Đồ án quá trình thiết bị thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài.

bài báo cáo đồ án môn học: Quá trình thiết bị.trường đại học bà rịa vũng tàu

i

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về sản phẩm: 1

1.1.1.Các tính chất vật lý cơ bản của NaOH 1

1.1.2.Điều chế và ứng dụng của NaOH 1

1.2 Khái niệm chung về cô đặc: 2

1.2.1 Định nghĩa 2

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 2

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 2

1.3 Phân loại và ứng dụng 2

1.3.1 Theo cấu tạo 2

1.3.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình 3

1.4 Cô đặc nhiều nồi 3

1.4.1 Định nghĩa 3

1.4.2 Nhận xét quá trình 3

1.5 Lựa chọn phương án thiết kế 4

1.6 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ 4

1.6.1 Bơm 4

1.6.2 Thiết bị cô đặc 4

1.6.3 Thiết bị gia nhiệt 5

1.6.4 Thiết bị ngưng tụ 5

1.6.5 Thiết bị tách lỏng 5

1.6.6 Các thiết bị phụ trợ khác 5

1.7.Thuyết minh sơ đồ công nghệ: 5

CHƯƠNG 2 7

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 7

2.1 Cân bằng vật liệu: 7

2.1.1 Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống: 7

2.1.2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi : 7

2.1.3 Nồng độ dung dịch ở từng nồi: 8

2.2 Cân bằng năng lượng 8

2.2.1 Phân bố áp suất làm việc trong các nồi: 8

2.3 Tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi: 10

2.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (Δ'): 10

2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’): 11

2.3.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’): 12

2.3.4 Tổn thất do toàn bộ hệ thống: 12

2.3.5 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi: 12

2.4 Tính cân bằng năng lượng: 13

2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng: 13

ii

2.4.2 Tính nhiệt dung riêng C, J/kg.độ: 13

2.5 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết: 14

2.6 Tính bề mặt truyền nhiệt : 16

2.6.1 Độ nhớt: 16

2.6.2 Hệ dẫn nhiệt của dung dịch: 18

2.6.3 Hệ số cấp nhiệt: 19

2.6.4 Hệ số cấp nhiệt( , từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 21

2.6.5 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi: 25

2.6.6 Tính toán bề mặt truyền nhiệt: 26

CHƯƠNG 3 27

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CƠ KHÍ 27

3.1.Buồng đốt 27

3.1.1.Xác định số ống trong buồng đốt 27

3.1.2.Xác định đường kính trong của buồng đốt 27

3.1.3Xác định chiều dày buồng đốt 28

3.1.4.Tính chiều dày đáy nồi phòng đốt 30

3.2.Buồng bốc hơi 32

3.2.1.Thể tích phòng bốc hơi 32

3.2.2.Chiều cao phòng bốc hơi và đường kính trong của phòng bốc 32

3.2.3.Chiều dày phòng bốc hơi: 33

3.2.4.Chiều dày nắp buồng bốc 34

3.2.5.Chiều dày đáy buồng bốc 35

3.3.Tính toán một số chi tiết khác 36

3.3.1.Đường kính trong các ống dẫn 36

3.3.2.Tính bề dày lớp cách nhiệt 40

3.3.3.Tai treo 42

3.3.4.Chọn kính quan sát 46

CHƯƠNG 4 47

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 47

4.1.Thiết bị ngưng tụ Baromet 47

4.1.1.Tính toán trong Baromet 47

4.1.2.Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị : 48

4.1.3.Đường kính thiết bị ngưng tụ: 48

4.1.4.Kích thước tấm ngăn 50

4.1.5.Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 50

4.1.6.Kích thước ống Baromet 51

4.2.Tính toán và chọn bơm: 53

4.2.1.Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet: 53

4.2.2.Bơm dung dịch vào thùng cao vị: 56

Tài Liệu Tham Khảo 58

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số hơi đốt và hơi thứ 10

Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 10

Bảng 2.3: Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng dung dịch 12

Bảng 2.4: So sánh lượng hơi thứ thực tế và lí thuyết 16

Bảng 2.5 Thông số ẩn nhiệt hóa hơi 20

Bảng 2.6 Thông số để tính hệ số cấp nhiệt 20

Bảng 2.7: Thông số của dung dịch: 21

Bảng 2.8 Tính sai số nhiệt tải riêng 23

Bảng 2.9 Tính sai số nhiệt độ 25

Bảng 3.1 Thông số ống dẫn hơi đốt 40

Bảng 3.2 Thông số ống dẫn hơi thứ 41

Bảng 3.3 Thông số ống dẫn dung dịch 41

Bảng 4 1 Số liệu chính của thiết bị 49

v

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng Do đó ngành công nghiệp hóa chất cơ bản củng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càng phong phú Trên cơ sở đó, quy trình công nghệ luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất

Natri hidroxit còn có tên gọi khác là xút ăn da với công thức hóa học NaOHlà một trong những hóa chất thông dụng Với nhiều ứng dụng thực tiễn, hiện nay NaOH được sản xuất với số lượng ngày càng lớn NaOH được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hóa chất, thuốc trừ sâu, y học, dệt nhuộm … Vậy làm thế nào để thu được NaOH có nồng độ cao và tinh khiết Một trong những phương pháp được sử dụng hiệu quả để tăng nồng độ là phương pháp cô đặc Đây cũng là đề tài mà nhóm chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch NaOH bằng thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài

Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Tính toán công nghệ,

 Chương 3: Ttính và chọn thiết bị chính

 Chương 4 Tính và chọn thiết bị phụ

Nhóm 3 Trang 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về sản phẩm:

Natri hidroxit có tên danh pháp quốc tế là Sodium hydroxide(công thức hóa học NaOH) Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hòa tan trong dung môi như nước.Có tính ăn da và ăn mòn cao vì vậy cần có biện pháp bảo quản và sử dụng hợp lí

1.1.1.Các tính chất vật lý cơ bản của NaOH

 Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt, hoặc dạng bột màu trắng

 Phân tử lượng: 39,9997 g/mol

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

 Phương pháp nhiệt (đun nóng):dung môi chyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

 Phương pháp làm lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử

sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết,thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi dùng đến máy lạnh Quá trình cô đặc được tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) người ta thường dùng thiết bị hở khi làm việc ở áp suất chân không thì thường dùng thiết bị kín

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử:

Để tạo thành hơi thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài.Vì vậy cần cung cấp đủ nhiệt để các phân tử đủ

năng lượng thực hiện quá trình này

Ngoài ra, sự bay hơi chủ yếu là do bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo

khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn dược sự tạo bọt khi cô đặc

1.3 Phân loại và ứng dụng

1.3.1 Theo cấu tạo

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên, dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3 Trang 3

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Thiết bị trong nhóm này được dung cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao,giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi xuống Thiết bị này chỉ cho phép dung dịch chảy màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh tiếp xúc với nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm

1.3.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình

 Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ áp suất không đổi.Thường dùng

cô đặc dung dịch liên tục, để năng suất cực đại, và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ đạt chưa cao

 Cô đặc áp suất chân không(thiết bị kín): dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 1000

C,

áp suất chân không, dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt

 Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá

vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi

 Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động

1.4 Cô đặc nhiều nồi

1.4.1 Định nghĩa

Khi cô đặc một nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế Mặt khác trong hơi đốt còn mang một lượng nhiệt khá lớn Vì vậy sử dụng thiết bị cô đặc nhiều nồi tận

dụng được hơi thứ làm hơi đốt, mang hiệu suất cao, chất lượng sản phẩm tốt

Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi chia làm ba loại:

Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều

Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều

Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song

1.4.2 Nhận xét quá trình

+ Ưu điểm

Nhóm 3 Trang 4

- Để hệ thống làm việc được thì nhiệt độ và áp suất nồi trước phải lớn hơn nồi sau, vì vậy dung dịch từ nồi đầu tự chảy sang nồi sau mà không cần bơm

- Nhiệt độ sản phẩm thấp nên chất lượng tốt

- Hệ thống đơn giản chi phí đầu tư thấp

+ Nhược điểm

Các nồi sau có nồng độ tăng dần, và nhiệt độ giảm nên sẽ làm độ nhớt tăng, hệ số truyền nhiệt giảm, không khai thác hết công suất thiết bị

1.5 Lựa chọn phương án thiết kế

Sau khi tham khảo các thiết bị và hệ thống làm việc của từng loại Chúng tôi đả quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH ba nồi xuôi chiều có phòng đốt ngoài, bằng phương pháp nhiệt Vì những ưu việt của chúng

- Quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt

- Nguyên tắc:

+ Nồi đầu dung dịch sẽ được nung nóng bằng hơi đốt

+ Hơi thứ của nồi 1 sẽ làm hơi đốt cho nồi 3

+ Hơi thứ nồi cuối sẽ đưa vào thiết bị ngưng tụ

- Dung dịch đi vào từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ tăng dần vì do một phần dung môi đã bay hơi

- Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao của tháp và hiệu suất tách bọt tốt do buồng đốt ở cách xa không gian hơi

1.6 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ

1.6.1 Bơm

Bơm được sử dụng trong quy trinh công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không

Bơm li tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng,

bánh guồng được gắn trên trục chuyển động Ống hút và ống đẩy

Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaOH lên bồn cao vị

Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc

1.6.2 Thiết bị cô đặc

Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ, Thiết bị gồm đáy, nắp,buồng đốt và buồng bốc Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt

Nhóm 3 Trang 5

Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ Ống tuần

hoàn sử dụng để tuần hoàn lượng bọt sau khi được tách khỏi hơi thứ

1.6.3 Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị gia nhiệt được sử dụng là thiết bị gia nhiệt ống chùm, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ, được xếp theo hình tròn Các ống này được giữ cố định nhờ các vĩ ống gắn với thân

1.6.4 Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp(Baromet) Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị Hơi sẽ trao đổi nhiệt với nước lạnh, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại theo

ống baromet chảy ra ngoài

1.6.5 Thiết bị tách lỏng

Thiết bị tách lỏng được đặc sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu

tử bay hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không 1.6.6 Các thiết bị phụ trợ khác

- Bẫy hơi

- Thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ,các loại van

1.7.Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Dung dịch từ thùng chứa (1) với nồng độ thấp ( NaOH= 10%) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3) rồi đưa đến thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước (4) sau khi qua lưu kế Tại đây dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, rồi đi vào nồi cô đặc 5,6,7 Tại đây dung dịch được đun sôi bằng thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài, có ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn Dung dịch đi trong ống, hơi nước đi ngoài ống, nước ngưng được tháo ra ngoài.Dung môi bốc lên gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi phòng bốc, thì qua bộ phận tách bọt, nhằm hồi lưu lượng chất tan đi theo hơi Hơi thứ nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, tương tự với nồi thứ ba.Dung dịch từ nồi thứ 1 di chuyển sang nồi thứ 2 do sự chênh lệch áp suất, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nhiệt độ nồi sau.Do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi.Vì vậy mà dung dịch được làm lạnh Hơi thứ ra khỏi nồi

ba được đưa và baromet ngưng tụ (8),Thiết bị baromat được chọn là thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô.Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp với dòng

Nhóm 3 Trang 6

lỏng được cấp vào từ trên xuống Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưng

sẽ qua thiết bị tách lỏng(9) Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khí không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy ở đây ta sử dụng bơm hút chân không (10) để hút khí ra ngoài để áp suất ổn định cả hệ thống Dung dịch sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa (15) Lượng nước ngưng được cho vào bể chứa (16)

Nhóm 3 Trang 7

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Cân bằng vật liệu:

Các số liệu ban ban đầu:

 Dung dịch cô đặc: NaOH

 Năng suất dung dịch đầu: 30000 kg/h

 Nồng độ đầu: 10%

 Nồng độ cuối: 50%

 Áp suất hơi nồi: 12at

 Áp suất tháp ngưng tụ chân không: 0.2at

2.1.1 Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống:

Gọi: Gđ, Gc : lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h

xđ, xc : nồng độ đầu và cuối, % khối lượng

W : lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:

Gđ = Gc + W (1) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố:

2.1.2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi :

Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h

Chọn sự phân bố hơi thứ tương ứng theo tỷ lệ a1:a2:a3, 1: 1,1: 1,2

Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi:

Nhóm 3 Trang 8

3,3

240002

.11.11

24000.1,12,11,11

.1,1

24000.2,1

Gọi: X1, X2, X3, là nồng độ tương ứng trong nồi 1, nồi 2, nồi 3

Vậy: Nồng độ của nồi 1:

X1 = Gđ

1

W G

x đ

x đ





=20,37 (% khối lượng) Nồng độ của nồi 3:

X3 = Gđ

3 2

1 W W W

G

x đ





= 50 (%khối lượng) 2.2 Cân bằng năng lượng

2.2.1 Phân bố áp suất làm việc trong các nồi:

Gọi:P1, P2, P3, Pnt, là áp suất hơi đốt trong các nồi I, II, III và thiết bị ngưng tụ

Chọn tỉ lệ hiệu số áp suất giữa các nồi như sau:

Tht1, Tht2, Tht3, là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3

Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mát khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết

Theo [1- 314] ta tìm được nhiệt độ Thdi,Thti, nhiệt lượng riêng ihdi, ihti và nhiệt hóa hơi

Rhdi, Rhti tương ứng với Phdi và Phti

Nhóm 3 Trang 10

Bảng 2.1: Thông số hơi đốt và hơi thứ

Phd

(at)

Thd(0C)

ihd (at)

Rhd (kJ/kg)

Pht (at)

Tht(0C)

iht(kJ/kg)

Rht (kJ/kg)

(VI.11/59 – [2]) Trong đó T- nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0

K;

R- là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc,J.kg

Dựa vào bảng (VI.2/65 – [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (% khối lượng)

= 4.740C

2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’):

Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do

áp lực của cột chất lỏng Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh

 ' = Ttbi - Thti (oC) (VI.13/60-[2])

Với

– Ttb là nhiệt độ sôi ứng với Ptb

– Tht là nhiệt độ sôi của hơi thứ tại mặt thoáng của dung dịch

Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng:

Theo CT VI.12, STQTTB, T2/Trang 55;ta có:

g

h h P

– Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch

– h là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch, chọn h=0,5 cho cả 3 nồi

– H là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi

– ddsoi là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

Áp suất hơi thứ trên

bể mặt thoáng dung dịch(P0)

''i= Ttbi – Thti , 0C (VI.13/60-[2])

3 1 1 1 '  "'1 "'2  '"3    



2.3.4 Tổn thất do toàn bộ hệ thống:

C o

288 , 34 3 62 , 16 668 , 14 ' ' '

Nhóm 3 Trang 13

Ts1 = 154,7+3,668+0,42=158,808 0C

Ts2 = 118 + 4,757 + 1,7 = 124,457 0C

Ts3 = 60,7 + 6,22 + 14,5 = 81,422 0C Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích tại mỗi nồi:

∆T1 = 187,07 – 158,808 = 28,2620C

∆T2 = 153,7 – 124,457 =29,243 0C

∆T3 = 117 – 81,422 = 35,578 Hiệu số hữu ích cho toàn bộ hệ thống

∆T= ∆T1 + ∆T2 + ∆T3 =28,262+29,243+35,578 =93,0820C

2.4 Tính cân bằng năng lượng:

2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng:

– I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg

– i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg

Các giá trị trên được tra trong bảng: I.250/312 –[1]

2.4.2 Tính nhiệt dung riêng C, J/kg.độ:

o Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Vì xđ=10%<20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]

4 , 3767 )

1 , 0 1 ( 4186 )

1 (

132 , 0 1 ( 4186

ct C n C n C n C

M   

Trong đó:

nNa, nH, nO: là số nguyên tử Na, H, O trong hợp chất

CNa,CH, CO: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố Na, H, O

CNa = 26000J/kg.độ CH = 9630J/kg.độ

CO =16800J/kg.độ

Nhóm 3 Trang 14

 Na Na C C O O

ht n C n C n C Mct

C  1  

1.26000 1.16800 1.9630 1310,7540

o Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 3

Vì x3 = 50% % > 20% nên ta áp dụng công thức (I.44/152 – [1])

D1, D2, D3 là lượng hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h

W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra rừ nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, j/kg.độ

tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch, 0C

i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h

i’1, i’2, i’3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3,J/kg

Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ

θ1 θ2 θ3 nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1,2,3, 0C

Nhóm 3 Trang 15

Qtt1, Qtt2, Qtt3 nhiệt tổn thất ra môi trường sung quanh, J

Theo phương trình cân bằng nhiệt, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra:

Nhiệt lượng vào:

Nồi 1:

- Do dung dịch đầu: GđCđtđ

- Do hơi đốt: D1i1

Nồi 2:

- Do hơi đốt mang vào: D2t2

- Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ – W1)C1t1

Nồi 3:

- Do hơi đốt mang vào : D3i3

- Do dung dịch nồi 2 mang vào: (Gđ – W1)C1t1

Nhiệt lựợng ra:

Nồi 1:

- Do hơi đốt mang ra: W1i’1

- Do dung dịch mang ra: (Gđ – W1)C1t1

- Do nước ngưng mang ra: D1Cn1 θ1

- Do tổn thất nhiệt chung: Qtt1 = 0.05D1(i1- Cn1 θ1)

Nồi 2:

- Do hơi thứ mang ra: W2i’2

- Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2)C2t2

- Do nước ngưng mang ra: D2Cn2 θ2

- Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0.05D2(i2 – Cn2 θ2)

Nồi 3:

- Do hơi thứ mang ra: W3i’3

- Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3)C3t3

- Do nước ngưng mang ra: D3Cn3 θ3

- Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0.05D3(i3 – Cn3 θ3)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

ΣQvào = ΣQra Nồi 1:

GđCđtđ + D1i1 = W1i’1 + (Gđ – W1)C1t1 + D1Cn1 θ1 + 0.05D1(i1 – Cn1 θ1) (1*)

Nhóm 3 Trang 16

Nồi 2:

D2i2 +(Gđ –W1) = W2i’2 +(Gđ – W1- W2)C2t2 +D2Cn2 θ2 + 0.05D2(i2 – Cn2 θ2) (2*) Nồi 3:

D3i3+(Gđ –W1-W2)=W3i’3 +(Gđ–W1-W2-W3)C3t3 +D3Cn3θ3+ 0.05D3(i3–Cn3θ3) (3*) Với: D2 = W1; D3 = W2; W= W1+W2+W3 ; θ =thđ;

Thay vào giải ra ta được:

Bảng 2.4: So sánh lượng hơi thứ thực tế và lí thuyết

Lượng hơi thứ Giả sử ban đầu,

(kg/h)

Giải từ hệ phương trình, (kg/h)

Với: t1, t2 nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng T1,T2

1,2 là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng

K: là hằng không đổi đối với mỗi chất lỏng

Nhóm 3 Trang 17

µ2 = 0,81 10-3 N.s/m2 tương ứng với 2= 65,41 0C

41 , 65 29 , 53

80 60

2 1

Vậy dung dịch 1 cần tìm độ nhớt tại ts1 = 158,808 0C

2 1

2 1

80808,15841,652 1

Vậy độ nhớt của dung dịch nồi 1 là dd1= 0,38.10-3 N.s/m2 [1-91]

Tính cho nồi 2:

Xdd2 = 20,37%

Chọn tµ1 = 60 0C → µ1 = 1,54.10-3 N.s/m2

tµ2 = 80 0C → µ2= 1,19.10-3 N.s/m2 Đối với etanol 40%

80 60

2 1

Vậy dung dịch 1 cần tìm độ nhớt tại ts2 = 68,417 0C

2 1

2 1

80457,12407,482 1

Vậy độ nhớt của dung dịch nồi 2 là dd2= 0,77.10-3 N.s/m2 [1-91]

Tính cho nồi 3:

Xdd3 =50%

Chọn tµ1 = 60 0C → µ1 = 7,771.10-3 N.s/m2

tµ2 = 80 0C → µ2= 5,348.10-3 N.s/m2 Đối với etanol 40%

Theo [ 1-91]

µ1 = 7,771.10-3 N.s/m2 tương ứng với 1 = -2,29 0C

Nhóm 3 Trang 18

µ2= 5,348.10-3 N.s/m2 tương ứng với 2 = 6,516 0C

516 , 6 ) 29 , 2 (

80 60

2 1

Vậy dung dịch 1 cần tìm độ nhớt tại ts3 = 80,343 0C

2 1

2 1

80422,81516,62 1

Vậy độ nhớt của dung dịch nồi 3 là µdd3 = 5,3066.10-3 N.s/m2 [1-91]

2.6.2 Hệ dẫn nhiệt của dung dịch:

Tính theo công thức (I.32/123- [1])

M C

A P d





Trong đó: Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ;

ρ- khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3;

M- khối lượng mol của chất lỏng;

A- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng;

Ở đây A = 3,58.10-8;

Trong đó: M = mi Mct + (1- mi) MH2O

Mà

O H

i

ct i

ct i

i

M

x M

x M

x m

2 , 13

40

2 , 13

= 19,409

Nhóm 3 Trang 19

1 1

408,19

1142

1142.86,3633.10.58,3



M C

A P d

37 , 20

40

37 , 20

266,20

1220

1220.3600.10.58,3



M C

A P d

99 , 49

40

99 , 49

82,24

1525.1525.2748.10.58,3



M C

A P d





2.6.3 Hệ số cấp nhiệt:

Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:

Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đi trong ống Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp nước ngưng tụ Màng nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Còn sát thành ống sẽ có một lớp cặn dung dịch bám vào,vì vận tốc khu vực này gần bằng không Lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến qua trình truyền nhiệt

Qua trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn:

- Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là α1 với nhiệt tải là q1 (W/m2)

- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m;

Nhóm 3 Trang 20

- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là α2 với nhiệt lượng tải riêng là q2 (W/m2)

a) Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị:

Theo định luật Niutơn ta có:

04,2

H t

r A

199.04,2) (

.04,

3 25

0

r A

1 1

1 t

q   = 7262,26.4,87= 35367,21 (W/m2)

3 25

0

2

2,4.4

10.2109.(

35,195.04,2) (

.04,





t H

r A

q 2  2 t 2 =7501,28 4,2= 31505,38(W/m2)

3 25

0

3

4,4.4

10.25,2215.(

52,184.04,2) (

.04,





t H

r A

λ : hệ số cấp nhiệt của dung dịch W/m.độ

ρ : khối lượng riêng của dung dịch kg/m3

ρ’ : khối lượng riêng của hơi thứ kg/m3

σ : sức căng bề mặt N/m

r : ẩn nhiệt hóa hơi hơi thứ J/kg

ρo : khối lượng riêng của hơi ở áp suất 9,81.104 N/m2

c : nhiệt dung riêng của dung dịch J/kg.độ

q : nhiệt tải riêng W/m2

Bảng 2.7: Thông số của dung dịch:

Nhóm 3 Trang 22

 = ρht1 = 2,77 kg/m3

at  = ρht2 = 1,08 kg/m3

t  = ρht3 = 0,13 kg/m3Theo [1- 305]

8, 02.10-2

N/m 8,58.10-2

N/m 11,12.10-2

N/m = 0,58 kg/m3 (đối với nước )

Hệ số cấp nhiệt cho từng nồi là:

α2i = 780

= 6752,29 W/m2.độ

α22= 780

= 3764,844 W/m2.độ

α23 = 780

= 2011,62 W/m2.độ

2.6.5.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch

q2i = α2i ∆t2i W/m2

∆t2i : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

∆t2i = tT2i – tddi = t2i – tsi = Thdi – tsi – (Thdi – tTi ) – (tT1i – tT2i) = ∆Ti – ∆t1i – ∆tTi

∆tTi : hiệu số nhiệt độn giữa hai bề mặt thành ống, oC

∆Ti : hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi, oC

∆t1i : hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành ống phía hơi ngưng tụ, oC

Nhóm 3 Trang 23

λ: hệ số dẫn nhiệt của thành ống, w/m.độ, λ = 46,1 w/m.độ Đối với thép CT3:

∑r = 0,232.10-3

+ 0,247.10-3 + = 5,224 10-4 m2.độ/w Vậy

q

q 

Bảng 2.8 Tính sai số nhiệt tải riêng

( 31505,37824+32317,42 ) = 31911,399 w/m2

q K

q K



 , w/m2.độ Với: ∆T1 = 28,28 oC

= 4,404.106 J Tại nồi 2:

3600

.

2r ht G W C t s t s

= 4,198.106 J

Do dung dịch đi vào nồi 2 ở trạng thái quá nhiệt ts1>ts2 nên có quá trình tự bốc hơi, do

đó lượng nhiệt tiêu tốn bị giảm đi một lượng

Tại nồi 3:

3600

.

3 3

s s

ht G W W C t t r

W



= 4,875.106 J

Do dung dịch đi vào nồi 3 ở trạng thái quá nhiệt ts2>ts3 nên có quá trình tự bốc hơi, do

đó lượng nhiệt tiêu tốn bị giảm đi một lượng

Nhóm 3 Trang 25

2.6.5 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi:

Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:

F1 = F2 = F3 = const Trong trường hợp này hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi tỉ lệ bậc nhất với tỉ số Q/K của các nồi tương ứng:

i

Ki Qi Ki

Qi k

T ( ) 3 .

1

(VI.20/68 – [2])

Trong đó: ΣΔThi – tổng hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi;

Qi - nhiệt lượng cung cấp, J

= 25,86 oC

= 93.083

= 27,38oC

= 93,083

= 38,8 oC

T T

Như vậy các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 10%

2.6.6 Tính toán bề mặt truyền nhiệt:

Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:

6

1

* 1

1

86,25.19,1212

10.404,4

m K

10.198,4

6

2

* 2

Q

Nồi 3:

5,38.37,866

10.875,4

6

3

* 3

d là đường kính của ống truyền nhiệt, m

Do trong cả ba nồi hệ số cấp nhiệt của hơi đốt α1> hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi Vậy chọn d là đường kính trong của ống truyền nhiệt

Ống truyền nhiệt loại 38x2, tức là:

Đường kính ngoài: dn = 38 mm =38.10-3m

Độ dày: δ = 2mm = 2.10-3

m đường kính trong của ống dtr = dn - 2δ = 38.10-3 - 2.2.10-3= 0,034m

l là chiều dài ống truyền nhiệt, m Chọn l = 4m

Thay vào ta có:

= 329 (ống) Quy chuẩn theo bảng V.11/[2- 48]

Số hình 6 cạnh = 11

Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh = 23 ống

Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân = 397 ống

Số ống trong các hình viên phân ở dãy thứ nhất: 7

Số ống trong các hình viên phân ở dãy thứ hai, ba: 0

Tổng số ống trong tất cả hình viên phân = 42 ống

Tổng số ống của thiết bị = 439 ống

3.1.2.Xác định đường kính trong của buồng đốt

Tính theo công thức: Dtr = t.(b – 1) + 4.d

t: là bước ống thường lấy t = (1,2 – 1,5 )d

d: là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt d = 38 mm

b: là số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh b = 23

Thay số ta có: Dtr = 1,2.0,038.(23 – 1) + 4 0,038 = 1,155 (m)