Tổng quan về KNO 3
Tính chất hóa học
• 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).
Điều chế KNO 3
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 làm nguội KNO3 sẽ kết tinh ở nhiệt độ 22°C, theo phương trình hóa học tương ứng.
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 độc đáo, cung cấp đầy đủ dinh dưỡng đa lượng với hàm lượng 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 việc quản lý nước của cây, bao gồm cả sự đóng mở của lỗ khí khổng.
• KNO 3 giúp cho cây trồng khỏe mạnh hơn và cho năng suất cây trồng tốt hơn
• KNO 3 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 dẫn đến các triệu chứng rõ rệt như cháy mép lá, xuất hiện đốm đen và lá vàng.
KNO3 được coi là một chất nền hiệu quả trong việc chống lại vi khuẩn, nấm, côn trùng và virus gây hại Hóa chất này giúp giảm đáng kể sự hấp thụ clo của cây trồng và đồng thời ngăn chặn các tác nhân gây hại từ natri.
Vai trò của KNO3 trong chế tạo thuốc nổ
• Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO 3 , 10% S và 15% C Khi nổ, nó tạo ra muối kali sunfua, khí nitơ và khí CO 2 :
• 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 đã trở thành thành phần phổ biến trong các loại kem đánh răng dành cho răng nhạy cảm, nhờ vào khả năng điều trị hiệu quả tình trạng này Việc sử dụng kali nitrat trong kem đánh răng giúp giảm cảm giác nhạy cảm, mang lại sự thoải mái cho người dùng.
• Được sử dụng lịch sử để điều trị bệnh hen suyễn và viêm khớp.
Ưu điểm của hóa chất KNO 3
Hóa chất KNO3 an toàn cho sức khỏe con người và không độc hại, đồng thời mang lại lợi ích cho cây trồng Do đó, KNO3 được sử dụng rộng rãi và trở thành một trong những loại hóa chất nông nghiệp phổ biến nhất.
Tổng quan về cô đặc
Định nghĩa 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 chân không, thường và dư, trong hệ thống thiết bị cô đặc như nồi hoặc nhiều thiết bị khác Quá trình này có thể được thực hiện theo hai hình thức: gián đoạn hoặc liên tục.
Cô đặc chân không là phương pháp hiệu quả cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dễ phân hủy nhiệt, giúp giảm bề mặt truyền nhiệt nhờ vào hiệu số nhiệt độ hữu ích Bằng cách hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch, phương pháp này cho phép tận dụng nhiệt thừa từ các quá trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ để cải thiện hiệu suất 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, như dung dịch muối vô cơ Phương pháp này cho phép tận dụng hơi thứ của dung dịch để phục vụ cho các quá trình công nghiệp khác.
Khi cô đặc ở áp suất khí quyển, hơi thải ra ngoài không khí mà không được sử dụng Mặc dù đây là một phương pháp đơn giản, nhưng hiệu quả kinh tế của nó không cao.
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 quan trọng Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm đã áp dụng thiết bị cô đặc như một giải pháp hiệu quả để đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn.
Mặc dù cô đặc là hoạt động gián tiếp, nhưng nó rất quan trọng cho sự tồn tại của nhà máy Việc cải thiện hiệu quả thiết bị cô đặc trở nên cần thiết theo sự phát triển của nhà máy, yêu cầu thiết bị hiện đại, an toàn và hiệu suất cao Do đó, kỹ sư cần có kiến thức vững vàng và đa dạng, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
Phân loại các thiết bị trong cô đặc
Nhóm 1 bao gồm dung dịch đối lưu tự nhiên, hay còn gọi là tuần hoàn tự nhiên Thiết bị cô đặc trong nhóm này có khả năng cô đặc dung dịch loãng với độ nhớt thấp, giúp đảm bảo quá trình tuần hoàn diễn ra dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài
Buồng đốt ngoài không đồng trục kết hợp với dung dịch đối lưu cưỡng bức là một giải pháp hiệu quả trong thiết bị cô đặc Nhóm này sử dụng bơm để tạo ra vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt, giúp tăng cường hệ số truyền nhiệt k Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng xử lý các dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, đồng thời giảm thiểu tình trạng bám cặn và kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
• 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) giữ 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 duy trì mức dung dịch ổn định, từ đó tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu thời gian cô đặc.
Cô đặc áp suất chân không là phương pháp hiệu quả để xử lý dung dịch có nhiệt độ sôi thấp, giúp giảm thiểu cặn bã và duy trì quá trình bay hơi liên tục của dung môi Quá trình này cho phép dung dịch tuần hoàn tốt, đảm bảo hiệu suất cao trong việc cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi nhằm tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên quá lớn để tránh giảm 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 sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục mang lại hiệu quả vượt trội so với cô đặc gián đoạn và có thể được tự động hóa, mặc dù hiện tại vẫn thiếu cảm biến đáng tin cậy Mỗi nhóm thiết bị có thể được thiết kế với buồng đốt trong hoặc ngoài, cùng với tùy chọn 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
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 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, thiết bị kín cô đặc chân không là lựa chọn tối ưu Việc sử dụng thiết bị chân không giúp giảm bề mặt truyền nhiệt, vì 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.
Quá trình cô đặc nhiều nồi hoạt động dựa trên nguyên tắc cấp hơi nước bão hòa vào thiết bị để bay hơi dung môi trong dung dịch Sau khi hơi đốt được 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 được dẫn vào thiết bị ngưng tụ để chuyển đổi thành lỏng Cuối cùng, dung dịch sau khi cô đặc sẽ được tháo ra ngoài qua cửa tháo liệu với nồng độ đạt yêu cầu.
Hệ thống cô đặc nhiều nồi có những ưu điểm và nhược điểm riêng Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là dung dịch tự động di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi Hơi thứ từ nồi 1 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi 2, cho phép hơi này được sử dụng để đốt nóng nồi 2, từ đó tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
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 hệ thống từ nồi đầu đến nồi cuối.
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 được chuyển vào thiết bị cô đặc tuần hoàn với hai nồi xuôi chiều Tại đây, dung dịch lưu thông 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 cô đặc dung dịch đạt nồng độ 23%.
Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, di chuyển bên ngoài ống truyền nhiệt Nước ngưng sẽ được tháo ra ngoài, trong khi ống tháo nước ngưng có cốc tháo để ngăn hơi đốt thoát ra ngoài Đồng thời, khí không ngưng cũng được xả ra bên ngoài qua ống xả.
Hơi thứ từ thiết bị cô đặc được chuyển vào thiết bị ngưng tụ baromet, nơi nước được sử dụng để ngưng tụ Phần hơi không ngưng tụ sẽ tiếp tục được đưa vào thiết bị tách lỏng để xử lý, trong khi khí dư thừa sẽ được loại bỏ 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
Bơm chân không chuyển dung dịch có nồng độ thấp từ thùng chứa (1) lên thùng cao vị (2) qua bơm (4) Dung dịch sau đó được điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế (3) trước khi vào thiết bị gia nhiệt (5) Tại đây, dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa và được đưa vào buồng đốt của nồi cô đặc thứ nhất (7) Ở nồi này, dung dịch tiếp tục được làm nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, với dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được cung cấp để gia nhiệt dung dịch, trong khi nước ngưng được xả ra khỏi buồng đốt qua cửa tháo nước.
Hơi thứ từ nồi 1 được đưa qua bộ phận tách bọt trước khi ra khỏi nồi cô đặc, nhằm hồi lưu dung dịch bốc hơi Dung dịch tự chảy sang nồi 2 do chênh lệch áp suất, với áp suất nồi sau nhỏ hơn Tại nồi 2, quá trình bốc hơi diễn ra tương tự, sử dụng hơi thứ từ nồi 1 làm tác nhân đun nóng Hơi thứ từ nồi 2 sau đó được ngưng tụ thành lỏng tại thiết bị ngưng tụ, chảy vào thùng chứa bên ngoài, trong khi khí không ngưng đi vào thiết bị thu hồi bọt và bơm hút chân không Dung dịch ra khỏi nồi 2 được bơm vào thùng chứa sản phẩm, còn nước ngưng trong hệ thống được thu gom và xử lý tại thùng tập kết.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều, nơi hơi đốt và dung dịch di chuyển cùng chiều giữa các nồi, thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất Trong quá trình này, nồi đầu tiên có nhiệt độ sôi cao hơn nồi tiếp theo, dẫn đến dung dịch vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, từ đó tạo ra quá trình tự bốc hơi khi dung dịch được làm lạnh Tuy nhiên, khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi, cần phải sử dụng thêm năng lượng để đun nóng dung dịch, làm tăng mức tiêu thụ hơi đốt Do đó, trước khi vào nồi nấu đầu tiên, dung dịch cần được làm nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
Nhược điểm của phương pháp cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch giảm dần ở các nồi, trong khi nồng độ lại tăng lên, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng độ nhớt 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) x đ - Nồng độ đầu vào của dung dịch: x đ = 5% x c - Nồng độ cuối của dung dịch: x c = 23%
G đ - Lượng dung dịch đầu: G đ = 10800 (kg/h)
Tính sơ bộ lượng hơi bốc ra khỏi mỗi nồi
W 1 – Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1: W 1 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2 (W 2) là 2 kg/h, lớn hơn so với nồi trước Để tận dụng toàn bộ lượng hơi từ nồi trước cho nồi sau, cần đảm bảo rằng quá trình chuyển giao này được thực hiện hiệu quả.
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: x 2 = x c = 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 = p 1 – P ng = 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: p 1 = 5 (at), Tra bảng I.251 [1-314,315] ta có:
Nồi cô đặc 2: Áp suất hơi đốt: p 2 = p 1 - ∆P 1 = 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
Ti+1 – nhiệt độ của hơi đốt cho nồi (i + 1)
∆ i ′′′- tổn thất nhiệt do trở lực đường ống ( chọn ∆ 1 ′′′ = ∆ 2 ′′′= 1 𝑜 𝐶)
Nhiệt độ hơi thứ: t 1 ′ = T2 + ∆′′′= 111,37 + 1 = 112,37 ( o C) Tra bảng I.251 [1-313], nội suy ta có:
- Áp suất hơi thứ: p 1 ’ = 1,59 (at)
Nồi cô đặc 2 : Áp suất hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ là P ng =0,2 at, Tra bảng I.251 [1- 313], nội suy ta được T ng = 59,7 o C
Nhiệt độ hơi thứ: t 2 ′ = 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 cô đặc, thiết bị gặp phải tổn thất nhiệt độ, bao gồm các yếu tố như nồng độ tăng cao (∆’), áp suất thủy tĩnh gia tăng (∆’’) và trở lực trong đường ống (∆’’’) Những yếu tố này góp phần làm giảm hiệu suất của quá trình 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 luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở bề mặt Việc tính toán tổn thất này thường được thực hiện tại vị trí giữa của ống truyền nhiệt.
∆ i ’’ = t tb - t i ’ ( o C) Trong đó: t tb - nhiệt độ sôi ứng với áp suất P tbi ( o C) t i ’ - nhiệt độ sôi ứng với pi’ ( o C)
P tbi 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
- P i ’: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, at -h 1 : chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng, chọn h 1 = 0,5 m
- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H=5m -ρ dd : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3
Nồi cô đặc 1 : p 1 ’= 1,53at Tra bảng I.204 [1-236] và nội suy ta được: x1 = 8,11% => ρ dd1 = 1006,3 kg/m 3 Thay số vào phương trình ta có:
P tb1 = 1,741 at, tra bảng I.250 [1-314], nội suy ta được t tb1 = 115,24 o C
Nồi cô đặc 2 : p 2 ’= 0,21at Tra bảng [1-41], nội suy ta có: x2 = 23% =>𝜌 dd2 = 1041 (kg/m 3 ) Thay số vào phương trình ta có:
P tb2 = 0,366 at, tra bảng I.250 [1-314], nội suy ta được t tb2 = 73,12 o C
=> ∆ 2 ’’ = t tb2 – t 2 ’ = 73,2 – 60,7 = 12,42 ( 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 ∆′:
Tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi ảnh hưởng đến nồng độ và áp suất của chúng Biến thiên ∆’ 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 Nhiệt độ sôi ứng với áp suất P tb được ký hiệu là t tb (K), trong khi ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất tại áp suất làm việc được ký hiệu là r (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, cụ thể là khi t_sdd > t_sdm.
Với nồi cô đặc 1: T s1 =t tb1 + 2735,24 + 27388,24 o K
Với nồi cô đặc 2 : T s2 =t tb2 + 273s,12 + 27346,12 o K Tra bảng VI.2 [2 – 66] và nội suy ta có: x 1 =8,11% ta có ∆ o1 ’=0,73 o C x 2 #% ta có ∆ o2 ’= 2,31 o C Vậy:
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 trong hệ thống chủ yếu đến từ các đoạn ống nối giữa các thiết bị, cụ thể là giữa nồi 1 với nồi 2 và giữa nồi 2 với thiết bị ngưng tụ Trong giả thiết mục 6, khi tính toán nhiệt độ và áp suất hơi thải ra từ từng nồi, chúng ta đã chọn ∆ 1 ’’’ = ∆ 2 ’’’ = 1 (°C) Do đó, tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống được xác định.
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
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%:
C o = 4186 × (1 − 0,05) = 3976,7 (J/Kg độ) Dung dịch ra khỏi nồi 1 có nồng độ 8,11%:
C 1 = 4186 × (1 − 0,0811) = 3846,52 (J/Kg độ) 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:
Thay số ta đc: C ht KNO 3 = 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): θ 1 = T 1 = 151,1 o C; θ 2 = T 2 = 111,37 o C Tra bảng I.249 [1-249] và nội suy ta có:
C nc1 = 4299,84 J/Kg.độ ; C nc2 = 4224,03 J/Kg.độ
Nhiệt độ sôi của dung dịch khi đi vào các nồi được xác định như sau: Nhiệt độ sôi của dung dịch vào nồi 1 là t so, trong đó t s1 là nhiệt độ sôi ở nồi 1 và t s2 là nhiệt độ sôi ở nồi 2 Cụ thể, t so = t s1 + 6,04 °C và t s2 = u,02 °C.
9.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Lượng nhiệt đi vào nồi:
Dung dịch đầu G đ C o t so ; Hơi đốt D.i 1
Lượng nhiệt đi ra nồi:
Sản phẩm mang ra (G đ -W 1 ) C 1 t s1 ; Hơi thứ W 1 i 1 ;
Nước ngưng D C nc1 θ 1 ; Tổn thất Q m1 = 0,05D (i 1 - C nc1 θ 1 )
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
Lượng nhiệt đi vào nồi:
Dung dịch đầu: G 1 C 1 t s1 ; Hơi đốt: W 1 i 2
Lượng nhiệt đi ra nồi:
Sản phẩm mang ra: (G đ -W 1 -W 2 ).C 2 t s2 ; Hơi thứ : W 2 i 2 ’;
Nước ngưng: W.C nc2 θ 2 ; Tổn thất: Q m2 = 0,05.W 1 (i 2 - C nc2 θ 2 )
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 %
10 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 cho điều kiện làm việc buồng đốt ngoài với chiều cao H < 6m Hơi ngưng tụ bên ngoài ống và màng nước ngưng chảy dòng sẽ ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt, được tính theo công thức cụ thể.
Với A i phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng
- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = 5m
- α 1i : hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W/m 2 độ
- ∆t 1i : 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:
Nồi 1: ∆𝑡 11 = 4,53 ( o C) Nồi 2: ∆𝑡 12 = 4,54 ( o C) 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 q 1i 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: α 2i = 45,3.(p i ′) 0,5 ∆t 2i 2,33 Ѱ i [W/m 2 độ]
∆t 2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch
Hiệu số nhiệt độ ở hai bề mặt thành ống truyền nhiệt ∆t Ti = q 1i ∑ r Tổng nhiệt trở cùa thành ống truyền nhiệt: ∑ 𝑟 = 𝑟 1 + 𝑟 2 + 𝛿
𝜆 [𝑚 2 độ/𝑊] r 1 ; r 2 : 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 của vật liệu làm ống truyền nhiệt là 23 λ Đối với vật liệu ống truyền nhiệt được chọn là thép Crom Niken Titan (X18H10T), hệ số dẫn nhiệt của nó là λ,3 [W/m.độ].
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:
Theo bảng I.129, khi nhiệt độ t s1 là 6,04 o C, hệ số dẫn nhiệt λ 𝑛𝑐1 đạt 0,685 W/m.độ, và tại t s2 = 75,02 o C, λ 𝑛𝑐2 là 0,671 W/m.độ Dựa vào bảng I.104, tại t s1 = 6,04 o C, độ nhớt μ 𝑛𝑐1 là 0,242.10 −3 Ns/m 2, trong khi t s2 = 75,02 o C, μ 𝑛𝑐2 là 0,379.10 -3 Ns/m 2 Theo bảng I.148, tại t s1 = 116,04 o C, nhiệt dung C 𝑛𝑐1 là 4242,34 J/kg.độ, và tại t s2 = 75,02 o C, C 𝑛𝑐2 là 4194,45 J/kg.độ Cuối cùng, theo bảng I.5, tại t s1 = 6,04 o C, mật độ ρ 𝑛𝑐1 là 946,40 kg/m 3, và tại t s2 = 75,02 o C, ρ 𝑛𝑐2 là 4,88 kg/m 3 Các thông số này là rất quan trọng cho việc phân tích dung dịch trong nồi cô đặc.
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KNO 3 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 t s1 6,04 o C, x 1 = 8,11% ρ dd1 = 1006,3 kg/m 3 Với t s2 = 75,02 o C, x 2 = 23% ρ dd2 = 1041,0 kg/m 3 -M: Khối lượng mol của dung dịch được tính theo công thức:
N KNO3 : Phần mol của KNO 3 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:
Chất lỏng tiêu chuẩn được chọn là nước với nhiệt độ t1 = 20 oC và t2 = 30 oC Qua việc tra cứu bảng I.107 và nội suy, ta xác định được độ nhớt tại t1 là μ11 = 0,9738.10^-3 [N.s/m^2] và tại t2 là μ21 = 0,8.10^-3 [N.s/m^2] Tiếp tục tra bảng I.102 và nội suy, ta có θ11 = 21,32 oC và θ21 = 30,04 oC Tại nhiệt độ s1 = 116,04 oC, dung dịch có độ nhớt μdd1 tương ứng với độ nhớt của nước tại nhiệt độ θ31.
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ 31 = 105,07 o C ta được μ dd1 = 0,2698 10 -3 [N.s/m 2 ]
Chất lỏng chuẩn được chọn là nước, với các thông số: tại t1 = 20 °C và x = 23%, độ nhớt μ12 = 1,028.10^(-3) [N.s/m²]; tại t2 = 30 °C và x = 23%, độ nhớt μ22 = 0,834.10^(-3) [N.s/m²] Qua bảng I.102, ta nội suy và nhận được θ11 = 19,08 °C cho μ12 và θ21 = 28,11 °C cho μ22 Tại t s2 = 75,02 °C, dung dịch có độ nhớt μdd1 tương ứng với đột nhớt của nước tại nhiệt độ θ32.
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ 31 = 68,77 o C ta được μ dd2 = 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: α 21 = 45,3(p′ ) 0,5 ∆t 21 2,33 Ѱ 1
10.4 Tính nhiệt tải riêng q 2 về phía dung dịch:
Theo công thức: q 2i = α 2i ∆t 2i [W/m 2 ] Thay số ta có: q 21 = 4555,73× 7,12= 32439,48 [W/m 2 ] q 22 = 3029,31× 9,54(894,86 [W/m 2 ]
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
= 2581621,37 810,50 = 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 P 1 :P 2 = 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: D t = t (b – 1) + 4 dn [m] [4 – 49]
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các thông số kỹ thuật của hệ thống ống truyền nhiệt trong buồng đốt Cụ thể, số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là b = 15, đường kính ngoài của ống truyền nhiệt là dn = 38 mm, và bước ống của chùm ống truyền nhiệt được xác định là t = 1,45 dn Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt.
D t = 1,45 0,038 (15 – 1) + 4.0,038 = 0,9234 (m) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [4 – 359] chọn D t = 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
- P b : 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 này 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 áp dụng công thức đã nêu trong bảng.
- 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, được áp dụng khi 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, bước đầu tiên là xác định ứng suất cho phép Ứng suất cho phép phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm 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 được quy định trong tài liệu.
Theo bảng XIII.3 [2-356], hệ số an toàn theo giới hạn bền và giới hạn chảy của thép không gỉ cán, rèn dập được xác định với 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 (thuộc nhóm thiết bị 2) và 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 được định nghĩa là sự kết hợp của hơi bão hòa, trong đó nước ngưng tụ tạo ra áp suất làm việc bằng tổng áp suất hơi và áp suất thủy tĩnh của chất lỏng.
Có P mt = P hđ = 5,00 (at) = 5,00.98100 = 490500 (N/m 2 ) Vậy 𝑃𝑏 = 490500 (N/𝑚 2 )
(*) Xác định chiều dày buồng đốt
Vì vậy bỏ qua P b 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 = 𝑃 𝑡ℎ + 𝑃 1 , N/m 2 Với + P th : áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [2-358] Ta có
P th = 1,5.P b = 1,5 490500= 735750 (N/m 2 ) + P1 : áp suất thủy tĩnh của nước được tính theo công thức XIII.10 [2-360]
P 1 = 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
Ta có: P 1 = 997,08.9,81.(5 + 0,5) S797,45 (N/m 2 ) Suy ra P o = 735750 + 53797,45= 789547,45 (N/m 2 ) Vậy ta có:
= 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
Để đảm bảo yêu cầu giữ nguyên hình dạng của mạng khi khoan, nung và sau khi nung ống, cần phải đảm bảo rằng tiết diện dọc giới hạn bởi ống thỏa mãn điều kiện f ≥ fmin Cụ thể, tiết diện dọc giới hạn được tính bằng công thức 𝑓 = 𝑆 (𝑡 − 𝑑𝑛 ) ≥ 𝑓𝑚𝑖𝑛 = 4,4𝑑𝑛 + 12 (𝑚𝑚²).
-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 ) f min = 4,4.38 + 12 = 179,2 (mm 2 ) Vậy f ≥ f min
Để đảm bảo bền vững dưới tác dụng của các loại ứng suất, cần tiến hành kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn Việc này là cần thiết để xác định khả năng chịu đựng của mạng ống trong các điều kiện làm việc khác nhau.
-P b : áp suất làm việc, N/m 2 -d n : 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: σ u = 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 thiết bị 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 Đáy có hình elip và có gờ, được sử dụng cho các thiết bị có thân hàn thẳng đứng chịu áp suất Độ dày của đáy buồng đốt được xác định theo công thức XIII.47.
- D t : Là đường kính trong buồng đốt, D t = 1 m
- h b : Chiều cao phần lồi của đáy
- [𝜎]: Ứng suất cho phép của vật liệu
- φ h : Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φ h = 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
H dd = H ống + h b + h 1 = 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
Buồng bốc nồi cô đặc
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 = W 1 = 4167,02 (kg/h) -ρ h : Khối lượng riêng của hơi thứ tại áp suất P 1 ’= 1,59 (at) Tra theo bảng I.251 [3-
Cường độ bốc hơi thể tích (U n) là chỉ số quan trọng cho phép xác định khả năng bốc hơi của không gian hơi, được đo bằng mét khối trên mét khối mỗi giờ (m³/m³.h) Chỉ số này phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và áp suất hơi thứ Ở áp suất tiêu chuẩn P = 1 at, U n đạt giá trị từ 1600 đến 1700 m³/m³.h Khi áp suất khác 1 at, U n sẽ được điều chỉnh theo hệ số f, trong đó f = 0,97 Do đó, giá trị U n được chọn là 1600 m³/m³.h.
Suy ra, Un = f.U tt (1at) = 0,97.1600 = 1552 (m 3 /m 3 h) Thay vào ta có:
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 D trbb : 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], D trbb = 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]:
- D tr : Đường kính trong phòng bốc, D tr = 1,4 m
- σ b : Ứng suất cho phép của vật liệu, σ b 2.10 6 N/m φ: Hệ số bền hàn của thanh trụ theo phương dọc, ta chọn hàn bằng tay với D tr >
- C: Hệ số bổ xung, C = 1,4 mm
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:
- p 0 : Áp suất thử tính toán được theo công thức: p 0 = p th + p 1
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/m² Tính toán cho thấy áp suất thủy lực p_th bằng 1,5 lần áp suất bề mặt p_b, cụ thể là p_th = 1,5 * 155979 = 233968,5 N/m² Bên cạnh đó, áp suất thủy tĩnh của nước p_1 được tính theo công thức 𝑝_1 = 𝜌𝑔𝐻, với giá trị p_1 = 997,08 * 9,81 * 2,6 = 25431,52 N/m².
p 0 = 233968,5+25431,52 = 259400,02 (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]:
- D tr : Là đường kính trong buồng bốc, D tr = 1,4 m
- h b : Chiều cao phần lồi của đáy
Theo bảng XIII.10 [4-382] do D tr = 1,4 m nên h b = 350 mm
- φ h : Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm, φ h = 0,95
- σ bk : 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
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
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 p hđ = 5at => ρ = 2,614 (kg/𝑚 3 )
0,785.35 = 0,133 (m) Quy chuẩn từ [4 – 434] d tr = 150 mm
Vận tốc đạt 27,74 m/s, nằm trong khuyến cáo Chọn đường kính 150 mm, áp suất làm việc P là 0,4905 x 10^6 N/m², trong khi quy chuẩn P là 0,6 x 10^6 N/m² Theo bảng XIII.26 [4-413], sử dụng bích liền bằng kim loại đen để kết 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 của dung dịch ở nhiệt độ sôi 116,04 °C và nồng độ 5% Theo bảng I.46 và nội suy, khối lượng riêng được xác định là 987,6 kg/m³.
𝜔: là vận tốc thích hợp của dung dịch trong ống, với dung dịch KNO 3 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 d tr = 70mm
Vận tốc 0,89 m/s nằm trong khuyến cáo khi chọn đường kính 70 mm Áp suất làm việc P được xác định là 1,74 at, tương đương 0,17 x 10^6 N/m², trong khi quy chuẩn áp suất là 0,25 x 10^6 N/m² Cần tra bích ống nối dẫn hơi thứ với hệ thống bên ngoài theo bảng XIII.26 [4-414].
𝐷 𝑦 (mm) Ống Kích thước nối Kiểu bích
Tra bảng XIII.32 [4-434] lấy chiều dài ống L = 110 mm
Ống dẫn hơi thứ ra đã được tính toán với đường kính buồng bốc là d = 0,247m, tương ứng với quy chuẩn d = 250mm Theo bảng XIII.26 [2-413], sử dụng bích liền bằng kim loại đen để kết 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
T ng = 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 d = 40 mm Áp suất làm việc được xác định là P1 = 5 at = 0,4905.10^6 N/m², trong khi quy chuẩn áp suất P = 0,6.10^6 N/m² Theo bảng XIII.26 [2-414] với P = 0,6.10^6 N/m² và d = 40 mm, ta có thể xác định các thông số của 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 :
-G nk : khối lượng nồi không -G nd : khối lượng nước được đổ đầy trong nồ
• Khối lượng nắp đáy buồng đốt:
- Đường kính trong của đáy buồng đốt: D tr = 1000 (mm)
- Chiều cao gờ: h = 25 (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 m 1 =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: m 3 = 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) d n : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d n = 0,038(m) Thay vào ta có: V = 0,012.0,785.(1 2 –187.0,038 2 ) (m 3 ) = 6,88.10 −3 (m 3 )
• Khối lượng các ống truyền nhiệt m 4 = 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) d n : đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d n = 0,038(m) d tr : đường kính trong của ống truyền nhiệt, d tr = 0,034(m) Thay vào ta có: V = 5.0,785.(0,038 2 -0,034 2 ) = 1,13.10 −3 (m 3 ) Vậy m 4 = 187.1,13 10 −3 7900 = 1669,35 (kg)
• 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
-D tr : đường kính trong buồng bốc, 𝐷 𝑡𝑟 = 1,4 m -D n : đường kính ngoài buồng bốc, 𝐷 𝑛 = 𝐷 𝑡𝑟 + 2.S = 1,4 + 2.0,004 = 1,408 m
• Khối lượng nắp buồng bốc:
- Chiều cao gờ: h = 25 mm Tra bảng XIII.11 [4 – 384] ta có khối lượng của nắp elip” m 6 = 106.1,01 = 107,06 kg
• Khối lượng phần nón cụt
Chọn chiều dày phần nón cụt bằng chiều dày buồng bốc là 4mm Tiết diện ống tuần hoàn nên bằng 10% tổng diện tích các ống truyền nhiệt, điều này được xác định dựa trên kinh nghiệm.
A: Tiết diện trong ống tuần hoàn d tr : Đường kính trong của ông truyền nhiệt, d tr = 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 Thay số ta đc:
• Khối lượng 4 bích ghép nắp, thân và đáy buồng đốt m 8 = 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 m 9 = 2.ρ.V (kg) Trong đó:
- ρ: là khối lượng riêng của thép X18H10T, 𝜌y00 kg/m 3
= 4,323 10 −3 (m 3 ) Vậy m 9 = 2.7900.4,323 10 −3 = 68,3 (kg) Vậy tổng khối lượng nồi khi chưa tính bu lông, đai ốc là:
G nk = 𝑔 ∑ 9 𝑖=1 𝑚 𝑖 (N) 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:
- D trbb : đường kính trong buồng bốc, D trbb = 1,4(m)
- D trbd : đường kính trong buồng đốt, D trbd = 1(m) Thay vào ta có: V = 0,785.(1,4 2 2,6+1 2 6,2) + 0,065= 8,93 (m 3 ) Khối lượng nước chứa đầy trong nồi là:
G nd = g.ρ.V = 9,81.1000.8,93 603,3 (N) 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:
- t T2 : nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt về phía không khí, khoảng 40 – 50 o C, chọn t T2 =
Nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp với bề mặt thiết bị, ký hiệu là t T1, có thể được xác định gần với nhiệt độ hơi đốt do trở lực tường trong thiết bị rất nhỏ so với trở lực của lớp cách nhiệt Cụ thể, t T1 được tính là 151,1 °C.
- t kk : nhiệt độ môi trường xung quanh Tra bảng VII.1 [4 – 97], chọn t kk = 23,4 o C, lấy nhiệt độ trung bình cả năm tại Hà Nội
- 𝜆 c : hệ số dẫn nhiệt của chất cách nhiệt, chọn vật liệu lớp cách nhiệt là sợi bông thủy tinh: 𝜆 𝑐 = 0,0372 W/m.độ (bảng PL.14 [1 – 348])
- 𝛼 𝑛 : hệ số cách nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt đến không khí:
𝛼 𝑛 = 9,3 + 0,058.45 = 11,91 (W/m 2 độ) 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 KNO 3
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 lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, ta sử dụng các thông số sau: Gn là lượng nước lạnh (kg/s), W là lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị (kg/s), và i là nhiệt lượng riêng của hơi ngưng (J/kg), với giá trị i = i 2’ = 2608444 J/kg Nhiệt độ đầu và cuối của nước lạnh được chọn là t 2đ = 25 o C và t 2c = 50 o C.
=>Nhiệt độ trung bình: t tb = 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]: C n (tại 37,5 o C) = 4181,04 (J/kg.độ)
Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ
D tr : đường kính trong của thiết bị ngưng tụ, m
W 2 : 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
Trong bảng I.250 [1-312], giá trị ρ h được xác định là 0,1286 kg/m3 Tốc độ của hơi trong thiết bị ngưng tụ, ký hiệu là ω h, phụ thuộc vào cách phân phối nước và kích thước của các tia nước Khi tính toán với áp suất làm việc p ng = 0,2 at, có thể chọn ω h = 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 = 800
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 = 98365,06 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 d lỗ : 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 thường nằm trong khoảng 0,025 đến 0,1, và trong trường hợp này, chúng ta chọn (f_f tb) = 0,03 Khi thay số vào công thức, chúng ta tính được 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 di chuyển trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên, thể tích của nó giảm dần, do đó khoảng cách giữa các ngăn cũng cần giảm dần, khoảng 50mm cho mỗi ngăn Với 8 ngăn như trong bảng, khoảng cách trung bình giữa các ngăn là 300mm, và khoảng cách giữa hai ngăn dưới cùng được chọn 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 = h 1 + h 2 + 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:
Chiều cao cột nước trong ống Baromet cần thiết để khôi phục toàn bộ trở lực khi nước chảy trong ống được tính theo công thức h2 = ω² / (2g) (2,5 + λ.Hd), với d là đường kính trong ống baromet (d = 0,27 m) và ω là 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 t tb = 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: 𝜌 𝑡𝑏 = 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 loại đứng sử dụng hơi nước bão hòa 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 là t bh = 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
Khi chọn loại ống thép X18H10T với đường kính d = 32 ± 2 mm và chiều dài L = 3m, yêu cầu thiết kế quan trọng nhất là xác định bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Bên cạnh đó, cần xác định các thông số khác như đường kính, chiều cao, số lượng 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) -C p : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp C p = C 0 = 3976,7 (J/kg.độ) -t F : Nhiệt độ cuối của dung dịch, t F = t so = 116,04 ( o C)
-t f : Nhiệt độ đầu của dung dịch, lấy bằng nhiệt độ môi trường, t f = 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 ∆t đ /∆t c = 3,6> 2 nên nhiệt độ trung bình của hai lưu thể là:
Hơi đốt có nhiệt độ trung bình t 1tb = 151,1 o C Phía hỗn hợp: t 2tb = t 1tb – ∆t tb = 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 Giả thiết ∆t 1 = 3,9 ℃ => t T1 = t bh - ∆t 1 = 151,1 – 3,9 = 147,2 ℃
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m = 0,5 (t T1 + ∆t 1 ) = 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: q 1 = α 1 ∆t 1
3.2.3.Hệ số cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xoáy
Pr t là chuẩn số Pran của hỗn hợp lỏng, được tính theo nhiệt độ trung bình của tường Hệ số hiệu chỉnh ε 1 phản ánh ảnh hưởng của tỉ 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
+ C p là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại t 2tb = 79,89 ℃
+ μ là độ nhớt động lực của hỗn hợp ở t 2tb = 79,89 ℃
+ λ: Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Chọn chất lỏng tiêu chuẩn là nước, t 1 = 20 o C; t 2 = 30 o C Tra bảng I.107 [1-100] và nội suy ta có: t 1 = 20 o C, x = 5% → μ 11 = 0,98 10 −3 [N.s/m 2 ] t 2 = 30 o C, x = 5% → μ 21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ]
Tra bảng I.102 [1-94] và nội suy ta có: μ 11 = 0,98 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ 11 = 21,05 o C μ 21 = 0,8 10 −3 [N.s/m 2 ] → θ 21 = 30,04 o C Tại t s1 = 116,04 o C, dung dịch có độ nhớt là μ dd1 tương ứng với đột nhớt của nước có nhiệt độ là θ 31 :
Tra bảng I.102 [1-95] và nội suy với θ 31 = 105,07 o C ta được μ dd1 = 0,2632 10 -3 [N.s/m 2 ]
- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch xác định theo công thức λ = A C p ρ √ ρ
Trong đó + C p là nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp đầu tại t tb = 79,89 ℃ Đã tính được
C p = 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
N KNO3 : Phần mol của KNO 3 trong dung dịch
Thay vào công thức trên ta có:
M 1 = 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:
∆t T = t T1 − t T2 = q 1 ∑ r Trong đó: t T1 , t T2 : nhiệt độ thành ống hơi nước và về phía hỗn hợp
65 r 1 ; r 2 : 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: q 2 = 𝛼 2 ∆𝑡 2 = 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 α 1 = 6548,4 (W/m 2 độ) và lượng nhiệt truyền cho 1m 2 ống truyền nhiệt là:
Ho ặc cũng có thể tính thông qua nhiệt tải riêng q tb = 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
Trong đó + F = 34 m 2 là tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt + f = 𝜋 d h 0 : là diện tích xung quanh của một ống truyền nhiệt, m 2 + h 0 = 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
+ G đ là lưu lượng thể tích chất lỏng (m 3 ) + d t = 0,033 m là đường kính trong của 1 ống + Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng tại t tb = 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 = d n = 36 mm là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt + t là 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) + 4 0,032 = 0,776 m Quy chuẩn D = 0,8 m