Đề Tài Thiết Kế Thiết Bị Cô Đặc Dung Dịch Naoh 2 Nồi Xuôi Chiều Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Hoạt Động Liên Tục

Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NAOH 2 NỒI XUÔI CHIỀU CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Lê Liên Chủ nhiệm bộ môn: TS Bùi Ngọc Pha Danh sách sinh viên thực hiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi liên tục xuôi chiều để cô đặc dung dịch NaOH, năng suất nhập liệu 3 m 3 /h

Họ và tên sinh viên:

1 Lưu Thị Thu Hiền 2010259 Vẽ quy trình công nghệ, thiết kế

thiết bị ngưng tụ, tính thiết bị phụ

2 Võ Chí Hiếu 2010255 Tính cân bằng vật chất – năng lượng, thiết kế thiết bị chính

3 Mai Viết Hùng 2013362 Tính cân bằng vật chất – năng

lượng, thiết kế thiết bị gia nhiệt

1 Số liệu ban đầu: Sinh viên tham khảo ứng dụng thực tế và tự chọn thông số thiết kế

2 Nội dung thực hiện:

2.1 Giới thiệu

2.2 Tổng quan

2.3 Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

2.4 Tính toán công nghệ thiết bị

2.5 Tính toán kết cấu thiết bị

(Ký và ghi rõ họ tên) NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)

TS Bùi Ngọc Pha TS Nguyễn Thị Lê Liên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Đặc điểm nguyên liệu 5

1.2 Quá trình cô đặc 5

1.2.1 Định nghĩa cô đặc 5

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 5

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt 6

1.3 Thiết bị cô đặc 6

1.3.1 Nguyên lý làm việc 6

1.3.2 Phân loại theo cấu tạo 7

1.3.3 Phân loại theo phương thức thực hiện quá tình 8

1.3.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaOH 9

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ 10

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ 10

2.3 Thuyết minh quy trình công nghệ 10

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 12

3.1 Các số liệu ban đầu 12

3.2 Cân bằng vật chất 12

3.2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 12

3.2.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 12

3.2.3 Xác định nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi 12

3.3 Cân bằng năng lượng 13

3.3.1 Xác định thông số hoạt động của nồi 2 13

3.3.2 Xác định thông số hoạt động của nồi 1 14

3.3.3 Xác định thông số hơi đốt của các nồi 15

3.3.4 Xác định nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi 16

3.3.5 Cân bằng nhiệt lượng 16

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 20

4.1 Tính hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi 20

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt 20

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt giữa thành ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi 21

4.1.3 Hệ số truyền nhiệt 24

4.2 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi 24

4.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 25

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 26

5.1 Tính kích thước buồng đốt 26

5.1.1 Số ống truyền nhiệt 26

5.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm 26

5.1.3 Đường kính buồng đốt 27

5.2 Tính kích thước buồng bốc 28

5.2.1 Đường kính buồng bốc 28

5.2.2 Chiều cao buồng bốc 30

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 35

6.1 Tính bền cho thân thiết bị 35

6.1.1 Thân buồng đốt 35

6.1.2 Thân buồng bốc 39

6.1.3 Tính bền cho nắp và đáy thiết bị 44

6.2 Tính vỉ ống 54

6.3 Tính mặt bích 56

6.3.1 Mặt bích giữa buồng đốt và buồng bốc 56

6.3.2 Mặt bích giữa buồng đốt và đáy 57

6.3.3 Mặt bích giữa buồng bốc và nắp 58

6.4 Tính tai treo chân đỡ 58

6.5 Khối lượng thiết bị 59

6.5.1 Khối lượng buồng đốt 59

6.5.2 Khối lượng buồng bốc 59

6.5.3 Khối lượng phần hình nón cụt giữa thân thiết bị 59

6.5.4 Khối lượng đáy nón 60

6.5.5 Khối lượng nắp ellipse 60

6.5.6 Khối lượng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm 60

6.5.7 Khối lượng vỉ ống 60

6.5.8 Khối lượng bích 61

6.5.9 Khối lượng dung dịch 62

6.6 Tính toán tai treo 63

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 64

7.1 Thiết bị gia nhiệt 64

7.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 64

7.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 65

7.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường 66

7.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 67

7.2 Thiết bị ngưng tụ 69

7.2.1 Chọn thiết bị ngưng tụ 69

7.2.2 Tính thiết bị ngưng tụ 70

7.3 Bồn cao vị 77

7.4 Bơm 79

7.4.1 Bơm chân không 80

7.4.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 80

7.4.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 83

7.4.4 Bơm tháo liệu 85

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Natri hydroxidE NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2

từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín

Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn

Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi ở trạng thái lỏng được cung cấp nhiệt lượng khi đạt đến nhiệt độ sôi thì chuyển sang trạng thái hơi, khi đó áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch Một số dung dịch không chịu được nhiệt độ cao do có thể làm biến đổi tính chất sản phẩm nên đòi hỏi phải được cô đặc

ở nhiệt độ thấp tương ứng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp, phương pháp này được gọi là phương pháp cô đặc chân không

Phương pháp 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 đôi khi phải dùng đến máy lạnh

1.2.3 Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt

Dựa vào thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn 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 Do

đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng của các phần tử ở trên

bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hòa tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

1.2.4 Ứng dụng của quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng

độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất hòa tan (có kèm theo quá trình kết tinh) như:

• Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây, …

• Trong sản xuất hoá chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ, …

không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

1.3.1.2 Buồng bốc

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ

1.3.2 Phân loại theo cấu tạo

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất:

Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc

nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

• Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài

• Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm

này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu

điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt,

độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

• 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

1.3.3 Phân loại theo phương thức thực hiện quá tình

Ngoài ra còn một cách phân loại khá phổ biến khác là phân loại theo phương thức thực hiện quá trình Bao gồm:

• Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

• Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

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

nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

• Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tuỳ

theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc

ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể

áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

1.3.4 Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaOH

• Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu

đề, người viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 2 nồi liên tục có buồng đốt trong

và ống tuần hoàn trung tâm Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là

có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

Trong bài này, nhóm lựa chọn hệ thống cô đặc 2 nồi liên tục Vì cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba, … hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển

Bản vẽ A1 kèm theo

Nguyên liệu (NaOH) được bơm lên bồn cao vị nhờ bơm nhập liệu Từ bồn cao vị dung dịch NaOH chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt (là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm) và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việc trong nồi cô đặc 1 Dung dịch sau đó được đưa vào nồi 1 và được cô đặc một phần (nồi 1 sử dụng hơi đốt chính trong nhà máy) Do sự chênh lệch áp suất giữa 2 nồi (áp suất nồi 1 lớn hơn áp suất nồi 2) nên dung dịch tiếp tục chảy qua nồi cô đặc 2 Nồi 2 sử dụng hơi thứ

của nồi 1 để làm hơi đốt, tiếp tục cô đặc dung dịch NaOH đạt nồng độ yêu cầu Sản phẩm được lấy ra ở đáy, được bơm hút ra ngoài, chuyển qua bể chứa Hơi thứ và khí không ngưng nồi 2 được đưa qua thiết bị ngưng tụ Baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp)

Trong thiết bị ngưng tụ, chất làm lạnh và nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được chuyển vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt ngưng tụ thành chất lỏng, chảy xuống bồn chứa nước ngưng Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên qua thiết bị phân ly để tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng đưa về bồn chứa nước ngưng; còn lại khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

• Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 3m3/h = 3393 kg/h

• Nồng độ đầu của dung dịch xđ = 12% (khối lượng)

• Nồng độ cuối của dung dịch xc = 32% (khối lượng)

• Hơi đốt: hơi nước bão hòa

• Áp suất hơi đốt nồi 1: Pđ1 = 4 at

• Áp suất hơi ngưng tụ Png = 0,2 at

3.2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống

Theo công thức VI.1/55 [2]:

W = Gđ(1 −xđ

xc) = 3393 (1 −

12

32) = 2120,625 kg/h

3.2.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là W1 và W2 (kg/h)

Giả thiết phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở các nồi W1:W2 = 1

3.2.3 Xác định nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi

Theo công thức VI.2 [2] ta có:

Với nồi 1: x1 = Gđ ∙ xđ

Gđ−W1 = 3393 ∙ 12

3393−1009,821 = 17,45%

Với nồi 2: x2 = 32%

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Xác định thông số hoạt động của nồi 2

3.3.1.1 Thông số hơi thứ nồi 2

Áp suất ngựng tụ Png = 2 at => Nhiệt độ hơi ngưng tự Tng = 59,7 oC

Nhiệt độ làm việc của nồi 2: T2=Tng + Δ’’’=59,7+1=60,7 oC

Δ’’’: tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống Chọn Δ’’’ = 1 oC Tra số liệu từ Bảng I.250/312-313 [1]

Áp suất làm việc của nồi 2 P2 = 0,2104 at

Nhiệt lượng riêng i2’ = 2609588 J/kg

Nhiệt hóa hơi r2’ = 2355262 J/kg

3.3.1.2 Xác định nhiệt độ sôi dung dịch của nồi 2

Nhiệt độ sôi dung môi ở trong lòng chất lỏng tsdm2 = T2 + Δ2’’

Δ’’: tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao

Áp suất thủy tĩnh ở lòng chất lỏng VI.12/60 [2]

p2 = P2 + ρgh = P2 + ρg(h1+H/2) Trong đó

ρ: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, lấy bằng 1/2 khối lượng riêng của dung môi ở 20oC

Nhiệt độ sôi dung môi tsdm2 = 69,48 oC

=>Δ2’’ = tsdm2 − T2 = 69,48 − 60,7 = 8,78 oCNhiệt độ sôi dung dịch tsdd2 = tsdm2 + Δ2’

Δ’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi dung môi

Tính theo công thức Tysenco VI.10-VI.11/59 [2]

3.3.2 Xác định thông số hoạt động của nồi 1

3.3.2.1 Thông số hơi thứ nồi 1

Tra số liệu từ Bảng I.250/312-313 [1]

Chọn áp suất làm việc của nồi 1 P1 = 1,43 at

Nhiệt độ làm việc của nồi 1 T1 = 109,3 oC

Nhiệt lượng riêng i1’ = 2694500 J/kg

Nhiệt hóa hơi r1’ = 2355500 J/kg

3.3.2.2 Xác định nhiệt độ sôi dung dịch của nồi 1

Nhiệt độ sôi dung môi ở trong lòng chất lỏng tsdm1 = T1 + Δ1’’

Áp suất thủy tĩnh ở lòng chất lỏng p1 = P1 + ρgh = P1 + ρg(h1+H/2)

Trong đó

Sử dụng công thức Tysenco ∆′= 16,2 ∙ts2

r ∆o′ Với x1 = 17,45%

=> Δo’ = 6,57 oC => Δ1’ = 16,2 ∙(109,3+273)2

2355500 ∙ 6,57 = 6,96 oC Nhiệt độ sôi dung dịch tsdd1= tsdm1 + Δ1’= 111,08 + 6,96 = 118,04 oC

3.3.3 Xác định thông số hơi đốt của các nồi

Nồi 1

Áp suất hơi đốt Pđ1 = 4 at

Nhiệt độ hơi đốt T1 = 142,9 oC

Nhiệt lượng riêng i1 = 2744000 J/kg

Nhiệt hóa hơi r1 = 2141000 J/kg

Nồi 2

Nhiệt độ hơi đốt T2 = T đ1 − Δ’’’ = 109,3 − 1 = 108,3 oC

Áp suất hơi đốt Pđ2 = 1,383 at

Nhiệt lượng riêng i2 = 2692940 J/kg

Nhiệt hóa hơi r2 = 2238760 J/kg

Bảng 1 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt và hơi thứ của 2 nồi

Nhiệt độ sôi dung dịch thực tế, tsdd ( o C) 118,04 84,03

3.3.4 Xác định nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi

Nhiệt độ hữu ích của các nồi

3.3.5 Cân bằng nhiệt lượng

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho nồi 1

D ∙ i1+ Gđ ∙ Co∙ tso = W1∙ i1′ + D ∙ Cng1∙ θ1+ (Gđ − W1)C1 ∙ ts1+ Qtt1

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho nồi 2

W1∙ i2+ (Gđ− W1)C1∙ ts1 = W2∙ i2′ + W1∙ Cng2 ∙ θ2+ (Gd − W1− W2)C2∙ ts2 + Qtt2

Trong đó:

D: lượng hơi đốt vào (kg/h)

i: nhiệt lượng riêng hơi đốt mỗi nồi (J/kg)

i’: nhiệt lượng riêng hơi thứ mỗi nồi (J/kg)

Ts: nhiệt độ sôi dung dịch (oC)

θ: nhiệt độ nước ngưng (oC)

Cng: nhiệt dung riêng nước ngưng (J/kg.độ)

Cđ: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg.độ)

C: nhiệt dung riêng dung dịch cuối mỗi nồi (J/kg.độ)

Qtt: lượng nhiệt thất thoát ở mỗi nồi (J/h)

Gđ: lượng dung dịch đầu vào hệ thống (kg/h)

W: lượng hơi thứ bốc lên từ mỗi nồi (kg/h)

3.3.5.1 Tính toán thông số của dung dịch

Nhiệt độ sôi dung dịch

Nhiệt độ sôi dung dịch đầu vào tso = T1+Δ’ = 116,26 oC

Nhiệt độ sôi dung dịch nồi 1 ts1 = 118,04 oC

Nhiệt độ sôi dung dịch nồi 2 ts2 = 84,03 oC

Nhiệt dung riêng dung dịch

Nhiệt dung riêng dung dịch đi vào nồi 1

Co = 4186(1 − xđ) = 4186(1 − 0,12) = 3683,68 J/kg.độ Nhiệt dung riêng dung dịch đi vào nồi 2

C1 = 4186(1 − x1) = 4186(1 − 0,1745) = 3455,35 J/kg.độ Nhiệt dung riêng dung dịch đi ra nồi 2

C2 = Cht∙ x2+ 4186(1 − x2) Với Cht = ∑ Ci∙Ni

40 = 1310,75 J/kg.độ Trong đó

Ci: nhiệt dung riêng của các đơn chất J/kg.độ

Ni: số nguyên tử trong phân tử M: phân tử khối của chất tan

CNa = 26000 J/kg.độ CO = 16800 J/kg.độ CH = 9630 J/kg.độ

=> Cht =26000+16800+9630

40 = 1310,75 J/kg.độ

=> Co = 1310,75 ∙ 0,32 + 4186(1 − 0,32) = 3265,92 J/kg.độ

3.3.5.2 Tính toán thông số của nước ngưng

Nhiệt độ nước ngưng của mỗi nồi

Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 = nhiệt độ hơi đốt nồi 1 θ1 = Tđ1 = 142,9 oC

Nhiệt độ nước ngưng nồi 2 = nhiệt độ hơi đốt nồi 2 θ2 = Tđ2 = 108,3 oC

Nhiệt dung riêng nước ngưng của mỗi nồi

Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 1 Cng1 = 4294,25 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng nước ngưng nồi 2 Cng2 = 4230,79 J/kg.độ

Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng cho 2 nồi

Xác định lại phân phối hơi thứ W1:W2 = 1:1.04

Sai số tính toán lượng hơi thứ

ε1 =|1040,340−1060,3125|

ε2 =|1080,285−1060,3125|

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

4.1 Tính hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt

Giả thiết chênh lệch giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt

Δt11 = 2,26oC

Δt12 = 2,16 oC Với điều kiện làm việc của phòng đốt thẳng đứng với ống tuyền nhiệt dài 2m, hơi nước bão hòa bên ngoài ống thì hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức V.101/28 [2]

α1i = 2,04 ∙ A ( ri

∆ti−t∙ H)

0,25

Trong đó

α1i: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (W/m2.độ)

Δt1i: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng và mặt ống truyền nhiệt tiếp xúc với hơi ngưng (oC)

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = 0,5(Tđ + tT1)

Tđ: nhiệt độ hơi đốt (oC) tT1: nhiệt độ bề mặt thành ống truyền nhiệt

Δt1i = Tđ - tT1 => tm = Tđ − 0,5 ∙ Δt1i (oC) Tra bảng trang 29 [2]

q12 = α12 ∙ ∆t12 = 9975,31 ∙ 2.16 = 21546,66 W/m2

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt giữa thành ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi

Dung dịch sôi ở chế độ sủi bọt, có đối lưu tự nhiên => hệ số cấp nhiệt tính theo công thức V.91- 26[2] và VI.27-71 [2]:

α2i = 45,3 ∙ ∆t2i2,33 ∙ (Pi′)0,5∙ ψiVới ∆t2i: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch

ψi: hệ số hiệu chỉnh

∆t2i = tT2i − tddi = ΔTi − Δt1i − ΔtTi

ΔtTi = q1i∙ ∑ r = q1i∙ (r1+ r2+δ

λ) Trong đó r1: nhiệt trở cặn bẩn của dung dịch (m2.độ/W)

r2: nhiệt trở cặn bẩn của hơi đốt (m2.độ/W)

δ: bề dày thành ống truyền nhiệt (m) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ông truyền nhiệt

Tra bảng V.1-4 [2] => r1 = 0,000387 m2.độ/W

r2 = 0,000232 m2.độ/W Chọn δ = 0,002 m

Chọn vật liệu làm ống là thép X18H10T => λ = 16,3 W/m.độ (tra bảng XII.7-313 [2]) Tính được ΔtT1 = 23496,54 ∙ (0,000387 + 0,000232 +0,002

Các thông số lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch

Tính thông số của dung dịch

Hệ số dẫn nhiệt tính theo công thức I.32-123 [1]

𝜆𝑑𝑑 = 𝐴 ∙ 𝐶𝑑𝑑∙ 𝜌𝑑𝑑 ∙ √𝜌𝑑𝑑

𝑀3

Ni :phần mol NaOH của dung dịch tính theo công thức Ni =

𝑥𝑖 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑥𝑖 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻+

1−𝑥𝑖

𝑀𝐻2𝑂

N1 =

0.1745 40 0.1745

40 +1−0.174518

= 0,0869

N2 =

0.32 40 0.32

40 +1−0.3218

= 0,1748 Tính được

M1 = 40.0.0869 + 18.(1-0.0869) = 19,912 (g/mol)

M2 = 40.0.1748 + 18.(1-0.1748) = 21,845 (g/mol) Tính được hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

2

(3455,354320,9) (

0,96420,2367)]

2

(3462,924201,5 ) (

2,36090,3394)]

Sai số nhiệt tải riêng

4.2 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi

Lượng nhiệt hơi đốt

Q1 = W1 r1 =1141,272.2141000

3600 = 678739,8 𝑊

Q2 = W2 r2 =1040,340.2238760

3600 = 646964,5 𝑊

Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực

Theo công thức VI.20-68 [2]

4.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

𝐹1 = 𝑄1

𝐾1∙ ∆𝑡1∗ =

678739,8912,78 ∙ 24,90 = 29,86𝑚

2

𝐹2 = 𝑄2

𝐾2∙ ∆𝑡2∗=

646964,5894,68 ∙ 24,22 = 29,86 𝑚

2

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

5.1 Tính kích thước buồng đốt

5.1.1 Số ống truyền nhiệt

𝜋 𝑑 𝐻

F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 29,86 m2

H - Chiều dài ống truyền nhiệt H = 2 m

d - Đường kính trong ống truyền nhiệt

Tra bảng, ta có: dt = 25 mm, bề dày ống 2 mm -> dn = 25+2.2 = 29 mm

Số ống truyền nhiệt

𝑛 = 29,86

𝜋 0,025.2= 190,09 (ố𝑛𝑔)

Theo bảng, ta chọn số ống n = 241 (ống) và bố trí ống theo hình lục giác đều

5.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

𝐷𝑡ℎ = √4 𝑆

𝜋 (𝑚)

S - Tiết diện ống tuần hoàn trung tâm

Đối với ống tuần hoàn trong, S = 0,35.(Tổng tiết diện các ống truyền nhiệt)

H - Chiều dài ống truyền nhiệt, H = 2 m

Dnth - Đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm, Dnth = 0,277 m

α – Góc ở đỉnh của tam giác đều, α = 60o

F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F = 29,86 m2

𝐷𝑡 = √0,4 (1,5)2 0,029 𝑠𝑖𝑛60𝑜 29,86

0,8.2 + (0,277 + 2 ∙ 1,4 ∙ 0,029)2 = 0,742 (𝑚)Chọn Dt = 800 mm = 0,8 m (Theo tiêu chuẩn)

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 241 ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều theo bảng V.11-48 [2]như sau:

Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân: 217

Số ống trong các hình viên phân, bao gồm:

+ Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân: 24

Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế là: ntt = 0,75.(72 - 1) + 1 = 37 ống

Số ống truyền nhiệt còn lại là: n’ = 241-37 = 204 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt mới là:

F’ = (n’.dt + Dth).π.H = (204.0,025 + 0,273).π.2 = 33,76 m2 > 29,86 m2 (thoả)

5.2 Tính kích thước buồng bốc

5.2.1 Đường kính buồng bốc

Chọn đường kính buồng bốc mỗi nồi: Db1 = Db2 = Db3 = 1,6 (m)

Lưu lượng hơi thứ trong mỗi buồng bốc: Vh(i) = W(i)

3600.ρh(i) (m3/s) Trong đó:

Wi: lượng hơi thứ nồi thứ i (kg/h)

ρh(i): khối lượng riêng hơi thứ (kg/m3)

Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc: ωh(i) = Vh(i)

π.Db(i)24 (m/s)

Chuẩn số Reynold: Rei =ωh(i).d.ρh(i)

μi

Trong đó:

d: đường kính giọt lỏng, d = 0,0003 (m), trang 276 [4]

μi: độ nhớt động lực của hơi thứ nồi thứ i, tra bảng 58-48 [4] theo nhiệt độ hơi thứ

Vì 0,2 < Re(i) < 500, nên hệ số trở lực: ξ(i) = 18,5

Re(i)0,6 (trang 276 [4]

Vận tốc lắng được tính theo công thức 5.14-276 [4]:

ωo(i) = √4g (ρl(i)− ρh(i)) d

3 ξ(i) ρh(i) (m/s)

Trong đó,

ρl(i): khối lượng riêng của giọt lỏng, tra bảng I.5-11 [1] theo nhiệt độ hơi thứ

ρh(i): khối lượng riêng hơi thứ nồi thứ i, kg/m3, tra bảng I.251-314 [1] theo áp suất hơi thứ

d: đường kính giọt lỏng, d = 0,0003 (m), trang 276 [4]

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

Theo trang 276 [4]: ωh(i) < (70 − 80%) ωo(i)

Tra bảng và tính toán, ta được bảng sau

Bảng 3 Tính toán đường kính buồng bốc

Khối lượng riêng hơi thứ ρh(i) (kg/m3) 0,77 0,134

70,25 (thỏa) Vậy đường kính buồng bốc: Db

1 = Db

2 = Db

3 = 1,6 (m)

5.2.2 Chiều cao buồng bốc

Áp dụng công thức VI.33-72 [2]: Utt= f Utt(1at) (m3/m3.h)

Trong đó:

Wi là lượng hơi thứ của 2 nồi (kg/s)

ρh(i) là khối lượng riêng của hơi thứ trong buồng bốc các nồi (kg/m3)

Bảng 4 Các giá trị tính toán buồng bốc

Thể tích không gian hơi Vb (m3) 0,811 3,162

Chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nồi: Hb = 1,6 (m)

5.3 Tính kích thước các ống của thiết bị cô đặc

Đường kính các ống được tính một cách tổng quát theo công thức VI.41-74 [2]:

d = √ 4G

πωρ

Tra bảng XIII.32 trang 434 [3] suy ra chiều dài đoạn ống nối

Trong đó,

G là lưu lượng khối lượng lỏng hoặc hơi đi trong ống dẫn (kg/s)

ω là tốc độ lỏng hoặc hơi đi trong ống dẫn (m/s) (chọn theo trang 74 [2])

ρ là khối lượng riêng của lỏng hoặc hơi đi trong ống dẫn (kg/m3)

Bảng 5 Đường kính các ống

Loại ống Thông số Nồi 1 Nồi 2

Dựa vào bảng XIII.26-409 (cách lắp kiểu 1) Ta được

Bảng 14 Kích thước các ống dẫn

Ống

P y 10 6 (N/m 2 )

Z (cái)

1

h (mm)

Ống dẫn hơi đốt

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

6.1 Tính bền cho thân thiết bị

6.1.1 Thân buồng đốt

Xác định bề dày thân buồng đốt

Buồng đốt có đường kính trong Dtr = 800 (mm), chiều cao Hbđ =2000 (mm)

Chọn vật liệu thép không gỉ X18H10T có bọc lớp cách nhiệt làm thân buồng đốt 

Ttt = 142,9 + 20 = 162,9℃ (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 9 [3])

Các thông số cần tra và chọn:

[]* Ứng suất cho phép tiêu chuẩn

(N/mm2)

[]* = 136 (N/mm2) (ở 162,9℃) (hình 1.1 trang 15 [3])

0 Hệ số hiệu chỉnh  = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang

17 [3])

[] Ứng suất cho phép khi kéo (N/mm2) [] = .[]* = 129,2 (N/mm2) (1-9/17

C được tính theo công thức 1-10/20 [3]:

C = Ca + Cb + Cc + Co (mm) Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 (mm) (thời gian làm việc 10 năm) Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày: C0 = 0,18 (mm) (bảng XIII.9/364 [2])

Vậy hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,18 = 1,18 (mm) Vậy bề dày thực là: S = S’ + C =1,031+1,18 = 2,211 (mm)

Ttt = 108,3 + 20 = 128,3℃ (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 9 [3]) Các thông số cần tra và chọn:

[]* Ứng suất cho phép tiêu chuẩn

(N/mm2)

[]* = 141 N/mm2 (ở 128,7℃) (hình 1.2 trang 15 [3])

 Hệ số hiệu chỉnh  = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang

C được tính theo công thức 1-10/20 [3]:

C = Ca + Cb + Cc + Co (mm)

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 (mm) (thời gian làm việc 10 năm) Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày: C0 = 0,12 (mm) (bảng XIII.9/364 [2])

Vậy hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,12 = 1,12 (mm) Vậy bề dày thực là: S = S’ + C = 0,199 + 1,12 = 1,319 (mm)

Vậy bề dày buồng đốt nồi 2 là 4 (mm)

Tính bền cho các lỗ trên thân

Đường kính lớn nhất của lỗ cho phép không cần tăng cứng được xác định như sau:

dmax = 3,7√D3 t (S − Ca) (1 − k)= 3,7√800 (4 − 1) (1 − 0,28)3 = 44,4(mm) Với

(2,3.129,2 − 0,264) (4 − 1) = 0,28

So sánh với các ống ở thân, ta có:

• Ống dẫn hơi đốt dt = 150 (mm) > dmax = 𝟒𝟒, 𝟒 (mm)