THIỆU CHUNG
Phân loại thiết bị cô đặc
Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng Tuy nhiên ta có thể phân loại theo 1 số đặc điểm sau:
-Theo nguyên lý làm việc: Có 2 loại thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ và làm việc liên tục
-Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: Chia ra 3 loại: Thiết bị làm việc ở
+ Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu
+ Nguồn hơi nước: Nay là nguồn cấp nhiệt thường gặp nhất
+ Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp điphenyl cho thiết bị chu kỳ có công suất nhỏ
Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau:
Bộ phận nhận nhiệt trong thiết bị đốt nóng bằng hơi nước là dàn ống với nhiều ống nhỏ, nơi hơi nước ngưng tụ bên ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch bên trong.
Không gian phân ly là yếu tố quan trọng trong quá trình tách dung môi, vì hơi dung môi sinh ra còn chứa dung dịch Do đó, cần thiết phải có một không gian rộng rãi để đảm bảo rằng các dung dịch có thể rơi trở lại bộ phận nhiệt một cách hiệu quả.
-Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:
-Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại
-Có hệ số truyền nhiệt lớn
-Tách ly hơi thứ tốt.
Cô đặc nhiều nồi
-Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt
- Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Quá trình gia nhiệt trong hệ thống nồi được thực hiện theo chuỗi, trong đó dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt từ nồi trước, và hơi thứ từ mỗi nồi sẽ tiếp tục được sử dụng để đun nồi tiếp theo Qua từng nồi, dung dịch sẽ bốc hơi một phần, dẫn đến nồng độ của dung dịch tăng dần Để đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả, cần có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, đồng nghĩa với việc áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần Thông thường, nồi đầu tiên hoạt động ở áp suất dư trong khi nồi cuối cùng làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, tạo ra điều kiện lý tưởng cho quá trình ngưng tụ.
Hệ thống cô đặc nhiều nồi mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với sử dụng một nồi đơn lẻ, với lượng hơi đốt tiêu thụ để bốc hơi 1 kg hơi thứ sẽ tăng Cụ thể, trong hệ thống cô đặc 1 nồi, lượng hơi đốt tiêu hao là 1,1 kg cho mỗi kg hơi thứ.
Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg
Theo số liệu, lượng hơi đốt giảm khi số nồi tăng, nhưng không theo tỉ lệ bậc 1 Cụ thể, từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, trong khi từ nồi 4 lên nồi 5 chỉ giảm 10% Đặc biệt, từ nồi 10 lên nồi 11, lượng giảm không quá 1% Điều này cho thấy rằng hệ thống cô đặc với nhiều nồi không nên vượt quá 10 nồi.
-Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng.
Giớ i thiệu chung về KOH
Kali Hidroxit (KOH) là một hợp chất tinh thể không màu, có nhiệt độ nóng chảy 404 °C và nhiệt độ sôi 1.324 °C KOH dễ dàng tan trong nước, tạo ra phản ứng tỏa nhiệt mạnh mẽ; ở nhiệt độ 20 °C, 100 g nước có thể hòa tan tới 112 g KOH Đây là một loại kiềm mạnh, có khả năng hấp thụ nước và khí carbonic (CO2) trong không khí, dẫn đến sự hình thành kali cacbonat (K2CO3).
Dung dịch KOH khi hòa tan trong nước sẽ tạo ra một dung dịch không màu, mang đầy đủ tính chất của một bazơ mạnh Ngoài ra, dung dịch này còn có khả năng ăn mòn thủy tinh.
-Khi KOH nóng chảy có khả năng ăn mòn sứ (trong môi trường có không khí), platin.
Điều chế kali hydroxide (KOH) bằng phương pháp điện phân dung dịch kali clorua (KCl) có màng ngăn là một quy trình quan trọng trong phòng thí nghiệm Quy trình này không chỉ được ứng dụng trong sản xuất xà phòng mềm mà còn trong việc tạo ra các muối kali Tuy nhiên, cần lưu ý rằng KOH là một chất ăn da và rất nguy hiểm nếu tiếp xúc với mắt.
Sơ đồ dây chuyền sản xuất
1.4.1 Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡ ng bứ c.
1 Thùng chứa dung dịch đầu
5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
10.Thiết bị ngưng tụ Baromet
1.4.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống
Dung dịch KOH được bơm vào thùng cao vị và sau đó chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt để được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi trước khi vào nồi 1 Tại nồi 1, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, với hơi đốt được sử dụng để làm nóng dung dịch Nước ngưng được xả ra ngoài, trong khi hơi thứ được tách ra và hồi lưu một phần dung dịch bốc hơi Hơi thứ từ nồi 1 được sử dụng để làm hơi đốt cho nồi 2, với dung dịch tự động di chuyển sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất Dung dịch vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, dẫn đến quá trình tự bốc hơi, nhưng cần tiêu tốn thêm hơi đốt để đun nóng dung dịch khi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn.
Dung dịch từ nồi 2 được chuyển vào thùng chứa sản phẩm, trong khi hơi bốc lên từ nồi này được dẫn vào thiết bị ngưng tụ barômet Tại đây, nước làm lạnh từ trên đi xuống tương tác với hơi cần ngưng từ dưới đi lên, giúp hơi ngưng tụ thành lỏng chảy qua ống baromet (10) ra ngoài Khí không ngưng sẽ được thu hồi qua thiết bị thu hồi bọt và sau đó vào bơm hút chân không.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều với thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài thẳng đứng được thiết kế để cô đặc dung dịch KOH với năng suất đạt 3,25 tấn/giờ (3250 kg/h) và chiều cao ống gia nhiệt là 4 mét.
Các số liệu ban đầu:
- Nồng độ đầu của dung dịch: X đ = 14,2%
- Nồng độ cuối của dung dịch: Xc= 33%
- Á p suất hơi đốt nồi 1: 4 at
- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,35 at
2.2.1 Xác định lượng nước hơi thứ bốc ra từ toàn bộ hệ thống và trong từ ng nồi:
2.2.1.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống: Áp dụng công thức (VI.1/ST 2 – T 55)
2.2.1.2 Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi:
W1: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W2: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:
2.2.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từ ng nồi x1: nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1 x2: nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
3250.14,2 32501851,5151 32,99 % ℎố ượ Đúng như bài ra ban đầu đã cho nồng độ cuối của nồi 2 là 33%
2.3 Tính cân bằng nhiệt lượ ng
2.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi:
2.3.1.1 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt trong mỗi nồi.
-Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:
Phd1: áp suất hơi đốt nồi 1
Pnt: áp suất hơi ngưng tụ
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
* Vậy áp suất hơi đốt từng nồi là:
△ P 1 : Chênh lệch áp suất của nồi 1 và nồi 2
△ P 2 : chênh lệch áp suất của nồi 2 và thiết bị ngưng
Hơi đốt nồi 1 được cung cấp từ nồi hơi, sau đó hơi thải ra từ nồi 1 sẽ được chuyển sang nồi 2 để sử dụng làm hơi đốt, nhằm tận dụng tối đa nhiệt năng.
2.3.1.2 Xác định nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi
Theo sơ đồ nồi cô đặc, nhiệt độ hơi của nồi 1 (Tht1) tương đương với nhiệt độ hơi đốt của nồi 2 (Tht2) Tuy nhiên, trong quá trình truyền khối, có sự tổn thất nhiệt do trở lực trong đường ống (∆′′).
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1 (Thd1)
Tra bảng(I.250/ST1-T312,313), ứng với mỗi nhiệt độ hơi thứ của mỗi nồi sẽ cho áp hơi thứ tương ứng:
Nồi Thti (℃ ) P hti ( at) r hti (J/Kg)
2.3.2 Xác định tổn thất nhiệtđộ
2.3.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: , (oC) Áp dụng công thức: r f T f o 2
’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, K r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Ti: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước
2.3.2.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: , ,
-Áp dụng công thức VI.12(STT2.T60 )
Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng của dung dịch (at) và chiều cao của lớp dung dịch sôi (h i) từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m) là các yếu tố quan trọng trong quá trình truyền nhiệt Chiều cao tổng cộng của ống truyền nhiệt (h) cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
dds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/ ) g : gia tốc trọng trường (m/ ) dds :
khối lượng riờng của dung dịch khi sụi Lấy gần đỳng bằng ẵ khối lượng riêng của dung dịch ở 15 0 C
Khối lượng riêng của dung dịch KOH ở 15ºC ứng với mỗi nồng độ được xác định theo bảng (I.21/ST1 – T33)
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là:
Tra bảng (I.251/ST1- T314) Đối với nồi 1:
0,536 → 82,556 ℃ Áp dụng công thức VI.13 (STT2.T60) để tính áp suất thủy tĩnh của hệ thống:
: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb (℃ )
: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất P0 (℃ )
Vậy tổn thất do áp suất thủy tĩnh của từng nồi là:
Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cả hệ thống là: ΣΔ ∆ ∆ 1,96159,056 11,0175 ℃
2.3.2.3 Tổn thất do đưng ống(∆ )
Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là :1 o C
⇒Tổng tổn thất nhiệt độ cả hệ thống là: ΣΔ ΣΔ ΣΔ ΣΔ 20,112711,01752 33,1302 ℃
2.3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữ u ích của hệ hệ thống và từ ng nồi
2.3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định : Áp dụng công thức (VI.17/ST2 – T67):
∆ ΣΔ (Theo CT VI.17/ST2 – T67) Trong đó:
∆ : Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ
Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích của hệ thống là:
2.3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từ ng nồi
, : nhiệt độ sôi của từng nồi
Thay số vào biểu thức, ta đượ c:
2.3.3.3 Xác định nhiệt độ hữ u íchở mỗi nồi:
Vậy nhiệt độ hữu íchở từng nồi là:
Ta có bảng kết quả như sau:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích (℃ )
Nhiệt độ sôi của dung dịch (℃ )
Kiểm tra lại dữ liệu:
Vậy các dữ kiện chọn thỏa mãn
2.3.4.Lp phương trình cân bằng nhiệt lượ ng:
D: Lượng hơi đốt vào (kg/h)
1 , 2 i i : Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2 (J/kg)
1 2, i i : Hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2 (J/kg)
: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
: Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg độ)
, : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 (J/kg độ)
, : Nhiệt dung riêng của hơi đốt ra khỏi nồi 1, nồi 2 (J/kg độ)
, : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
: lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị (kg/h)
, : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2
Nhiệt lượ ng vào g ồm có:
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i1
Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd
- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1
Nhiệt lượ ng mang ra:
-Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
-Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
2.3.4.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Các PT được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
Giải hệ phương trình (1),(2), và (3) ta được :
Thay (4) vào phương trình (1) ta có :
- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
- Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Nhiệt độ sôi từng nồi :
Nhiệt độ sôi dung dịch đầu: 103,716 ℃ (Tra bảng I204/ ST1- Tr 236)
- Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi:
Tra bảng (I.249/ST1-T311), ta được:
- Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2 :
+ Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ 14,2% khối lương Đối với dung dịch loãng ( x < 0,2 ) ta áp dụng công thức I.43 /STQTTB T1 – T152 ta có:
+ Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x1 = 19,85593 %khối lượng
Cũng áp dụng công thức trên ta được:
-Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 32,99 %khối lượng Đối với dung dịch ( x > 0,2 ) ta áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có:
Với Chr là nhiệt dung riêng của KOH được xác định theo công thức (I.41/ST1 – T152):
M.Cht = n1.c1+ n2.c2+ n3.c3 trong đó : M : KLPT của KOH : M1 = 56 n1: Số nguyên tử K : n1 = 1 n2 : Số nguyên tử O : n2= 1 n3 : Số nguyên tử H : n3= 1 c1 , c2 c3: Nhiệt dung riêng của nguyên tử K,O,H
Tra từ bảng (I.141/ST1 – T152) c1 = 26000 (J/kg.nguyên tử độ) c2 = 16800 (J/kg.nguyên tử độ) c3 = 9630 (J/kg.nguyên tử độ)
Từ đó ta sẽ tính được nhiệt dung riêng của hơi đốt ra khỏi nồi 2 :
-Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ;
Thay các kết quả ta đã tính toán được vào phương trình (4) ta được kết quả sau:
Thay vào phương trình (5) ta được:
Ta có bảng số liệu như bảng 3 sau:
Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiện như sau :
Sai số giữa W được tình từ phần cân bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn
2.4.Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượ ng trung bình từ ng nồi:
2.4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
-Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và nồi
Trong điều kiện làm việc của phòng đốt thẳng đứng với chiều cao H = 4m, hơi ngưng tụ bên ngoài ống và máng nước ngưng chảy, hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức (V.101/ST2 – T28).
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i , W/m 2 độ
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi 1 và nồi 2, o C
∆t12 = 3,9 o C r i: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt:
Tra bảng I.250/ST1 – T312 ta có :
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với tm được tính: tmi = 0,5(tTi +ti ) o C ( * ) ti: nhiệt độ hơi đốt tTi : nhiệt độ bề mặt tường
Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào (ST2-T29), ta được giá trị như sau:
Vậy hệ số cấp nhiệt của mỗi nồi là:
2.4.2 Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: Áp dụng công thức ( CT 4.14/ST1), ta có:
Thay số vào biểu thức, ta được kết quả:
Từ các kết quả trên, ta có bảng số liệu như sau:
2.4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 2 i W/m2 độ:
Ta xác định hệ số này theo công thức:
Pi:áp suất hơi thứ (at)
2 : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.
Hiệu số được tính theo công thức: Δ Δ Δt Δ (2)
Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt: Δ ∑ , ℃ (3)
Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt
Với r 1, r 2: nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng ,bên trong cặn bẩn do dung dịch)
-Tra theo bảng ( V.I/ST2- T4) ta có:
Hơi nước có: r hn = 0,232.10 -3 m 2 độ/W
Cặn bẩn có: r cặn = 0,387.10 -3 m 2 độ/W
-Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là
Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép CT3 dày 0.002m, từ bảng XII.7- tr.313-T2 có W/m.độ và khối lượng riêng (kg/m 3 )
Thay vào PT (4) ta được : Σ 0,387.10 -3 + 0,232.10 -3 +, = 6,59.10 -4 (m 2 độ/W)
Thay vào PT (3) ta có hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt của mỗi nồi là:
Từ bảng 2, ta có hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi là :
Thay vào PT (2) ta có hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi mỗi nồi là: Nồi 1:
Ta có: : hệ số hiệu chỉnh ,xác định theo công thức(VI.27/ST2 – T71) Ψ , . , (5)
( dd: dung dịch, nc: nước )
: hệ số dẫn nhiệt , W/m độ
C: nhiệt dung riêng , J/kg độ
: Khi tra bảng ta lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch
Khối lượng riêng của nước: tra bảng (I.249/ST1 – T310) ta có:
-Khối lượng riêng của dung dịch KOH tra bảng ( I.21/ST1 – T33 )
- Nhiệt dung riêng của nước :tra bảng ( I.249 /ST1 – T 310 )
- Nhiệt dung riêng của dung dịch KOH ( Theo bảng 3 )
Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng (I.129/ST1 – T133)
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được xác định theo công thức:
A:hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng :ta chọn A = 3,58.10 -8
M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng (hỗn hợp của chúng ta là KOH và H2O ) nên : M = 56.a +(1- a)18
Vậy hệ số dẫn nhiệt của dung dịch trong mỗi nồi là:
3,58.10 − 3113,907.1321,9 , , 0,57 (W/m độ) Độ nhớt: Độ nhớt của nước tra bảng (I.104/ST1 – 96):
-Độ nhớt của KOH tra bảng (I.107/ST1– 101)
Sử dụng công thức Paplov (I.17-ST1-T.85):
, : Nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là ,
, : Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là ,
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ 19,85593 %:
Tra , dựa vào bảng (I.107-ST1-T.100)
Tra , & , dựa vào bảng (I.102-ST1-T.94) & (I.104-ST1-T.94)
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ 32,99 %
Vậy độ nhớt của dung dịch KOH là:
Ta được kết quả như sau:
Nồi (W/m.độ) (W/m.độ) (kg/ ) (kg/ ) M
Thay vào PT (5) ta có hệ số hiệu chỉnh của từng nồi là: Ψ , . , Ψ 0,55 0,6872 , 1186,703 942,626 → Ψ 0,764 3354,83077 4250,913 .0,2301 0,4002 , Ψ 0,57 0,6795 , 1321,9 962,1 → Ψ 0,946 3113,907 4220,454.0,301 0,379 ,
Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi hoàn toàn xác định như sau: 45,3. , ∆ , Ψ
2.4.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :
Vậy giả thiết∆ ,∆ là chấ p nhận đượ c.
2.5 Xác định hệ số truyền nhiệt cho từ ng nồi Áp dụng công thức:
: nhiệt tải riêng trung bình của từng nồi (W/m 2 )
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của từng nồi ( o C) (xem bảng 2)
Hệ số truyền nhiệt cho từng nồi là:
Lượng nhiệt tiêu tốn được tính theo công thức:
Ta có là nhiệt hóa hơi được xác định ở 142,9℃ và 110,5125℃
Tra bảng(I.250/ ST1 - T312), ta được kết quả như sau:
Lượng nhiệt tiêu tốn ở từng nồi là:
2.6 Hiệu số nhiệt độ hữ u ích
2.6.1 Xác định tỷ số sau :
2.6.2 Xác định nhiệt độ hữ u íchở mỗi nồi :
Vậy nhiệt độ hữu ích từng nồi là:
2.7 So sánh Ti', Ti tính đượ c theo giả thiết phân phối áp suất
Nhận xét: Sai số này< 5%, vậy phân phối áp suất như trên là hợp lí
2.8 Tính bề mặt truyền nhiệt (F)
Tính bề mặt truyền nhiệt theo phương thức bề mặt truyền nhiệt giữa các nồi bằng nhau:
Thay số vào công thức, ta được bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi là:
Ta theo bảng (VI.6-tr.80-ST2) thì Fchuẩn lấy bằng23
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
3.1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu :
Khi chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp, nên sử dụng thiết bị đun nóng loại ống chùm ngược chiều với hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm Trong quá trình hoạt động, hơi nước sẽ di chuyển từ trên xuống qua ống, trong khi hỗn hợp nguyên liệu đi từ dưới lên Theo bảng I.251-ST1/315, ở áp suất 3 atm, nhiệt độ đạt khoảng 12,9 độ C.
Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng(25 o C) đi ra ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu ts0= 103,0105 ºC
Q = F.C p.(tF – tf ) W Trong đó : + F: lưu lượng hỗn hợp đầu ,F = 3250 (kg/h)
+ tF : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = ts0 = 103,0105 ºC + C p: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu
C p= Co591,588J/kg.độ + tf : Nhiệt độ môi trường: tf % o C Thay số :
3.1.2 Hiệu số nhiệt độ hữ u ích:
Lậ p tỉ số: ∆ ∆ , , 3,6 > 2nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể đượ c tính theo công thức:
+Phía hỗn hợp: t2tb =t hđ t tb 132,9 – 61,62 = 71,28 ( 0 C) a) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể
+Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :
Trong đó : +r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa tra bảng I.250-ST1/312: t1= 132,9 o C r = 2170,88.10 3 (J/Kg).
+Δt1:Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt
+ H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 4 (m) +A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Thay số: α1=2,04 191,495.(,. . , = 7090,7 (W/m 2 độ) b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : q1 = α1.Δt1 [W/m 2 ]
Thay số : q1 p90,7.5 = 35453,49 (W/m 2 ) c) Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :
Theo công thức V.40-ST2/14 ta có :
Nu = 0,021.εk R e 0,8.Pr 0,43.( rt r p p ) 0,25 ( V.40-tr24-sst2)
*) εk : Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống Chọn đường kính d = 38 mm ; L = 2(m)
*) Tính chuẩn số Pr : Pr = p
+ C p: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t2tb = 71,28 0 C
+ Tra bảng (I 107- ST1/101)ta cúđộ nhớt dung dịch: à = 0,5121.10 -3 Ns/m 2
+ Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp λ=A.C p.ρ.
-Tra bảng I.21-ST1/32 ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttbq,28 0 C ρ 71,4 kg/m 3
-M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng ( hỗn hợp của chúng ta là KOH và H2O) nên : M = 56.a +(1- a)18
+Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống :
: Nhiệt độ thànhống phía hỗn hợ p
∑ : Tổng nhiệt tr ở ở 2 thànhống truyền nhiệt Ống dẫn nhiệt làm bằng thép CT3 có chiều dày 2 , 50 độ
, : Nhiệt tr ở của cặn bẩn 2 phía tườ ng (bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng, bên trong cặn bẩn do dung dịch).
Tra theo bảng (V.I/ST2-T4) ta đượ c:
Thay vào công thức trên, ta đượ c
+ C pt : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tt 2
+ àt : Độ nhớt của hỗn hợp tra bảng I.107-ST1/101: àt = 0,3695.10 -3 Ns/m 2 + λt : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở tt2 λt = A.C p
: khối lượng riêng của hỗn hợp ở tt 2
Tra bảng I.21-ST1/33 theo 110,5125 ℃ ta có : ρ62,5 kg/m 3
Thay vào công thức ta có :
Hỗn hợp chảy xoáy chọn Re = 10000
Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :
0,021.0,578 0,038.1.10000 , 3,18 , 3,18 2,61 , 874,69 d Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :
Sai số nhỏ hơn 5% ta chấp nhận giả thiết chọn độ
Trong đó : Nhiệt lượng trao đổi : Q = (W) qtb:Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch qtb = + ,+, 34883,77
Trong đó : F: Bề mặt truyền nhiệt d: đường kính ống truyền nhiệt d = 0,034 m
H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 4 (m)
Qui chuẩn n ống Theo bảng V.11-ST2/48 ta có :
Sắp xếp ống theo hình 6 cạnh
Số ống trên đường xuyên tâm 6 cạnh
Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân
3 Tổng ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng ống trong thiết bị
3.1.5.Đư ng kính trong của thiết bị đun nóng :
Trong đó: dn : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
2 0,0342.0,002 0,038 t: Bước ống Lấy t = 1,4 dn. t = 1,4 0,038 = 0,0532 b: số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh b= 5 Thay số : D = 0,0532 ( 5 -1 )+ 4.0,038 = 0,3648 m
Qui chuẩn : D =0,4 m= 400 (mm) (bảng VIII.6-ST2/359 )
3.1.6.Tính vn tốc và chia ngăn :
Nên ta cần chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy Số ngăn được xác định như sau:
Tính lại chuẩn số Re:
Vậy các kích thướ c của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là:
Số ống truyền nhiệt: nống Đườ ng kính của thiết bị: D= 400 mm
3.2.Chiều cao thùng cao vị: Ápsuất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống khi dòng chảy đẳng nhiệt: cb k t m đ P P P P
+ P đ : áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn:
Với: : khối lượng riêng của chất lỏng w : vận tốc của lưu thể
+ P m: áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng.
Với: dtd; điều kiện của ống
+ P cb: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ:
với: : hệ số trở lực cục bộ
+ P t : áp suất cần thiết khắc phục trở lực trong thiết bị P t =0
+ P k : áp suất bổ sung ở cuối đường ống, P k =0 a)Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc :
Có 1171,4 kg/m³ (ở nhiệt độ ttb)
Chọn đường kính ống dẫn liệu là d= 80mm
Tốc độ dòng chảy trong ống của thiết bị gia nhiệt:
+)Áp suất để khắc phục trở lực ma sát: P m w 2 td 2
Chọn chiều dài ống dẫn là L=2m, dtd= 0,08m.
: độ nhớt của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi( nhiệt độ cuối khi gia nhiệt) có :
Do đó nhiệt độ chảy của hỗn hợp đầu trong ống là chế độ chảy xoáy Chọn ống làm bằng ống tráng kẽm mới bình thường
-Tra bảng II.15-ST1/381): 0,1 0,5 mm.Chọn 0,1
Ta có Regh