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh a = 0,5 (b + 1) = 7 ống Vận tốc lỏng chảy trong ống cần đạt ω t = 4 G đ π d t 2 n Trong đó
+ Gđ là lưu lượng thể tích chất lỏng (m 3 )
+ dt = 0,033 m là đường kính trong của 1 ống
+ Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng tại ttb = 71,12 ℃ là 𝜌 = 1001,125 (kg/m 3 )
Ta phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt diễn ra ở chế độ xoáy
Số ngăn của thiết bị là
0,029 = 3 𝑛𝑔ă𝑛 Vậy chia không gian trong ống thành 3 ngăn
3.5 Đường kính trong của thiết bị Đường kính trong của thiết bị được xác định theo công thức
+ d = dn = 36 mm là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt