ĐỒ án môn học đề tài THIẾT kế hệ THỐNG THIẾT bị cô đặc HAI nồi XUÔI CHIỀU BUỒNG đốt NGOÀI làm VIỆC LIÊN tục cô đặc DUNG DỊCH KNO3 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ĐỒ ÁN MƠN HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XI CHIỀU BUỒNG ĐỐT NGỒI LÀM VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC DUNG DỊCH KNO3 Sinh viên thực hiện: Mã số sinh viên: Lớp: Giáo viên hướng dẫn: Lê Minh Thư 20180944 KTHH03-K63 Đặng Thị Tuyết Ngân Hà Nội, 1/2022 VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MƠN Q TRÌNH –THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440 Họ tên: Lê Minh Thư MSSV:201800944 Lớp:KTHH- 03 Khóa:K63 I Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc xuôi chiều gồm nồi loại có buồng đốt ngồi dùng để đặc dung dịch KNO3 Các số liệu ban đầu: Năng suất đầu vào: 10800 kg/h Nồng độ ban đầu: % kh.lg Nồng độ cuối: 23 %kh.lg II Áp suất đốt nồi đầu: 5,0 Áp suất làm việc thiết bị ngưng tụ:0,2 at at Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ cơng nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính khí thiết bị Tính chọn thiết bị phụ (3 thiết bị phụ) Kết luận Tài liệu tham khảo Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4 Bản vẽ lắp thiết bị chính: III Cán hướng dẫn: IV Ngày giao nhiệm vụ: V Ngày phải hoàn thành: khổ A1 Đặng Thị Tuyết Ngân ngày tháng 10 năm 2021 ngày 27 tháng năm 2022 (Dùng cho sinh viên khối cử nhân kỹ thuật/kỹ sư) Phê duyệt Bộ môn Ngày 27 tháng năm 2022 Người hướng dẫn LỜI MỞ ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo sinh viên trình độ năm thứ 4, Đồ án q trình thiết bịtrong cơng nghiệp hóa chất thực phẩm hội tốt để sinh viên tiếp cận với việc tính tốn, thiết kế chọn lựa chi tiết thiết bị theeo thông số cụ thể Qua sinh viên tích lũy kiến thức cần thiết như: khả đọc, tra cứu tài liệu kĩ tính tốn, trình bày theo phong cách khoa học Những kĩ có ích cho sinh viên sau trường làm việc Trong đồ án này, nhiệm vụ em “Tính tốn, thiết kế hệ thống đặc hai nồi có buồng đốt ngồi, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch KNO3 từ nồng độ 5% lên 23% Đồ án thực hướng dẫn Đặng Thị Tuyết Ngân.Vì đồ án qn trình thiết bị cơng nghiệp hóa chất thực phẩm đề tài lớn dầu tiên mà em đảm nhận nên khơng tránh khỏi thiếu xót hạn chế Do em mong dẫn, góp từ thầy để em hoàn thành tốt đồ án Sinh viên thực Lê Minh Thư Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU PHẦN 1: TỔNG QUAN Tổng quan KNO3 1.1 Tính chất hóa học 1.2 Điều chế KNO3 1.3 Ứng dụng quan KNO3 đời sống sản xuất 1.4 Ưu điểm hóa chất KNO3 Tổng quan cô đặc 2.1 Định nghĩa cô đặc 2.2 Ứng dụng cô đặc 2.3 Phân loại thiết bị cô đặc Quy trình cơng nghệ 3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ: 3.2 Sơ đồ thuyết minh quy trình cơng nghệ: 3.2.1 Sơ đồ công nghệ: 3.2.2 Thuyết minh sơ đồ 10 PHẦN 2: TÍNH TỐN Q TRÌNH 12 Xác định lương thứ bốc khỏi hệ thống 12 Tính sơ lượng bốc khỏi nồi: 12 Tính nồng độ cuối dung dịch nồi cô đặc: 12 Tính chênh lệch áp suất chung hệ thống ∆P 13 Xác định áp suất, nhiệt độ đốt cho nồi 13 Tính nhiệt độ ti’ áp suất thứ khỏi thiết bị đặc: 13 Tính tổn thất nhiệt độ cho nồi 14 7.1 Tính tổn thất nhiệt đọ áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i’’ 14 7.2 Tính tổn thất nhiệt độ nồng độ ∆′: 15 7.3.Tổn thất nhiệt độ trở lực đường ống ∆i’’’ 16 7.4.Tính tổng tổn thất nhiệt độ hệ thống 16 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ thống 16 Thiết lập phương trình cân nhiệt để tính lượng đốt D lượng thứ Wi nồi 17 9.1.Sơ đồ cân nhiệt lượng 17 9.2 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch nồi 18 9.3 Phương trình cân nhiệt lượng 18 10 Tính hệ số cấp nhiệt nhiệt lượng trung bình nồi α 21 10.1 Tính hệ số cấp nhiệt 21 10.2 10.3 10.4 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ 22 Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sơi: 22 Tính nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch: 26 11 Xác định hệ số truyền nhiệt nồi: 26 12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho nồi: 27 13 So sánh ∆Ti ∗và ∆Ti 27 14 Tính bề mặt truyền nhiệt F 28 PHẦN 3: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 29 1.Buồng đốt nồi cô đặc 29 1.1: Tính số ống buồng đốt 29 1.2:Đường kính buồng đốt 30 1.3 Tính chiều dày buồng đốt 30 1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 33 1.5 Tính chiều dày đáy buồng đốt 34 1.6 Tra bích lắp vào thân đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép 36 Buồng bốc nồi cô đặc 36 2.1 Thể tích khơng gian 36 2.2 Tính chiều cao phòng bốc 37 2.3 Tính chiều dày phòng bốc 37 2.4 Tính chiều dày nắp buồng bốc 38 2.5 Tra bích lắp vào thân đáy, số bu lông cần thiết để lắp ghép 39 Tính số chi tiết khác: 41 3.1Tính đường kính ống nối dẫn hơi, dung dịch vào thiết bị 41 3.1.1 Ống dẫn đốt vào 41 3.1.2 Ống dẫn dung dịch vào 42 3.1.3 Ống dẫn dung dịch 43 3.1.4 Ống tháo nước ngưng 43 3.2Tính chọn tai treo 44 3.2.1 Tính Gnk 44 3.2.2 Tính Gnd 48 3.3 Chọn kính quan sát 50 3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt 51 PHẦN 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 55 1.Thiết bị ngưng tụ baromet 55 1.1 Tính tốn lượng nước ngưng tụ 56 1.2 Tính đường kính thiết bị ngưng tụ 57 1.3 Tính kích thước ngăn 57 1.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ 58 1.5 Tính kích thước đường kính ống baromet 59 1.6 Tính chiều cao ống baromet 59 1.7 Tính lượng nước ngưng 60 Tính tốn bơm chân không 61 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 61 3.1 Nhiệt lượng trao đổi 62 3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 62 3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: 62 3.2.2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: 63 3.2.3.Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy 63 3.2.4 Hiệu số nhiệt độ phía thành ống: 64 3.2.5 Tính chuẩn số Prt 65 3.2.6 Nhiệt tải riêng phía dung dịch: 65 3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 65 3.4 Xác định số ống, cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt 66 KẾT LUẬN 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHẦN 1: TỔNG QUAN Tổng quan KNO3 • KNO3 Chất rắn màu trắng • Khối lượng mol: 101,103 g/mol • Khơng mùi • Khối lượng riêng: 2,109 g/cm3 (16 °C) • Điểm nóng chảy: 334 °C • Phân hủy 400 °C • Độ hịa tan nước: Tan nhiều nước (13,3 g/100 mL (0 °C), 36 g/100 mL (25 °C), 247 g/100 mL (100 °C)) • Đây muối tan etanol tan glycerol, amoni • KNO3 hợp chất hóa học có tên gọi Kali Nitrat Potassium Nitrate Đây muối ion ion kali K + ion nitrate NO3- • KNO3 xem tiêu thạch khoáng sản nguồn rắn tự nhiên nitơ 1.1 Tính chất hóa học • KNO3 có tính oxy hóa mạnh • KNO3 bị nhiệt phân để tạo thành kali Nitrit Oxi tạo thành phương trình hóa học sau: • KNO3 → KNO2 + O2 (Điều kiện phản ứng nhiệt độ cao) 1.2 Điều chế KNO3 Hiện nay, KNO3 điều chế phản ứng trao đổi, NaCl kết tinh nhiệt độ 30oC tách khỏi dung dịch làm nguội, KNO3 kết tinh thu nhiệt độ 22oC với phương trình hóa học sau: NaNO3 + KCl → KNO3 + NaCl 1.3 Ứng dụng quan KNO3 đời sống sản xuất Vai trò KNO3 nơng nghiệp • Kali nitrat loại phân bón cung cấp toàn dinh dưỡng dạng đa lượng, gần cao thành phần cơng thức phân bón khác • KNO3 nguồn cung cấp kali tuyệt vời Mà kali nitrat kali cần thiết cho phát triển hoạt động bình thường mơ Kation kali (K+) đóng phần quan trọng nhiều trình trao đổi chất tế bào, đóng vai trị điều hịa tham gia vào số q trình cung cấp quản lý nước (tham gia vào đóng mở lỗ khí khổng) • KNO3 giúp cho trồng khỏe mạnh cho suất trồng tốt • KNO3 sau bón vào đất giúp đất giảm mặn, cải thiện tình hình sử dụng nước giúp tiết kiệm nước trồng • KNO3 thành phần khơng thể thiếu dinh dưỡng thủy canh, định tới phát triển trồng lớn, việc thiếu Kali Nitrat thể rõ, cháy mép lá, đốm đen lá, vàng • Loại hóa chất ví chất để chống lại vi khuẩn, nấm gây bệnh, côn trùng virus KNO3 làm giảm đáng kể hấp thụ Cl trồng Đồng thời chống lại tác nhân gây hại natri Vai trò KNO3 chế tạo thuốc nổ • Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO3, 10% S 15% C Khi nổ, tạo muối kali sunfua, khí nitơ khí CO2: • 2KNO3 + 3C + 5S → K2S + N2 + 3CO2 • Ngồi ra, KNO3 cịn dùng để tạo thành pháo hoa Vai trò KNO3 bảo quản thực phẩm cơng nghiệp • Phụ gia thực phẩm(E252) • Là cách để bảo quản thịt chống thiu Vai trị KNO3 dược • Được sử dụng số kem đánh cho nhạy cảm Gần đây, việc sử dụng kali nitrat kem đánh để điều trị nhạy cảm tăng lên phương pháp điều trị hiệu • Được sử dụng lịch sử để điều trị bệnh hen suyễn viêm khớp 1.4 Ưu điểm hóa chất KNO3 Ưu điểm hóa chất khơng gây hại cho sức khỏe người Và bản, KNO3 khơng độc hại mà có lợi cho trồng Chính mà sử dụng phổ biến trở thành loại hóa chất nông nghiệp thường gặp Tổng quan cô đặc 2.1 Định nghĩa cô đặc Cô đặc q trình làm bay phần dung mơi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhiệt độ sơi, với mục đích: • Làm tăng nồng độ chất tan • Tách chất rắn hịa tan dạng tinh thể (tinh khiết) • Thu dung mơi dạng nguyên chất (cất nước) Cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp xuất (áp xuất chân không, áp xuất thường, áp xuất dư) hệ thống thiết bị cô đặc (nồi) hay hệ thống nhiều thiết bị đặc Q trình gián đoạn hay liên tục Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngồi cịn làm tăng hiệu số nhiệt độ đốt nhiệt độ sơi trung bình dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích) dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, đặc chân khơng nhiệt độ sơi dung dịch thấp nên tận dụng nhiệt thừa trình sản suất khác (hoặc sử dụng thứ) cho cô đặc Cô đặc áp xuất cao áp xuất khí thường dung cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô để sử dụng thứ dung dịch cho trình khác Cịn đặc áp xuất khí thứ khơng sử dụng mà thải ngồi khơng khí Đây phương pháp đơn giản nhiệu kinh tế không cao 2.2 Ứng dụng cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái Trong sản xuất hố chất, ta cần đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm sử dụng thiết bị cô đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó địi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an tồn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc 2.3 Phân loại thiết bị đặc a Theo cấu tạo Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hồn ngồi • Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hồn cưỡng bức) Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi • Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm: • Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ • Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ b Theo phương pháp thực q trình - Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn - Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục - Cô đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế - Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có khơng có ống tuần hồn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư Trong thực tế người ta thường thiết kế hệ thống cô đặc nhiều nồi để tang hiệu sử dụng đốt Quy trình cơng nghệ 3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ: Q trình đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Q trình đặc thực áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở làm việc áp suất thấp dùng thiết bị kín đặc chân khơng có ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm nhiệt độ sơi dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng) PHẦN 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 1.Thiết bị ngưng tụ baromet Hơi thứ sau khỏi nồi cô đặc cuối dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet để thu hồi lượng nước hơi, đồng thời tách khí khơng ngưng dung dịch mang vào khe hở thiết bị Hơi vào thiết bị ngưng tụ từ lên, nước lạnh, nước ngưng tụ chảy xuống ống baromet Hệ thống thiết bị: Chọn thiết bị ngưng tụ baromet - thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao Sơ đồ sau: Thân Thiết bị thu hồi bọt Ống baromet Tấm ngăn Cửa hút chân khơng Trong thân gồm có ngăn hình bán nguyệt Ngun lí làm việc chủ yếu thiết bị ngưng tụ trực tiếp phun nước lạnh vào hơi, tỏa nhiệt đun nóng nước ngưng tụ lại Do thiết bị ngưng tụ trực 55 tiếp để ngưng tụ nước chất lỏng khơng có giá trị khơng tan nước chất lỏng trộn lẫn với nước làm nguội Sơ đồ nguyên lí làm việc thiết bị ngưng tụ baromet ngược chiều loại khơ mơ tả hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ ống baromet (3) để tháo nước chất lỏng ngưng tụ Hơi vào thiết bị từ lên, nước chảy tử xuống, chảy tràn qua cạnh ngăn, đồng thời phần chui qua lỗ ngăn Hỗn hợp nước làm nguội chất lỏng ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí khơng ngưng lên sang thiết bị thu hồi bọt (2) tập trung chảy xuống ống baromet Khí khơng ngưng hút qua phía bơm chân khơng Ống baromet thường cao H > 11 m [3 – 106] để độ chân khơng thiết bị có tăng nước khơng dâng lên ngập thiết bị Loại có ưu điểm nước tự chảy mà khơng cần bơm nên tốn lượng, suất lớn Trong cơng nghiệp hóa chất, thiết bị ngưng tụ baromet chân cao ngược chiều loại khô thường sử dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt vị trí cuối hệ thống nồi cuối thường làm việc áp suất chân không Các số liệu cần biết: - Hơi thứ nồi cuối hệ thống cô đặc: W2 = 4285,15kg/h - Áp suất thiết bị ngưng tụ: png = 0,2 at => Tng = 59,7 oC - Các thông số vật lý thứ khỏi nồi cuối hệ thống: t2’ = 60,7 oC i2’ = 2608444 (J/kg.độ) p2’= 0,21 at r2’ = 2355556 (J/kg.độ) 1.1 Tính tốn lượng nước ngưng tụ Công thức VI.51 [2– 84]: W2 (i − Cn ⋅ t 2c ) Gn = (kg/h) Cn (t 2c − t 2đ ) Trong đó: Gn: lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, kg/s W: lượng ngưng tụ vào thiết bị ngưng tụ, kg/s i: nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) ngưng, J/kg i = i2’ = 2608444 J/kg t2đ, t2c: nhiệt độ đầu cuối nước lạnh, oC Chọn t2đ = 25 oC, t2c = 50 oC =>Nhiệt độ trung bình: ttb = 𝑡2đ +𝑡2𝑐 = 25+50 = 37,5 oC 56 Cn: nhiệt dung riêng trung bình nước, J/kg.độ Tra theo nhiệt độ trung bình I.147 [3 – 165]: Cn (tại 37,5oC) = 4181,04 (J/kg.độ) 𝐺𝑛 = 𝑊2 (𝑖−𝐶𝑛 ⋅𝑡2𝑐 ) 𝐶𝑛 (𝑡2𝑐 −𝑡2đ ) = 4285,15(2608444−4181,04.50) 4181,04.(50−25) = 98365,52 (kg/h) 1.2 Tính đường kính thiết bị ngưng tụ Theo công thức VI.52 [2 – 84]: Dtr = 0,02305 √ W2 ρh ω h Trong đó: Dtr: đường kính thiết bị ngưng tụ, m W2: lượng ngưng tụ vào thiết bị ngưng tụ, kg/s, W2 = 4258,15 (kg/h) ρh: khối lượng riêng ngưng tụ 59,7 oC Tra bảng I.250 [1-312] ta có ρh = 0,1286 kg/m3 ωh: tốc độ thiết bị ngưng tụ Nó phụ thuộc vào cách phân phối nước thiết bị, tức theo độ lớn tia nước Khi tính tốn với áp suất làm việc png= 0,2 at ta chọn ωh = 35 m/s Do ta có: Dtr = 0.02305 √ 4285,15 0,1286.35 = 0,711 𝑚 Quy chuẩn theo bảng VI.8 [4-88], Dtr = 800 mm 1.3 Tính kích thước ngăn Chiều rộng ngăn có dạng hình viên phân b xác định theo công thức: Dtr b= + 50 (mm) Trong đó: Dtr: đường kính thiết bị ngưng tụ, mm 800 b= + 50 = 450 mm -Trên ngăn có đục nhiều lỗ nhỏ -Nước làm nguội nước nên lấy đường kính lỗ dlỗ = 2mm -Chiều dày ngăn chọn 𝛿 = 4mm -Chiều cao gờ cạnh ngăn = 40mm ωc: tốc độ tia nước, m/s Khi chiều cao gờ ngăn 40 mm, ω c 57 = 0,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ toàn bề mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ: Gn 10−3 98365,06 10−3 f= = = 0,044 m2 3600ωc 3600.0,62 Các lỗ xếp theo hình lục giác đều, bước lỗ xác định theo công thức VI.55 [2 – 85]: t = 0,886 dlỗ ( f ftb 0,5 ) + dlỗ dlỗ : đường kính lỗ đĩa chọn, dlỗ = 2mm f ( ): tỉ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện ftb f thiết bị ngưng tụ, thường lấy ≈ 0,025 ÷ 0,1 Ở ta chọn ( )= 0,03 ftb Thay số ta được: 𝑡 = 0,866.2 0,030,5 + 2= 2,3 (mm) 1.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ Chiều cao thiết bị ngưng tụ phụ thuộc mức độ đun nóng Mức độ đun nóng xác định theo cơng thức: β= t 2c − t 2đ t bh − t 2đ [2 − 85] Trong đó: 𝑡2𝑐 , 𝑡2đ : nhiệt độ đầu cuối nước làm lạnh, oC 𝑡𝑏ℎ : nhiệt độ nước bão hòa ngưng tụ, oC t 2c − t 2đ 50 − 20 = = 0,72 β= t bh − t 2đ 59,7 − 25 Dựa vào mức độ đun nóng với điều kiện lỗ dlỗ = 2mm, tra bảng VI.7 [2-86] Quy chuẩn 𝛽 = 0,727 Số bậc Số ngăn Khoảng cách ngăn mm 300 Thời gian rơi qua bậc (s) Mức độ đun nóng Đường kính tia nước (mm) 0,35 0,727 58 Thực tế thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần, khoảng cách hợp lí ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng chừng 50mm cho ngăn Theo bảng ta có ngăn, khoảng cách trung bình ngăn 300mm, ta chọn khoảng cách ngăn 400mm Chiều cao hữu ích thiết bị ngưng tụ là: Hhi = 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 + 50 = 1800 (mm) 1.5 Tính kích thước đường kính ống baromet Đường kính ống Baromet xác định theo cơng thức VI.57 [2 – 86]: 𝑑=√ 0,004 (Gn + W2 ) 3600 π ω 𝜔: tốc độ hỗn hợp nước làm lạnh nước ngưng chảy ống Baromet, m/s Lấy ω = 0,5m/s d=√ 0,004 (98365,06 + 4285,13) = 0,27 m 3600 𝜋 0,5 1.6 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 ống Baromet cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ Pck h1 = 10,33 (m) 760 Trong Pck độ chân không thiết bị ngưng tụ: Pck = 760 − 735,6 Png = 760 − 735,6.0,2 = 612,88 (mmHg) Pck 612,88 h1 = 10,33 = 10,33 = 8,33 𝑚 760 760 h2: chiều cao cột nước ống Baromet để khơi phục tồn trở lực nước chảy ống Theo công thức VI.61 [2 – 87]: ω2 H h2 = (2,5 + λ ) , m 2g d Trong đó: d: đường kính ống baromet, d = 0,27 (m) 𝜔: vận tốc dòng, 𝜔 = 0,5 m/s 59 𝜆: hệ số trở lực ma sát nước chảy ống 0,3164 λ= Re0,25 𝜔𝑑𝜌𝑡𝑏 𝑅𝑒 = 𝜇 𝜌𝑡𝑏: khối lượng riêng lỏng ttb = 37,5oC Tra bảng I.102 [1-94] nội suy 37,5 oC ta có: 𝜇 = 0,6881.10-3 (N/m2) Tra bảng I.249 [1-310] nội suy 37,5 oC ta có: 𝜌𝑡𝑏= 993,1 (kg/m3 ) 0,5.0,27.993,1 𝑅𝑒 = = 194838,68 0,6881 10−3 λ= h2 = 0,3164 = 0,015 194838,680,25 0,52 H (2,5 + 0,015 ) 2.9,81 0,27 H = h1 + h2 +0,5 → H = 8,33 + 0,031588 + 7,07 10−4H + 0,5 =>Làm tròn H = 8,87 (m) 1.7 Tính lượng nước ngưng Lượng khơng khí cần hút: Theo công thức VI.47 [2-84]: Gkk = 0,000025.W2 + 0,000025.Gn + 0,01.W2 (Kg/h) Gkk = (0,000025 + 0,01).W2 + 0,000025.Gn Trong đó: Gn: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị ngưng tụ, kg/h W2: lượng 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 khơng khí cần hút khỏi thiết bị ngưng tụ: Theo công thức VI.49 [2 – 84]: 288Gkk (273 + t kk ) Vkk = 3600(Png − Ph ) tkk: nhiệt độ khơng khí thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khơ tính 60 theo cơng thức VI.50 [2 – 84] tkk = t2d + + 0,1(t2c – t2d) = 25 + + 0,1(50 – 25) = 31,5 oC ph: áp suất riêng phần nước hỗn hợp nhiệt độ tkk, N/m2 Tra bảng I.250 [1 – 312]: Vkk tkk = 31,5oC ta có, ph = 0,0475.9.81.104 (N/m2) 288Gkk (273 + t kk ) 288 45,42 (273 + 31,5 ) = = = 0,074 (𝑚3 /𝑠) 3600(Png − Ph ) 3600 (0,2 − 0,0475) 9,81 104 Tính tốn bơm chân khơng Cơng suất bơm chân khơng tính theo cơng thức: L m Pk Vkk p2 Nb = = [( ) 1000η m − 1000 η p1 m−1 m − 1] Trong đó: m: 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 = at η: hiệu suất, η = 0,65 1,25 0,1525.0,074.9,81 104 Nb = [( ) 1,25 − 1000.0,65 0,2 1,25−1 1,25 − 1] = 3,23 kW Dựa vào Nb chọn bơm theo quy chuẩn bảng II.58 [1 – 513], bơm chân khơng vịng nước PMK ta chọn bơm PMK-1 với thông số: + Số vịng quay: 1450 vịng/phút + Cơng suất u cầu trục bơm: 3,75 kW + Công suất động điện: 4,5 kW + Lưu lượng nước: 0,01 m3/h Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Để đun nóng hỗn hợp đầu người ta gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại đứng dùng nước bão hịa để đun nóng hỗn hợp đầu Chọn áp suất tuyệt đối nước bão hòa p = 5,0 at Khi nhiệt độ nước bão hịa tbh = 151,1 oC (bảng I.251 [1 – 314]) Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với thông số (bảng V.10 [2 – 44]): Bề mặt truyền nhiệt đơn vị thể tích: 15 – 40 m2/m3 61 Lượng kim loại cần cho đơn vị tải nhiệt: Lượng kim loại cần cho đơn vị bề mặt đốt: 30 – 80 kg/m2 Đường kính ống: d = 0,032m Dung dịch ống, đốt ống Chọn loại ống thép X18H10T đường kính d = 32  mm, L = 3m Yêu cầu thiết kế quan trọng việc thiết kế thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu xác định bề mặt truyền nhiệt Ngồi cịn xác định thơng số khác đường kính, chiều cao, số ống số ngăn thiết bị Diện tích bề mặt truyền nhiệt xác định thơng qua phương trình truyền nhiệt 3.1 Nhiệt lượng trao đổi 𝑄 = 𝐹 𝐶𝑝 (𝑡𝐹 − 𝑡𝑓 ), 𝑊 Trong đó: -F: Lưu lượng hỗn hợp đầu F = 10800 (kg/h) -Cp: Nhiệt dung riêng hỗn hợp Cp = C0 = 3976,7 (J/kg.độ) -tF: Nhiệt độ cuối dung dịch, tF= tso= 116,04 (oC) -tf: Nhiệt độ đầu dung dịch, lấy nhiệt độ môi trường, tf = 25 (oC) Thay số vào ta có nhiệt lượng trao đổi dung dịch là: 10800 𝑄= 3976,7 ( 116,04 − 25) = 1086116,304 (𝑊) 3600 3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích Chọn thđ = t1 = 151,10 (oC) ∆tđ = 151,10 – 25 = 126,10 (oC) ∆tc = 151,10 – 116,04 = 35,06 (oC) Do ∆tđ/∆tc = 3,6> nên nhiệt độ trung bình hai lưu thể là: ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 126,10 − 35,06 ∆t 𝑡𝑏 = = = 71,12 ( ℃) ∆𝑡đ 126,10 𝑙𝑛 𝑙𝑛 ∆𝑡𝑐 35,06 Hơi đốt có nhiệt độ trung bình t1tb = 151,1 oC Phía hỗn hợp: t2tb = t1tb – ∆ttb = 151,1 -71,12 = 79,98 oC 3.2.1.Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: 𝑟1 0,25 𝛼1 = 2,04 𝐴1 ( ) [ 𝑊/𝑚2 độ] ∆𝑡1 𝐻 Trong đó: r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa r = 2117000 (J/kg) 62 ∆𝑡1: chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 3m A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Giả thiết ∆t1 = 3,9 ℃ => tT1 = tbh - ∆t1 = 151,1 – 3,9 = 147,2 ℃ 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 Do đó: 211700 0,25 𝛼1 = 2,04.195,37 ( ) = 8220,00 [ 𝑊/𝑚2 độ] 3,9.3 3.2.2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1 ∆t1 = 8220 3,9 = 32058 (W/m2) 3.2.3.Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy Theo cơng thức V.40 [2-14] có: Nu = 0,021 ε1 Re0,8 Pr0,43 ( Pr 0,25 ) Prt Trong đó: + Prt chuẩn số Pran hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình tường + ε1 hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài l đường kính d ống + Tỉ số Pr Prt thể ảnh hưởng dịng nhiệt (đun nóng hay làm nguội) Khi chênh lệch nhiệt độ tường dịng nhỏ ( Pr 0,25 Prt ) ≈ [3 – 15] a, Tính chuẩn số Pr Pr = Cp μ λ [ – 12 – V.35] Trong đó: + Cp nhiệt dung riêng đẳng áp hỗn hợp đầu t2tb = 79,89 ℃ + μ độ nhớt động lực hỗn hợp t2tb = 79,89 ℃ + λ: Hệ số dẫn nhiệt dung dịch - Độ nhớt Chọn chất lỏng tiêu chuẩn nước, t1 = 20oC; t2 = 30 oC Tra bảng I.107 [1-100] nội suy ta có: t1 = 20oC, x = 5% → μ11 = 0,98 10−3 [N.s/m2] t2 = 30oC, x = 5% → μ21 = 0,8 10−3[N.s/m2] 63 Tra bảng I.102 [1-94] nội suy ta có: μ11 = 0,98 10−3 [N.s/m2] → θ11= 21,05 oC μ21 = 0,8 10−3[N.s/m2] → θ21= 30,04 oC Tại ts1 = 116,04 oC, dung dịch có độ nhớt μdd1 tương ứng với đột nhớt nước có nhiệt độ θ31: 20 − 30 30 − 116,04 = => 𝜃31 = 107,39℃ 21,05 − 30,04 30,04 − 𝜃31 Tra bảng I.102 [1-95] nội suy với θ31 = 105,07 oC ta μdd1 = 0,2632 10-3 [N.s/m2] - Hệ số dẫn nhiệt dung dịch xác định theo công thức ρ λ = A Cp ρ √ (W/m2 độ) [2 – 123 – I.32] M Trong + Cp nhiệt dung riêng đẳng áp hỗn hợp đầu ttb = 79,89 ℃ Đã tính Cp = 3976,7 (J/kg độ) + ρ khối lượng riêng hỗn hợp lỏng ρ = 1000,125 (kg/m3) [bảng I.46-1-42] + M khối lượng mol trung bình hỗn hợp đầu M = MKNO3 NKNO3 + MH2O NH2O = 101 NKNO3 + 18 (1 – NKNO3) NKNO3: Phần mol KNO3 dung dịch 𝑥1 0,05 𝑀𝐾𝑁𝑂3 101 𝑁𝐾𝑁𝑂3 (1) = = = 0,0093 𝑥1 − 𝑥1 0,05 − 0,05 + + 𝑀𝐾𝑁𝑂3 𝑀𝐻2𝑂 101 18 Thay vào công thức ta có: M1= 101.0,0093+ 18 (1-0,0093) = 18,77 + A hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết chất lỏng A = 3,58 10-8 [2 – 123] 1000,125 Thay số λ = 3,58 10-8 3976,7 1000,125 √ 18,77 = 0,536 (W/m2 độ) Do đó: Pr = 3976,7 0,2632.10−3 0,536 = 1,95 3.2.4 Hiệu số nhiệt độ phía thành ống: ∆tT = tT1 − tT2 = q1 ∑ r Trong đó: tT1, tT2: nhiệt độ thành ống nước phía hỗn hợp 64 r1; r2: nhiệt trở cặn bẩn hai phía thành ống Tra bảng II.V.1 [2-4]: r1 = 0,000387 [m2.độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch r2 = 0,000232 [m2.độ/W]: nhiệt trở cặn bẩn phía bão hòa 𝛿: bề dày ống truyền nhiệt, 𝛿 = 10−3(𝑚) ∑ r: tổng nhiệt trở bên ống truyền nhiệt: Ống dẫn nhiệt làm vật liệu X18H10T có λ = 16,3 W/m.độ 𝛿 ∑ 𝑟 = 𝑟1 + 𝑟2 + [𝑚2 độ/𝑊] 𝜆 Thay số: 𝛿 10−3 ∑ 𝑟 = 𝑟1 + 𝑟2 + = 0,000387 + 0,000232 + = 0,000742 [𝑚2 độ/𝑊] 𝜆 16,3 ∆tT =32058 0,742 10−3 = 23,8 (oC) tT2 = 𝑡1 − ∆𝑡1 − ∆tT = 151,1 – 3,9 – 23,8 = 123,4 (oC) ∆t2 = tT2 − t2tb = 123,40 – 79,98 = 43,42 (oC) 3.2.5 Tính chuẩn số Prt Pr = Cp μ λ Khi chênh lệch nhiệt độ tường vào dịng nhỏ 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡 =1 Thay số: Nu = 0,021 1.100000,8 1,950,43 = 44,35 λ 0,536 d 0,032 Do α2 = Nu = 44,35 = 742,86 (W/m2 độ) 3.2.6 Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q2= 𝛼2 ∆𝑡2 = 742,86 43,42 = 32255,09 (W/m2) Kiểm tra sai số: |𝑞1 − 𝑞2 | |32058,00 − 32255,09| = = 0,61 % 𝑞1 32058,00 Sai số nhỏ 5% nên chấp nhận giả thiết 3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt Diện tích bề mặt truyền nhiệt xác định thơng qua phương trình truyền nhiệt 𝜀1 = Q = K F ∆𝑡𝑡𝑏 Chọn giá trị α1 = 6548,4 (W/m2 độ) lượng nhiệt truyền cho 1m2 ống truyền nhiệt là: 65 𝑞1 + 𝑞2 32058,00 + 32255,09 = = 32156,55 (W/𝑚2 ) 2 qtb = 𝐾= = 1 1 + ⅀r+ + 0,742 10−3 + α1 α2 8220,00 742,86 1086116,304 => 𝐹 = ≈ 34 𝑚2 452,53.71,12 Ho ặc tính thông qua nhiệt tải riêng qtb = => 𝐹 = 1086116,304 31256,55 𝑄 𝐹 = 452,53 = K ∆t ≈ 34 𝑚2 3.4 Xác định số ống, cách xếp ống thiết bị trao đổi nhiệt Số ống thiết bị trao đổi nhiệt xác định theo công thức n = 𝐹 𝑓 Trong + F = 34 m2 tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt + f = 𝜋 d h0: diện tích xung quanh ống truyền nhiệt, m2 + h0 = m chiều cao ống truyền nhiệt 𝐹 34 𝑓 3,14 0,032 Thay số n = = = 113 (ống) Chọn xếp ống theo hình cạnh Quy chuẩn theo bảng số liệu V.II [3 – 48] ta có Tổng số ống thiết bị n = 127 (ống) Số hình cạnh hình Số ống đường xuyên tâm hình cạnh b = 13 ống Số ống cạnh hình cạnh a = 0,5 (b + 1) = ống Vận tốc lỏng chảy ống cần đạt - ωt = Gđ π d2t n Trong + Gđ lưu lượng thể tích chất lỏng (m3) + dt = 0,033 m đường kính ống + Khối lượng riêng hỗn hợp lỏng ttb = 71,12 ℃ 𝜌 = 1001,125 (kg/m3) Thay số ωt = 10800 3,14 0,0322 1001,125.3600 = 0,029 m/s Vận tốc giả thiết: 𝑊𝑔𝑡 = 𝑅𝑒 𝜇 1000.0,0002632 = = 0,082 𝑚/𝑠 𝑑 𝜌 0.032.1001,125 66 Ta thấy : 𝑊𝑔𝑡 − 𝑊𝑡 0,082 − 0,029 = = 64,63% > 5% 𝑊𝑔𝑡 0,082 Ta phải chia ngăn để trình cấp nhiệt diễn chế độ xoáy Số ngăn thiết bị ωt 0,082 𝑥= = = 𝑛𝑔ă𝑛 ω 0,029 Vậy chia không gian ống thành ngăn 3.5 Đường kính thiết bị Đường kính thiết bị xác định theo công thức D = t (b -1) + 4d Trong đó: + d = dn = 36 mm đường kính ngồi ống truyền nhiệt + t bước ống thường t = (1,2 – 1,5) d Chọn t = 1,4d = 1,5 0,036 = 0,054 m Thay số D = t (b – 1) + 4d = 0,054 (13 – 1) + 0,032 = 0,776 m Quy chuẩn D = 0,8 m 67 KẾT LUẬN Sau thời gian cố gắng tìm đọc, tra cứu số tài liệu tham khảo, với giúp đỡ cô Đặng Thị Tuyết Ngân thầy cô giáo môn “ Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học” em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao Qua trình em rút số nhận xét sau: -Việc tính tốn hệ thống đặc việc làm phức tạp, tỉ mỉ lâu dài Nó khơng u cầu người thiết kế phải có kiến thức thật sâu q trình cô đặc phải biết thêm thiết bị phụ khác, quy định vẽ kĩ thuật,… -Các cơng thức tính tốn khơng cịn gị bó môn học khác, mà dựa giả thiết điều kiện, chế độ làm việc thiết bị Bởi tính tốn người thiết kế tính tốn đến số ảnh hưởng điều kiện thực tế, nên đem vào hoạt động hệ thống có khả làm việc ổn định cao -Khơng có vậy, việc thiết kế đồ án mơn q trình thiết bị cịn giúp chúng em củng cố kiến thức q trình đặc nói riêng q trình khác nói chung, nâng cao kĩ tra cứu, tính tốn, xử lí số liệu; trình bày cách khoa học, nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống -Việc thiết kế đồ án mơn học “ Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học” hội cho sinh viên ngành hóa nói chung thân em nói riêng có hội làm quen với cơng việc kĩ sư hóa chất -Mặc dù cố gắng hồn thành, song hạn chế tài liệu, bất lợi dịch Covid 19, đồng thời thân em cịn có hạn chế nhận thức kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi thiếu sót q trình thiết kế Em mong nhận dẫn giúp đỡ thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] Tập thể tác giả, Sổ tay trình Thiết bị cơng nghệ Hóa chất tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 Tập thể tác giả, Sổ tay q trình Thiết bị cơng nghệ Hóa chất Tập Nhà [3] xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 Nguyễn Bin, Tính tốn q trình thiết bị cơng nghệ Hóa chất Thực [1] [4] phẩm tập 1,2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001 Phạm Xuân Toản, Các trình, thiết bị cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm tập 3, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2003 69 ... = 10 41, 0 kg/m3 -M: Khối lượng mol dung dịch tính theo cơng thức: M = MKNO3 NKNO3 + MH2O NH2O = 10 1 NKNO3 + 18 (1 – NKNO3) NKNO3: Phần mol KNO3 dung dịch Với nồi cô đặc 1: ? ?1 0,0 811