thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl có phòng đốt ngoài

mình đăng lên cho các bạn tham khảo , về thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl có phòng đốt ngoài

-MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 4

PHẦN 2 SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 6

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7

I Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7

II Lượng hơi thứ mỗi nồi 7

III Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi 7

IV Chênh lệch áp suất chung 7

V Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8

VI Nhiệt độ t’ i (oC), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi 8

VII Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 9

1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao i” : 9

2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ i’ 11

3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống 12

VIII Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 12

1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 12

2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống 13

3 Bảng tổng hợp số liệu 2 13

IX Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ Wi [kg/h] 13

1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 13

2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 14

3 Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi 15

4 Bảng tổng hợp số liệu 3: 15

X Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 15

1 Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi 15

2 Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt 18

-3 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 18

4 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2 20

5) Bảng tổng hợp số liệu 6 21

XI Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi 21

1 Hệ số truyền nhiệt Ki 21

2 Lượng nhiệt tiêu tốn 22

XII Nhiệt độ hữu ích từng nồi 22

1 Lập tỉ số: Li = Q i K i 22

2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 22

XIII So sánh Ti* và Ti 22

1 Nồi 1 22

2 Nồi 2 22

3 Bảng số liệu 7 23

XIV Tính bề mặt truyền nhiệt F 23

PHẦN 4 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 24

I.Hệ thống thiết bị 24

II Tính toán 24

1 Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 25

2 Đường kính trong của thiết bị 25

3 Kích thước tấm ngăn 25

4 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 26

5 Kích thước ống Baromet 27

6 Lượng hơi và khí không ngưng 29

7 Tính toán bơm chân không 29

PHẦN 5 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 31

A.Buồng đốt 31

-I Xác định số ống trong buồng đốt 31

II Xác định đường kính trong buồng đốt 31

III Chiều dày phòng đốt 32

1 Kiểu buồng đốt 32

2 Tính chất cơ học của vật liệu 32

3 Các số liệu 33

4 Chiều dày phòng đốt 33

5 Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử 33

IV Tính chiều dày lưới đỡ ống 34

1 Để đáp ứng yêu cầu 1 34

2.Để đáp ứng yêu cầu 4 34

3 Để đáp ứng yêu cầu 2 34

4 Để đáp ứng yêu cầu 3 34

V Chiều dày đáy lồi phòng đốt 35

VI.Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy 36

B Buồng bốc hơi 37

I.Thể tích buồng bốc hơi 37

II.Tính chiều cao phòng bay hơi 37

III.Chiều dày phòng bốc 38

IV Chiều dày nắp buồng bốc 38

IV.Tra bích để lắp đáy, nắp và thân buồng bốc 40

C Một số chi tiết khác 40

I Đường kính các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị 40 1 Ống d ẫn hơi đốt vào 40

2 Đối với ống dẫn dung dịch vào : 41

-3 Đối với ống dẫn hơi thứ ra 41

4 Đối với ống dẫn dung dịch ra 42

5 Đối với ống tháo nước ngưng 42

II Tính và chọn tai treo 43

1 Tính Gnk 43

2 Tính Gnd 45

3 Khối lượng nồi khi thử thuỷ lực 46

4 Chọn tai treo 46

III Chọn kính quan sát 46

IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 47

PHẦN 6 KẾT LUẬN 48

PHẦN PHỤ LỤC 50

bị Công nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thứccủa một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết

kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật cógiới hạn trong các quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn họcnày, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu,vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết kế,

tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học vànhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết

kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài làm việc liêntục với dung dịch NaCl, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch banđầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%

Quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan

(không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá

-trình cô đặ là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, cònchất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dungchất sẽ tăng dần lên Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình côđặc gọi là hơi thứ Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóngmột thiết bị khác Nếu hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khácngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ

Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do

đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiềunồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ởnồi nay được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứhai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba, hơi thứ ở nồi cuốitrong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lầnlượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăngdần lên do dung môi bốc hơi một phần Hệ thống cô đặc nhiều nồiđược sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất Ưu điểm nổi bậtcủa loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờchênh lệch áp suất giữa các nồi Nhược điểm của nó là nhiệt độ củanồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọnhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thốnggiảm từ nồi đầu đến nồi cuối

Dung dịch NaCl

NaCl (Natri clorua) là muối của axit HCl (axit clohidric) và bazơNaOH (Natri hidroxit) còn có tên gọi quen thuộc khác là muối ăn.NaCl là muối kết tinh rắn, không màu, dễ tan trong nước, nóng chảy ở

của nước NaCl là chất rất cần thiết cho cuộc sống của người và độngvật Là nguyên liệu để điều chế ra NaOH, Cl2, axit HCl và nướcJaven, , được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp lạnh

-PHẦN 2 SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

*

* *

Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục.

Dung dịch đầu (NaCl10%) được bơm (4) đưa vào thùng cao vị (5)

từ thùng chứa (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (6) vào thiết bị traođổi nhiệt (7) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộđến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (1) Ở nồi (1), dung dịch tiếp tục đượcđun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trongcác ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóngdung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khíkhông ngưng Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháonước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi

là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận táchbọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫnbọt

Dung dịch từ nồi (1) tự di chuyển sang nồi thứ hai do đó sự chênhlệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồitrước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau, do đó dung dịch divào nồi (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi ; kết quả là dung dịch sẽđược làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượngnước gọi là quá trình tự bốc hơi

Dung dịch sản phẩm ở nồi (2) được đưa vào thùng chứa sản phẩm(11) Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (2) được đưa vào thiết bị ngưng tụBaromet (thiết bị ngung tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao)

-Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứđược ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài cònkhí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chânkhông (12)

Các số liệu ban đầu:

Nồng độ đầu : 10% khối lượng

Nồng độ cuối 28 % khối lượng

Áp suất của hơi đốt P1 = 6 at

I Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống.

II Lượng hơi thứ mỗi nồi.

-Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là nhưnhau

III Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi.

Từ (1) ta có xc1 = Gđ

1 W

IV Chênh lệch áp suất chung

Chênh lệch áp suất chung của hệ thống p là hiệu số giữa áp suất

tụ png

p = p1 – png, atthay số ta có : p = 4 – 0.19 = 3.81at

V Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi

1

j j

i

a

a p

,[at]4[5-9]

(2)

Thay số vào (2) ta có:

p1 = p a1/(a1 +a2) = 3,81 2,6 /(2,6+1) = 2,752 at p2 = p a2/(a1+a2) = 3,8.1 /(2,6+1) = 1,058 at

Áp suất hơi đốt từng nồi được tính:

Pi = pi-1 - pi-1 at 4[5-9] (3)Thay số vào (3) ta có p2 = p1- p1 = 4 – 2,752 = 1,248 at

Áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ trong mỗi nồiTra bảng (I-250) trong [1 –312] theo nhiệt độ

2687,68

2246,12

0,198

2607,3

2358,0

-VII Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi

1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao  i ” :

Tôn thât nhiêt đô do nhiêt đô sôi dung dich lơn hơn nhiêt đô sôi

dung môia)Áp suất trung bình ở giữa ống truyền nhiệt được xác định theocông thức [3-283]

p02 = p’

2 = 0.1987 at = 20797 N/m2

0,5 m H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 m

g : gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2

gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 25

oC Tra bảng (I-64) trong [1- 48] ta có :

dd1(25oC) = 1,1356.103 kg/m3

dd2 (25oC)= 1,26675.103 kg/m3

Vậy : dd1 = 1,1356.103 / 2 = 567,8 kg/m3

dd2 = 1,26675.103 / 2 = 633,375 kg/m3

b) Nhiệt độ trunh bình ứng với ptb

Tra bảng (I-251) trong [1- 314] theo áp suất và nồng độ ởtrên ta có :

Thay số vào công thứ (6) ta có :

*) Nồi 1

1” = 107,184-106,28= 0,904 0C

*) Nồi 2

*) Cho cả hệ thống

2 1

"

i = 1” +  2” = 4.36 + 0,904 =5,264 0C

i

i i

r

T

(7)

a) Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt

độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất khí quyển

28 , 379 294 , 1

2 10 075 , 2358

48 , 332

c) Tổn thất nhiệt độ ’ trong mỗi nồi

Thay số vào công thức (7) ta có :

  =  ' +  " +   ’’’ = 10,9 + 12 +2,4 = 25,3 oC

VIII Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống

1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi

a)Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi

[3-283] tsi = t’

i +  i’ + i” , oC [3-283](8)

IX Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W i [kg/h]

1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng

2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

W1i1’ W1t1i2 W

2 i2’

(Gđ –W1-W2) C2ts2Hình 3.1 :Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống.

*) Chọn : Qm1 =0,05W1(i1-Cnc1. )

Qm2 =0,05W1(i2-Cnc2. )

*) D:Lượng hơi đốt ở nồi 1, kg/h

và ra khỏi nồi 2

Tra bảng (I-163) , [1-207] ta có :

Với x = 10% và t = 158,1oC thì C0 = 3986 J/kg.độ

Với x = 14,74% và t = 124,3 oC thì C1 = 3852,3 J/kg.độ Với x = 25% và t = 78,7 oC thì C2 = 3567 J/kg.độ

*) i1, i2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2 , J/kg Theo bảng số liệu 1 thì :

3 Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi

a) Sai số so với giả thiết ban đầu

1= 2796 , 43

95 , 2731 43

2796,43

2731,9

53

4226,864

105,28

2796,43

dd nc nc dd 2

nc

dd C

M: Khối lượng mol từng nồi.

dd2 = 3,58.10-8.3293,53.1145,45.103 1145 , 45 / 23 , 83= 0,4911 W/

m độ

nc.10 3

455 , 0

2604 , 0 86 , 4231

66 , 3570 089

, 952

4 , 1086

83 , 0 43023 , 0 68 , 4183 53 , 3293 036

, 980 45 , 1145

 = 46,5 (W/m độ)

W)

3 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1

Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ốngtruyền nhiệt ở nồi1là

t11= 3,8oC và t12 = 4,5oC

a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi được tính theo công thức : [2-28] 1i = 2,04 Ai

25 , 0

*) Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

-[3-210] t2i = Ti - t1i - tTi = Ti - t1i - q1i r , oC(16)

Thay số vào (16) ta có:

t21= 34,37 – 3,8 – 34673,822.0,6621.10-3 = 7,6 oC

*) p,

*) Thay số vào công thức (15) ta có:

21 = 45,3 1 , 29 7,62 , 33 0,762= 4422,254 W/m2 độ d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch

11 21

nhận được

4 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2

a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

t22 = 39,3 – 7,15 – 42607.0,5033.10-3 = 10,95 oC Theo công thức (15) ta có:

22 = 45,3 0 , 202 10,952,33 0,741 = 3990,7 W/m2.độ

d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch

22 12

= 4910.22123600,5.103 = 3017604,2 W

XII Nhiệt độ hữu ích từng nồi

1 Lập tỉ số: Li = Q i K i

Nồi 1: L1 = Q1 K1= 27293191183 .4 = 2307

-Nồi 2: L2 = Q2 K2 = 30176041098 ,2 = 2748,3

2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi

Theo công thức trong [3-331] ta có:

Ti=



 2 1

j i

T





2 1

j i i

i i

K Q

K Q

XIV Tính bề mặt truyền nhiệt F

Theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau

[3-89] Fi= i. i*

i

T K

c n

t t C

t C i





kg/h(20)

10 1809 , 4

50 10 1809 , 4 10 2609

3

3 3

c Chiều dày tấm ngăn chọn  = 4 mm

d Tổng diện tích bề mặt các lỗ trong toàn mặt cắt ngang của thiết

10  3

866 ,

d c

t t

t t

ngăn và khoảng cách giữa các ngăn

Thời gianrơi quamột bậc s

Mức độđun nóng

Đườngkính củatia nướcmm

Chiều cao thực tế của thiết bị ngưng tụ H = 8.400 = 3200 mmTrong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thểtích của nó sẽ giảm dần, do đó khoảng cách hợp lý giữa các ngăncũng nên giảm dần từ dưới lên, khoảng 50mm cho mỗi ngăn Khi

bình giữa các ngăn là 400mm Ta chọn khoảng cách giữa 2 ngăncuối cuối cùng là 450 mm, do đó :

Theo công thức [2-81] ta có : H = h1+h2+0,5 m (25) Trong đó :

m(26)

pck: là độ chân không trong thiết bị ngưng tụ

bộ trở lực khi nước chảy trong ống

h2 = 2.g2 (2,5+ H d ) , m (27)

3164 , 0

e R

= 208,7.103

Do đó:

=( 208 , 7 10 3 ) 0 , 25

3164 , 0

= 0,0148 Vậy ta có :

6 Lượng hơi và khí không ngưng

a Lượng không khí cần hút

[2-77] Gkk = 0,000025(W2+Gn)+ 0,01.W2 kg/h(30)

kk kk

p p

t G





m3/s(31)

Nhiệt độ không khí :

tkk = td + 4 + 0,1.(tc-td) 0C(32)

= 25 + 4 + 0,1.(50-25) = 31,5 0C

Tra ph theo tkk ở bảng (I-250), ta có : ph = 0,0472 at

Thay số vào công thức (31) ta có :

Vkk = 3600 ( 0 , 1962 0 , 0463 ) 9 , 81 10 4

) 5 , 31 273 (

04 , 52 288





= 0,085 m3/s

7 Tính toán bơm chân không

Theo công thức [1-465] thì công suất của bơm được tính :

( 1000

1 1000

1

1

m kk

k

p

p V p m

m L

Thay số vào công thức (33) ta ncó :

10 962 , 1

10 81 , 9 ( 65 , 0 1000

085 , 0 10 403 , 1 1 25 , 1

25 ,

4

4 4

= 3,48 kWChọn bơm theo qui chuẩn.Chọn bơm chân không vòng nước PMK

Côngsuấtyêucầutrên

Côngsuấtđộn

g cơđiện

Lưulượngnước

Kích thước

Khốilượng

-trục

3/h

dài rộng cao

80

90PMK

2

4,

2

2,4

1,55

0,6

0,1

145

705

416

39

6 cạnh

Tổng sốống không

kề cac ốngtrong cachình viênphân

Số ống trong các

trong tất cảcác hìnhviên phân

Tổngốngthiết bị

2

Dãy3

II Xác định đường kính trong buồng đốt

Đối với thiết bị phòng đốt ngoài

[2 – 45 ] Dtr = t(b-1) + 4.d m(35)

b : số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh, b = 15 ống

t : Bước ống t = 1,5d = 0,057 m

Thay số vào công thức (35) Ta có :

Dtr = 0,06(15-1) + 4.0,038 = 0,992 m

III Chiều dày phòng đốt

Đối với thiết bị vỏ mỏng

[2 –350] S =

b b

b tr

p

p D





2

.

+C , m(36)

1 Kiểu buồng đốt

Thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất thấp Chọn nhiệt độ thànhthiết bị theo nhiẹt độ môi trường đối với thiết bị đốt nóng có cáchnhiệt bên ngoài Thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong,kiếu hàm giáp mối hai bên, hàn tay bằng hồ quang điện.Vật liệuchế tạo thép CT3 (thép các bon 0,03 %)

2 Tính chất cơ học của vật liệu